孫佳麗，彭 銳，彭既明

水稻數量性狀（QTL）定位主要作圖群體及統(tǒng)計方法概述

孫佳麗1，2，彭 銳2，彭既明1，2

（1.中南大學研究生院隆平分院，湖南 長沙 410125；2.湖南雜交水稻研究中心，湖南 長沙 410125）

水稻許多重要的性狀是由多基因控制的數量性狀，因此數量性狀的研究對促進水稻高產、抗病、質優(yōu)具有重要意義。分子生物技術的迅速發(fā)展和 QTL 定位方法的日趨完善，為水稻數量性狀的研究提供了基礎。綜述了QTL定位的原理、定位群體和常用的方法，并對目前水稻數量性狀QTL定位存在的問題和發(fā)展前景進行了探討。

水稻；QTL定位；作圖群體；分子標記；綜述

DOI:10.16498/j.cnki.hnnykx.2016.07.032

水稻大多數重要的性狀如產量、生育期、籽粒重等，都表現為數量性狀遺傳，數量性狀受遺傳背景和環(huán)境因素影響［1］。數量性狀（QTL）是在某一群體內的個體間表現為連續(xù)變異的性狀，受環(huán)境影響較大。因此，數量性狀的遺傳研究如控制數量性狀的基因數目、染色體上的位置及效應等，很難依據后代性狀表型分布來確定。隨著DNA分子標記技術的興起以及遺傳圖譜的構建，QTL定位成為確定數量性狀基因在染色體上位置的一種新方法。它能將分子標記信息綜合到遺傳評估中，輔助人工選擇程序，建立更加真實的表型變異、選擇反應和進化過程模型，對當前存在的數量變異進行分子生物學研究。研究表明，將生物技術應用于水稻性狀改良，同時應用分子標記輔助育種，為成功改良水稻高產、抗病、廣適性等綜合性狀奠定了基礎［2］。

1 水稻QTL定位的原理與作圖群體

目前，關于QTL的研究已有很多，大量QTL被定位［3］，分布于水稻全部12條染色體上［4］。孟德爾的遺傳學是先將各種表型分組，根據各組比例，驗證連鎖是否存在，并以此估算重組率，從而確定基因連鎖關系。QTL定位的本質是根據QTL與分子標記連鎖關系，將QTL對應到相應的染色體位置。

目前幾種主要的定位群體如回交群體（BC）、F2、重組自交系（RIL）、雙單倍體（DH）、單片段代換系（SSSLs）、近等基因系（NILs）、回交導入系（ILs）、回交自交系（BIL）、染色體片段置換系（CSSLs）［5］、殘留異質系（RHLs）［6］等各有優(yōu)缺點［7］（詳見表1）。例如：BC是暫時性分離群體，僅能使用一次，遺傳背景相對復雜，容易造成定位偏差［8］；相比較于BC，F2群體包含親本所有的基因型（如MM、Mm和mm），因此對顯性效應以及加性效應的估算較為準確，但F2群體基因并不是純和基因，連續(xù)性的研究在F2群體中較困難；RIL為多次自交形成，重組信息比較大，基因純合度高，適合估算加性效應，同時RIL受環(huán)境干擾較小，定位結果較精確；DH群體是F1誘導單倍體并加倍形成的群體，群體內基因完全純和，適合于估算加性效應以及QTL與環(huán)境互作效應；QIRs比較容易構建，并且可以獲得低于1 cM的分子標記，但受遺傳背景干擾，不能檢測上位性效應；SSSLs和NIL群體也可作永久性群體，構建時間較長，受環(huán)境因素和遺傳背景影響較小，因而QTL定位結果更加準確穩(wěn)定。這些年來已有很多學者應用此類群體進行QTL定位，并取得一定進展。

表1　水稻定位群體比較

2 多態(tài)性分子標記及其特點

連鎖遺傳圖譜的構建，與多態(tài)性分子標記緊密相關。理想的分子標記特點是：多態(tài)性好，位點均勻分布在染色體上，共顯性，易于檢測，成本較低等［9］。近年來常用的DNA分子標記可分為3類：第一類是依據DNA雜交的限制片段長度多態(tài)性（RFLP）［10］；第二類是依據PCR擴增，包括隨機引物擴增的RAPD、AFLP、AP-PCR［11］、ISSR和特異性引物擴增的SSR、STS、SCAR［12］、CAPS［13］、SSCP［14］、TGGE、DGGE；第三類是具有顯著優(yōu)勢的單核苷酸多態(tài)性SNP［15］。各種分子標記技術的優(yōu)缺點如表2所示。

表2　廣泛使用的分子標記技術比較

2.1 RFLP

RFLP（Restriction fragment length polymorphism）標記穩(wěn)定可靠，檢測不受發(fā)育階段和環(huán)境條件等因素的影響［16］。上位效應不存在于非等位RFLP標記之間，因其來源于DNA自身變異，也不受數量限制［17］。目前，RFLP技術成本較高，自動化程度較低，操作復雜，而且所需DNA樣品量大，對于涉及許多個體（200以上）的鑒定研究并不可取。

2.2 RAPD

RAPD（Random amplified polymorphic DNA）技術比RFLP操作簡單［18］，易于掌握，具有同工酶位點多，比RFLP技術操作簡單等特點，不需進行同位素雜交，對實驗室要求較低，因此一般實驗室即可操作。RAPD分子標記除少數為共顯性標記外，大多為顯性標記，即信息量有限，標記大多是完全顯性遺傳，不能區(qū)別雜合體和純合體。RAPD技術在不嚴格實驗條件下假陽性出現概率高、重復性差；同時，對DNA純度的要求高，已取得的標記只有轉化成其他類型，才能完成基因定位。

2.3 AFLP

AFLP（Amplified fragment length polymorphism）的多態(tài)性水平相當高，且穩(wěn)定可靠，但需DNA模板量大，操作步驟復雜［19］，成本太高。

2.4 ISSR

ISSR（Inter-simple sequence repeat）具有操作簡單、檢測多態(tài)性能力強、成本低、所需DNA模板量少等優(yōu)點。目前已成功地運用于居群生物學的研究、品種鑒定、物種的分類系統(tǒng)學比較，并成為構建連鎖遺傳圖譜的工具［20］。但ISSR標記一般是顯性遺傳的，每對引物擴增條帶較多，因而不能應用于雜交水稻種子的純度鑒定。

2.5 SSR

SSR（Simple sequence repeat）標記具有數量豐富、均勻分布、高多態(tài)性、呈共顯性、含復等位基因等特點。SSR所含信息量大并且以孟德爾遺傳方式進行遺傳，因其引物序列決定固定位點，使資料得以在實驗室間共享，提高了信息利用率。

SSR在操作時不需要使用同位素，減少了對實驗操作人員的危害；SSR實驗中DNA的用量很少［21］，降低了對DNA提取工作的要求；實驗過程中不需經過Southern轉移、分子雜交等過程［22］，精簡了試驗操作過程；同時，SSR所用的材料不需經過有性世代，可以選用任意親本的任何部位作材料［23］，在線粒體DNA、葉綠體DNA研究中均可使用。

2.6STS

STS（Sequence-tagged site）特定序列位點是對由特定引物序列界定的標記技術的統(tǒng)稱。特異PCR技術最大的特點是信息準確可靠［24］，可區(qū)別于RAPD、AFLP和利用隨機探針產生的RFLP存在某種模糊性（如片段來源的鑒別較難）。

2.7 EST

與來自于基因組DNA開發(fā)的傳統(tǒng)標記相比，以EST（Expressed sequence tag）為基礎的分子標記是一種新型分子標記，具有開發(fā)簡便、信息量高和通用性好等顯著優(yōu)勢［25］，在多方面都有重要的利用價值。

3 QTL定位的方法

QTL作圖模型及統(tǒng)計分析方法已經廣泛應用到分子標記QTL 定位及效應估計中。目前QTL 定位的方法主要有采用 t-檢驗、方差分析、回歸分析等方法的單標記法（SMA），以及基于兩個側連標記區(qū)間作圖法（IM）、復合區(qū)間作圖法（CIM）、多重區(qū)間作圖法（MIM）和混合型線性模型復合區(qū)間作圖法（MCIM）。

3.1 SMA

單標記分析法是應用方差分析、回歸分析法或者似然比檢驗，比較標記基因型的數量性狀差異。若差異顯著，表明控制該性狀的QTL與標記連鎖。其特點是檢測個體較多，效率不高，QTL與標記的確切位置和個數無法確定，不能分析QTL的重組率，易導致低估遺傳效應等［26］。

3.2 IM

區(qū)間作圖法是根據兩個側鄰標記檢測數量性狀與連鎖區(qū)間的顯著關系，明確QTL 是否存在該區(qū)間的一種方法［27］。IM不能逐一分辨同一染色體上的多個QTL 效應，易出現假陽性，因此 QTL 定位結果的準確性不高，甚至出現錯誤結果［28］。

3.3 CIM

為了解決IM法存在的問題，Zeng［29］提出復合區(qū)間作圖法，是將IM與多元線性回歸相結合的一種方法。CIM既保留了IM的優(yōu)點，又充分利用了全部基因組的標記信息，把對多個QTL的檢驗降低為1個區(qū)間，精確性增加［30］。當上位性效應、QTL與環(huán)境互作效應不存在時，QTL效應和位置的估計是無偏估計，提高了檢測QTL的能力，因而被廣泛應用。

3.4 MIM

MIM方法克服了傳統(tǒng)作圖方法的局限性，也滿足了QTL作圖的發(fā)展。該方法從Cockerham模型［31］出發(fā)，根據遺傳參數而推導似然估計公式，利用LTR統(tǒng)計量與逐步選擇結合，檢測QTL主效應以及上位效應。該方法能夠利用多個標記區(qū)間確定多個QTL，提高了作圖效率和精確度［32］。

3.5 MCIM

朱軍等［33］于1998年提出了多重區(qū)間作圖法，該方法把群體各項效應分為固定效應和隨機效應。其中，固定效應主要為遺傳主效應，而隨機效應包括QTL與環(huán)境互作效應、環(huán)境效應、殘差及分子標記效應。估計效應與定位分析相結合，使位置的無偏估算［34］和QTL效應不受環(huán)境影響，作圖效率和準確度都大幅提高，具有廣闊的應用前景。

4 展 望

分子遺傳學和生物技術快速發(fā)展背景下，復雜水稻數量性狀（QTL）研究取得了飛躍進展，QTL定位研究的文獻發(fā)表量幾乎以指數模型增長［35］。QTL定位能夠確定控制某一復雜性狀的QTL在染色體上的大體位置及其效應，為數量性狀特別是經濟性狀的成功改良提供了可能，具有巨大的應用前景和發(fā)展空間。但QTL定位在不同群體、不同環(huán)境中的結果有較大差異，QTL數目、染色體區(qū)域、同一QTL的貢獻率等都會出現差異。因此，設計科學的實驗方案，有效地控制實驗誤差，準確定位到在不同群體和環(huán)境中均穩(wěn)定表達的QTL，這為探索控制水稻性狀的復雜分子機制及生理過程，最大限度地發(fā)揮作物潛力提供了技術支撐，也為采用基因工程技術培育高產、抗病、質優(yōu)的水稻品種奠定了基礎。

［1］ Wang X Q，Pang Y L，Zhang J，et al. Genetic background effects on QTL and QTL × environment interaction for yield and its component traits as revealed by reciprocal introgression lines in rice［J］. The Crop Journal，2014，（6）：345-357.

［2］ 李陽生，李紹清，朱仁山，等. 生物技術在水稻超高產育種中的應用［J］. 沈陽農業(yè)大學學報，2007，38（5）：701-706.

［3］ 劉 健，牛付安，江建華，等. 多環(huán)境下粳稻產量及其相關性狀的條件和非條件QTL定位［J］.中國水稻科學，2012，26（2）：144-154.

［4］ Mei D Y，Zhu Y J，Yu Y H，et al. Quantitative trait loci for grain chalkiness and endosperm transparency detected in three recombinant inbred line populations of Indica rice［J］. Journal of Integrative Agriculture，2013，12（1）：1-11.

［5］ 王智權，劉 喜，江 玲，等. 利用染色體片段置換系（CSSLs）群體檢測水稻劍葉形態(tài)性狀QTL［J］. 南京農業(yè)大學學報，2010，33（6）：1-6.

［6］ 蔣洪蔚，劉春燕，高運來，等. 作物QTL常用作圖群體［J］. 生物技術通報，2008，（S1）：12-17.

［7］ 周麗慧，趙春芳，趙 凌，等. 利用染色體片段置換系群體檢測水稻葉片形態(tài)QTL［J］. 中國水稻科學，2013，27（1）：26-34.

［8］ Hu W D，Zhang H，Jiang J H，et al. Genetic analysis and QTL mapping of large flag leaf angle trait in Japonica rice［J］. Rice Science，2012，19（4）：277-285.

［9］ 田 翠，張 濤，蔣開鋒，等. 水稻QTL定位研究進展［J］. 基因組學與應用生物學，2009，28（3）：557-562.

［10］ Li P，Lu C F，Zhou K D，et al. RFLP mapping of major and minor genes for impoetant agronomic characters in rice［J］. Science in China，1996，39（4）：440-448.

［11］ 汪 莉，易 平，萬翠香，等. 紅蓮型細胞質雄性不育水稻線粒體DNA的AP-PCR分析［J］.武漢植物學研究，2002，20（6）：405-408.

［12］ Li S J，Xie H W，Qian M J，et al. A set of SCAR markers efficiently differentiating hybrid rice［J］. Rice Science，2012，19（1）：14-20.

［13］ Wang H M，Chen J，Shi Y F，et al. Development and validation of CAPS markers for marker-assisted selection of rice blast resistance gene Pi25［J］. Acta Agronomica Sinica，2012，38（11）：1960-1968.

［14］ 魏太云，林含新，吳祖建，等. 應用PCR-RFLP及PCR-SSCP技術研究我國水稻條紋病毒RNA4基因間隔區(qū)的變異［J］. 農業(yè)生物技術學報，2000，8（l）：41-44.

［15］ 葉少平. 水稻分子圖譜的構建和QTL定位研究［D］. 四川：四川農業(yè)大學，2004.

［16］ Chen L，Liang C Y，Sun C Q，et al. Comparision between AFLP and RFLP markers in detecing the diversity of rice［J］. Agricultural Sciences in China，2002，1（7）：713-719.

［17］ Huang W，Wang L，Yi P，et al. RFLP analysis for mitochondrial genome of CMS-Rice［J］. Acta Genetica Sinica，2006，33（4）：330-338.

［18］ Long W H，Xu M H，Zhang S H. A preliminary study on the relationship between the Indica-Japonica RAPD differentiation of parents and heterosis in dian type hybrid rice［J］. Agricultural Sciences in China，2002，（12）：1303-1309.

［19］ 蔡 健，蘭 偉. AFLP標記與水稻雜種產量及產量雜種優(yōu)勢的預測［J］. 中國農學通報，2005，21（4）：39-43，121.

［20］ 黃光文，歐立軍，陳覺梁，等. 水稻ISSR標記遺傳距離與雜種優(yōu)勢的相關性研究［J］. 雜交水稻，2010，（S1）：326-331.

［21］ 張玉山，陳慶全，吳 薇，等. 水稻SSR標記遺傳連鎖圖譜著絲粒的整合及其偏分離分析［J］.華中農業(yè)大學學報，2008，27（2）：167-171.

［22］ Cheng J，Zheng C X. Optimization of SSR-PCR reaction system and screening of polymorphic primers for RIL parents［J］. Agricultural Science &Technology，2013，14（11）：1566-1568.

［23］ 程 江，鄭常祥. 水稻SSR-PCR的反應體系優(yōu)化及RIL親本間多態(tài)性引物篩選［J］. 貴州農業(yè)科學，2013，41（4）：10-13.

［24］ 樊穎倫，陳學偉，王春連，等. 水稻抗白葉枯病基因Xa23的RFLP標記定位及其STS標記的轉化［J］. 作物學報，2006，32（6）：931-935.

［25］ 李小白，崔海瑞，張明龍. EST分子標記開發(fā)及在比較基因組學中的應用［J］. 生物多樣性，2006，14 （6）：541-547.

［26］ 辛業(yè)蕓. 水稻產量性狀QTL定位研究進展［J］. 湖南農業(yè)大學學報（自然科學版），2007，33（4）：396-402.

［27］ 毛傳澡，程式華. 水稻農藝性狀QTL定位精確性及其影響因素的分析［J］. 農業(yè)生物技術學報，1999，7（4）：386-394.

［28］ 王建康. 數量性狀基因的完備區(qū)間作圖方法［J］. 作物學報，2009，35（2）：239-245.

［29］ Zeng Z B. Theoretical basis of separation of multiple linked gene effects on mapping quantitative traitloci［J］. Proc Natl Acad Sci USA，1993，90：10972-10976.

［30］ 林 謙，毛孝強，楊 德，等. QTL作圖主要統(tǒng)計方法及主要作圖群體［J］. 云南農業(yè)大學學報，2004，19（2）：121-127.

［31］ Cockerham C C. An extension of the concept of partitioning hereditary variance for analysis of covariance amongrelatives when epistasis is present［J］. Genetics，1954，39：859.

［32］ Kao C H，Zeng Z B，Teasdale R D. Multiple interval mapping for qutatitve trait loci［J］. Genetics，1999，152：203-1216.

［33］ 朱 軍. 運用混合線性模型定位復雜數量性狀基因的方法［J］. 浙江大學學報（自然科學版），1999，33（3）：327-335.

［34］ 蘇成付，趙團結，蓋鈞鎰. 不同統(tǒng)計遺傳模型QTL定位方法應用效果的模擬比較［J］. 作物學報，2010，36（7）：1100-1107.

［35］ 周元昌，陳啟鋒，吳為人，等. 作物QTL定位研究進展［J］. 福建農業(yè)大學學報，2000，29（2）：138-144.

（責任編輯：成 平）

Overview of Rice quantitative traits （QTL） Mapping Main Construction Population and Statistical Methods

SUN Jia-li1，2，PENG Rui2，PENG Ji-ming1，2
（1. Longping Branch of Graduate School，Central South University， Changsha 410125， PRC；2. Hunan Hybrid Rice Research Center， Changsha 410125， PRC）

Most of the important agronomic are quantitative traits in rice， which are controlled by polygenes. Therefore the research of quantitative character to promote the rice yield， disease resistance， good quality is of great significance. The rapid development of molecular biotechnology and the emergence of mapping methods were the basic of the research of many important agronomic traits in rice. The principle， population and main analysis methods were briefly introduced in this paper. The author also summarized the problems and prospects of mapping QTLs for rice yield traits.

rice； QTL mapping； mapping populations； molecular marker

Q341

A

1006-060X（2016）07-0120-04

2016-04-22

公益性行業(yè)（農業(yè)）科研專項（201403002）

孫佳麗（1990-），女，山東濰坊市人，碩士研究生，研究方向為水稻遺傳育種。

彭既明