白俊艷 祁艷霞 楊又兵等

摘要：為了將多個(gè)有利QTL導(dǎo)入到同一個(gè)群體中，模擬研究了在標(biāo)記輔助的育種過(guò)程導(dǎo)入兩個(gè)QTL，分析了不同試驗(yàn)設(shè)計(jì)和不同背景選擇方法對(duì)標(biāo)記輔助導(dǎo)入效率的影響。結(jié)果表明，在兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)中，在回交階段，試驗(yàn)設(shè)計(jì)2的導(dǎo)入QTL頻率略高于試驗(yàn)設(shè)計(jì)1，在橫交階段基本無(wú)差異。GS、MS和MIS選擇方法對(duì)遺傳背景的恢復(fù)比較好，而MBLUP、BLUP、PH和MIS選擇方法獲得的背景性狀的遺傳進(jìn)展較大，MIS選擇方法對(duì)于遺傳背景的恢復(fù)和背景性狀的遺傳進(jìn)展取得較好的結(jié)果。

關(guān)鍵詞：標(biāo)記輔助；QTL；導(dǎo)入

中圖分類號(hào)：S826.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2015）14-3537-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2015.14.052

Introgression of Two QTL Based on Marker-assisted

BAI Jun-yan， QI Yan-xia，YANG You-bing，HUANG Yong， LI Guang-lu，LI Hong-wei

（College of Animal Science and Technology， Henan University of Science and Technology， Luoyang 471003， Henan， China）

Abstract： The effect of different factors on the efficiency of marker-assisted introgression two QTL was further simulated. The factors included different experiment designs （experiment design 1 and experiment design 2）， background selection methods （no selection-NO，phenotypic selection-PH，BLUP selection，MBLUP selection，markers score selection- MS，genomic similarity selection-GS and marker index selection-MIS）.The results indicated that for the two experiment designs，during backcross phase，experiment design 2 obtained a little higher introgressed QTL frequencies than design 1，during intercrossing phase，there was no difference between the two designs.GS，MS and MIS selection method for genetic background restoration was better，the genetic progress of background traits obtained by MBLUP，BLUP，PH and MIS selection method were larger， therefore the whole MIS advances in genetic selection method for restoring and background traits genetic background were good.

Key words： marker-assisted； QTL； introgression

隨著對(duì)動(dòng)物功能基因組研究的不斷深入，利用DNA分子標(biāo)記采用候選基因法和基因組掃描法已經(jīng)定位了許多影響畜禽重要經(jīng)濟(jì)性狀的主效基因或數(shù)量性狀基因座（Quantitative trait loci，QTL）。家畜中的主效基因或QTL相繼被人們所發(fā)現(xiàn)，在一個(gè)品系里很有可能存在控制不同性狀的多個(gè)優(yōu)勢(shì)QTL或者多個(gè)QTL控制同一個(gè)性狀。如果可以利用標(biāo)記信息同時(shí)將不同品系的多個(gè)QTL導(dǎo)入到同一個(gè)品系里，或?qū)⑼黄废档亩鄠€(gè)QTL導(dǎo)入到另一個(gè)品系里，從而可以把多個(gè)優(yōu)勢(shì)QTL（或基因）同時(shí)聚集到同一個(gè)基因組中，達(dá)到一次改良多個(gè)性狀的目的，這就是所謂的標(biāo)記輔助導(dǎo)入多個(gè)QTL，這與常規(guī)育種中的順序選擇相比大大縮短了育種周期。由于QTL定位的基礎(chǔ)研究還不能滿足育種的需要，還沒(méi)有數(shù)量性狀的QTL被精確定位，而且上位效應(yīng)等可能會(huì)影響標(biāo)記輔助選擇的效果。因此，對(duì)于標(biāo)記輔助導(dǎo)入多個(gè)QTL的研究還主要局限在理論上，僅見(jiàn)Koudandé等[1]在老鼠中成功標(biāo)記輔助導(dǎo)入3個(gè)抗性QTL，利用10只母老鼠（C57BL/6）×10只公老鼠（A/J），10只公老鼠（C57BL/6）×10只母老鼠（A/J）雜交產(chǎn)生F1，其中每個(gè)QTL利用了3個(gè)標(biāo)記進(jìn)行跟蹤監(jiān)控，利用標(biāo)記基因型只進(jìn)行了前景選擇，經(jīng)過(guò)4個(gè)回交世代和2個(gè)橫交世代后，將老鼠C57BL/6系的3個(gè)抗性QTL標(biāo)記輔助導(dǎo)入到老鼠A/J系中。

本研究采用了兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案，利用7種背景選擇方法，模擬研究了標(biāo)記輔助導(dǎo)入兩個(gè)QTL的育種過(guò)程，探討了這些因素對(duì)標(biāo)記輔助導(dǎo)入兩個(gè)QTL效率的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

假設(shè)分別控制兩個(gè)性狀的兩個(gè)有利QTL分別固定在兩個(gè)供體群體里，稱為QTL1和QTL2。將這兩個(gè)有利QTL同時(shí)導(dǎo)入同一個(gè)受體群的時(shí)候，兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)如圖1所示，并假設(shè)在所有世代中要避免同胞交配，后代性別比例按1∶1的概率確定，假定所有世代間不重疊。

1.2 性狀的表型值

1）基礎(chǔ)群性狀的表型值y：yi=qi+ui+ei，其中，yi為個(gè)體i的表型值，qi為個(gè)體i的QTL基因型值，ui為個(gè)體i的多基因效應(yīng)值，對(duì)于兩個(gè)親本群體，ui由正態(tài)分布N（0，？滓）隨機(jī)產(chǎn)生，ei為個(gè)體i的隨機(jī)環(huán)境離差，在所有世代中，ei均由正態(tài)分布N（0，？滓）隨機(jī)產(chǎn)生。

2）非基礎(chǔ)群的個(gè)體性狀表型值的產(chǎn)生方法與基礎(chǔ)群相同，不同的是多基因效應(yīng)值的計(jì)算：ui=0.5us+0.5ud+mi，其中，ui為個(gè)體i的多基因效應(yīng)值，us和ud分別為個(gè)體i的父本和母本的多基因值，mi為個(gè)體i的孟德?tīng)柍闃与x差（Mendelian sampling），服從正態(tài)分布N（0，（？滓/2）（1-（Fs+Fd）/2）），其中Fs和Fd分別為父本和母本的近交系數(shù)。

1.3 前景選擇方法

1.3.1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)1的前景選擇 回交階段和橫交階段的前景選擇策略是一樣的，即在導(dǎo)入群中選擇第一個(gè)導(dǎo)入QTL兩側(cè)標(biāo)記（兩個(gè)標(biāo)記與導(dǎo)入QTL的圖距為15 cM和5 cM）為雜合型，并且第二個(gè)導(dǎo)入QTL兩側(cè)標(biāo)記（兩個(gè)標(biāo)記與導(dǎo)入QTL的圖距為15 cM和5 cM）也為雜合型的個(gè)體。如果此類型的個(gè)體不夠選擇，則選擇任意一個(gè)導(dǎo)入QTL兩側(cè)標(biāo)記為雜合型的個(gè)體。

1.3.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)2的前景選擇 回交階段和橫交階段的前景選擇策略上略有不同，回交階段是在兩個(gè)導(dǎo)入群中分別進(jìn)行選擇，在第一個(gè)導(dǎo)入群體里，選擇第一個(gè)導(dǎo)入QTL兩側(cè)標(biāo)記（兩個(gè)標(biāo)記與導(dǎo)入QTL的圖距為15 cM和5 cM）為雜合型的個(gè)體，在第二個(gè)導(dǎo)入群體里，選擇第二個(gè)導(dǎo)入QTL兩側(cè)標(biāo)記（兩個(gè)標(biāo)記與導(dǎo)入QTL的圖距為15 cM和5 cM）為雜合型的個(gè)體。在橫交階段，即在公共的導(dǎo)入群中選擇這兩個(gè)導(dǎo)入QTL兩側(cè)標(biāo)記均為純合型或雜合型的個(gè)體，如果此類型的個(gè)體不夠選擇，則選擇任意一個(gè)導(dǎo)入QTL兩側(cè)標(biāo)記為雜合型的個(gè)體。

1.4 背景選擇方法

1）隨機(jī)選擇（NO）。在前景選擇出的群體里隨機(jī)選擇個(gè)體留做種畜。

2）表型值選擇（PH）。計(jì)算公式如下：Ip=b1p1+b2p2，其中，b1、b2分別為兩個(gè)背景性狀表型值的加權(quán)系數(shù)，p1、p2分別為標(biāo)準(zhǔn)化后的兩個(gè)背景性狀表型值。

3）BLUP選擇（BLUP）。利用個(gè)體以及其親屬的表型信息，采用常規(guī)的BLUP法估計(jì)個(gè)體的兩個(gè)背景性狀育種值，然后將兩個(gè)性狀育種值分別標(biāo)準(zhǔn)化后，經(jīng)相等權(quán)重的加權(quán)形成育種值綜合指數(shù)，根據(jù)這個(gè)指數(shù)的大小進(jìn)行選擇留種。

4）基因組相似選擇（GS）。基因組的相似程度可用下式來(lái)計(jì)算：Gm=（∑mi）/N，其中，Gm為基因組相似度，mi為0或1，如果第i個(gè)標(biāo)記基因型是雜合型時(shí)，mi值則為0；反之如果第i個(gè)標(biāo)記基因型是純合型（第i個(gè)標(biāo)記等位基因都來(lái)自受體）時(shí)，mi值則為1，N為標(biāo)記總個(gè)數(shù)。

5）標(biāo)記得分選擇（MS）。標(biāo)記得分的計(jì)算公式如下[2]：Im=∑bimi，其中，如果第i個(gè)標(biāo)記來(lái)自供體的等位基因個(gè)數(shù)為2、1、0時(shí)，則mi的值分別為0、1/2、1，bi為0.5或1，當(dāng)?shù)趇個(gè)標(biāo)記位于染色體首末端時(shí)則bi為0.5，反之則bi為1。

6）指數(shù)選擇（MIS）。Im=bmIm+bpP，其中，Im為標(biāo)記值，P為性狀表型值，bm和bp分別是對(duì)標(biāo)記值和性狀表型值的加權(quán)值，定義為，bm∞（1-h2），bp∞h2（1-p），其中，h2為性狀遺傳力，p為性狀的遺傳方差中由QTL所解釋的部分所占的比例[3]。

7）標(biāo)記輔助BLUP選擇（MBLUP）。利用以下模型對(duì)2個(gè)背景性狀育種值進(jìn)行估計(jì)，然后將育種值合并為指數(shù)，根據(jù)指數(shù)發(fā)高低來(lái)選種。

y=Zu+Wv+e

其中，y為性狀觀察值向量，u為隨機(jī)剩余多基因效應(yīng)值向量，其均值為0，方差協(xié)方矩陣為A？滓■■，A為分子親緣相關(guān)矩陣，v為隨機(jī)QTL等位基因效應(yīng)向量，其均值為0，方差協(xié)方矩陣為G？滓■■，G為QTL配子相關(guān)矩陣，e為殘差向量，其均值為0，方差協(xié)方矩陣為I？滓■■，I為單位向量，W和Z分別為v和u的結(jié)構(gòu)矩陣。

2 結(jié)果與分析

2.1 導(dǎo)入QTL頻率

兩種不同試驗(yàn)設(shè)計(jì)下的導(dǎo)入QTL頻率見(jiàn)表1。由表1可以看出，在回交階段，與試驗(yàn)設(shè)計(jì)1中的導(dǎo)入QTL頻率變化（表1）相比，試驗(yàn)設(shè)計(jì)2中的導(dǎo)入QTL頻率略高于試驗(yàn)設(shè)計(jì)1。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)1中，兩個(gè)導(dǎo)入QTL頻率隨回交世代的增加而呈現(xiàn)出略微下降趨勢(shì)，導(dǎo)入QTL頻率基本保持在0.23～0.25。在橫交階段，兩個(gè)導(dǎo)入QTL頻率隨橫交世代的增加呈現(xiàn)出迅速的遞增趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)橫交4個(gè)世代，這6種背景選擇的第二個(gè)導(dǎo)入QTL頻率分別增加到0.855 3、0.828 6、0.759 8、0.810 7、0.838 9、0.801 8和0.848 7。第一個(gè)導(dǎo)入QTL頻率與第二個(gè)導(dǎo)入QTL頻率在不同背景選擇方法之間的變化趨勢(shì)基本一致。導(dǎo)入QTL頻率在不同背景選擇方法之間差異很小，僅BLUP選擇獲得的兩個(gè)導(dǎo)入QTL頻率略低于其他方法。

在試驗(yàn)設(shè)計(jì)2中，導(dǎo)入QTL頻率在不同背景選擇方法之間基本無(wú)差異。在回交階段，兩個(gè)導(dǎo)入QTL頻率隨回交世代的增加而呈現(xiàn)出下降趨勢(shì)，兩個(gè)QTL頻率基本保持在0.24～0.25。而在橫交階段，兩個(gè)導(dǎo)入QTL頻率隨世代的增加呈現(xiàn)出迅速的遞增趨勢(shì)。在橫交階段，兩個(gè)導(dǎo)入QTL頻率隨橫交世代的增加而呈現(xiàn)出上升趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)橫交4個(gè)世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS和MIS背景選擇下的第二個(gè)導(dǎo)入QTL頻率分別為0.824 8、0.870 5、0.838 4、0.871 1、0.840 6、0.830 0和0.846 2?？梢?jiàn)，導(dǎo)入QTL頻率在不同背景選擇方法之間差異很小。

2.2 背景QTL頻率

兩種不同試驗(yàn)設(shè)計(jì)下的背景QTL頻率見(jiàn)圖1。兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)下的背景QTL頻率結(jié)果較為相似，試驗(yàn)設(shè)計(jì)1的背景QTL頻率略高與試驗(yàn)設(shè)計(jì)2。不同背景選擇方法相比，背景QTL頻率隨著NO、BLUP、MBLUP、PH、GS、MS、MIS背景選擇方法而呈現(xiàn)出遞增的趨勢(shì)，后6種背景選擇方法的結(jié)果大于NO。

由圖1可以看出，在試驗(yàn)設(shè)計(jì)1中的兩個(gè)背景QTL頻率在不同背景選擇方法之間略有差異。在回交階段，兩個(gè)背景QTL頻率隨世代的增加而呈現(xiàn)出迅速遞增趨勢(shì)，經(jīng)過(guò)5個(gè)回交世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS和MIS背景選擇下的第二個(gè)背景QTL頻率分別增加到0.987 0、0.999 0、0.997 3、1.000 0、1.000 0、0.999 1、0.999 3，并且在橫交世代里，第二個(gè)背景QTL頻率基本保持不變。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)2中，經(jīng)過(guò)5個(gè)回交世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS和MIS背景選擇下的第二個(gè)背景QTL頻率分別為0.975 5、0.998 4、0.993 2、0.998 4、1.000 0、1.000 0和1.000 0，并且在以后的橫交世代里，其頻率基本保持不變。

2.3 遺傳背景的恢復(fù)

兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)下的遺傳背景的恢復(fù)見(jiàn)圖2。由圖2可以看出，不同背景選擇方法對(duì)遺傳背景的恢復(fù)兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)中結(jié)果相似，表現(xiàn)為利用覆蓋整個(gè)基因組上的標(biāo)記進(jìn)行背景選擇的GS、MS和MIS對(duì)遺傳背景的恢復(fù)比較好，其他幾種選擇方法略差些。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)1中，遺傳背景的恢復(fù)在不同背景選擇方法之間是有差異的，并且隨著回交世代的增加而呈現(xiàn)出迅速遞增趨勢(shì)，到了橫交階段，遺傳背景的恢復(fù)基本保持不變。經(jīng)過(guò)5個(gè)回交世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS、MIS背景選擇下的遺傳背景恢復(fù)分別增加到97.30%、97.61%、97.41%、97.31%、99.98%、99.96%和99.63%。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)2中，經(jīng)過(guò)5個(gè)回交世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS、MIS背景選擇下的遺傳背景恢復(fù)分別為97.94%、98.15%、97.97%、98.15%、100%、100%和99.88%，可見(jiàn)后3者的遺傳背景恢復(fù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于前4者。在橫交階段，MS、GS和MIS的遺傳背景恢復(fù)保持不變，而其他背景選擇方法的遺傳背景恢復(fù)在橫交階段有略微的下降趨勢(shì)。

2.4 前景性狀遺傳進(jìn)展

兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)下的前景性狀遺傳進(jìn)展見(jiàn)圖3。由圖3可以看出，在兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)中第一個(gè)前景性狀的遺傳進(jìn)展變化趨勢(shì)較一致，即在回交階段隨世代的增加基本無(wú)變化，而到了橫交階段，遺傳進(jìn)展隨世代增加而呈現(xiàn)出迅速遞增趨勢(shì)，不同背景選擇方法之間差異也很小。

2.5 背景性狀遺傳進(jìn)展

兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)下的不同背景選擇方法下的第二個(gè)背景性狀遺傳進(jìn)展見(jiàn)圖4。由圖4可以看出，兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)下的第二個(gè)背景性狀遺傳進(jìn)展變化趨勢(shì)較一致，即MBLUP和BLUP獲得了第二個(gè)背景性狀最大的遺傳進(jìn)展，而PH和MIS次之，而GS、MS和NO獲得遺傳進(jìn)展最小?？傮w來(lái)看，MBLUP、BLUP、PH和MIS背景選擇方法獲得的背景性狀的遺傳進(jìn)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于MS、GS和NO背景選擇。

3 小結(jié)與討論

對(duì)于標(biāo)記輔助導(dǎo)入1個(gè)QTL（或基因）的報(bào)道較多[4-7]，而對(duì)于標(biāo)記輔助導(dǎo)入多個(gè)QTL（基因）的報(bào)道不多，如Frisch等[8]，Koudandé等[9]分別對(duì)標(biāo)記輔助導(dǎo)入多個(gè)基因（QTL）進(jìn)行了模擬研究，并且都只考慮了前景選擇的情況下如何進(jìn)行導(dǎo)入，為在實(shí)踐中實(shí)施標(biāo)記輔助導(dǎo)入多個(gè)基因（QTL）提供了一定的參考。本研究?jī)H考慮了分別固定在兩個(gè)群體中的有利QTL，此外還有可能在同一個(gè)群體中就存在有多個(gè)有利QTL，此時(shí)的前景選擇要將同時(shí)攜帶多個(gè)QTL的個(gè)體選擇出來(lái)，可能導(dǎo)入的效率會(huì)略有下降。Frisch等[8]模擬研究了在利用已有的遺傳圖譜，在植物上標(biāo)記輔助導(dǎo)入兩個(gè)基因時(shí)，對(duì)6種育種方案進(jìn)行了比較研究。本研究模擬研究了在標(biāo)記輔助導(dǎo)入兩個(gè)QTL的育種過(guò)程中，分析了不同試驗(yàn)設(shè)計(jì)和不同背景選擇方法對(duì)標(biāo)記輔助導(dǎo)入效率的影響。研究結(jié)果表明，在回交階段，試驗(yàn)設(shè)計(jì)2的導(dǎo)入QTL頻率略高于試驗(yàn)設(shè)計(jì)1，GS、MS和MIS選擇方法對(duì)遺傳背景的恢復(fù)比較好，而MBLUP、BLUP、PH和MIS背景選擇方法獲得的背景性狀的遺傳進(jìn)展較大，因此，MIS背景選擇方法對(duì)于遺傳背景的恢復(fù)和背景性狀的遺傳進(jìn)展取得較好的結(jié)果。針對(duì)同時(shí)將控制兩個(gè)不同性狀的兩個(gè)QTL導(dǎo)入到同一個(gè)群體中，本研究分析了兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)導(dǎo)入QTL效率的影響。在試驗(yàn)設(shè)計(jì)1中，在每個(gè)回交世代里，在導(dǎo)入群中的前景選擇是將攜帶有兩個(gè)導(dǎo)入QTL的個(gè)體選擇出來(lái)，即將兩個(gè)導(dǎo)入QTL的兩側(cè)標(biāo)記都為雜合的個(gè)體選擇出來(lái)。而在試驗(yàn)設(shè)計(jì)2中，在每個(gè)回交世代里，在每個(gè)導(dǎo)入群中的前景選擇是將攜帶有各自一個(gè)導(dǎo)入QTL的個(gè)體選擇出來(lái)，即將一個(gè)導(dǎo)入QTL兩側(cè)雜合標(biāo)記基因型的個(gè)體選擇出來(lái)。與試驗(yàn)設(shè)計(jì)1相比，在回交階段的導(dǎo)入群中滿足試驗(yàn)設(shè)計(jì)2條件的個(gè)體要多于前者，因此，試驗(yàn)設(shè)計(jì)2的導(dǎo)入QTL頻率略高于試驗(yàn)設(shè)計(jì)1。而到了橫交階段，導(dǎo)入QTL頻率在兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)中基本無(wú)差別，以及兩種試驗(yàn)設(shè)計(jì)對(duì)遺傳背景的恢復(fù)、背景QTL頻率以及背景性狀遺傳進(jìn)展等基本無(wú)影響。

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