遗传群体偏分离研究进展
植物遗传资源学报2009,10(4):613-617
JournalofPlantGeneticResources
遗传群体偏分离研究进展
刘海燕,崔金腾,高用明
(中国农业科学院作物科学研究所,北京100081)
摘要:偏分离是指观察到的基因型比例偏离预期的孟德尔分离频率方式,无法用传统的遗传理论和方法加以分析。偏分
离被认为是一种重要的进化动力,并对遗传连锁图谱的构建造成影响。本文针对偏分离的现象、偏分离的影响因素和形成原
因,以及对QTL定位的影响等方面进行综合分析,系统阐述了植物分离群体偏分离的研究进展,为...
植物遗传资源学报2009,10(4):613-617
JournalofPlantGeneticResources
遗传群体偏分离研究进展
刘海燕,崔金腾,高用明
(中国农业科学院作物科学研究所,北京100081)
摘要:偏分离是指观察到的基因型比例偏离预期的孟德尔分离频率方式,无法用传统的遗传理论和方法加以分析。偏分
离被认为是一种重要的进化动力,并对遗传连锁图谱的构建造成影响。本文针对偏分离的现象、偏分离的影响因素和形成原
因,以及对QTL定位的影响等方面进行综合分析,系统阐述了植物分离群体偏分离的研究进展,为后续研究提供有益的参考。
关键词:偏分离;作图群体;分子标记;偏分离热点区域;遗传搭车
ProgressofSegregationDistortion
LIUHai—yan,CUIJin—teng,GAOYong—ming
(InstituteofCropSciences,ChineseAcademyofAgriculturalSciences,Beijing100081)
Abstract:SegregationdistortionbiasedthegenotypicfrequenciesfromtheirMendelianexpectations,andcould
notbeanalyzedbytraditionalgenetictheoriesandmethods.Segregationdistortionisidentifiedasastrongevolution-
aryforce,andwouldaffecttheconstructionofgeneticlinkagemap.Inthispaper,thephenomena,influencingfactors
andcausesofsegregationdistortion,aswellastheinfluenceofsegregationdistortiononQTLdetection,andthead·
vanceofresearchonsegregationdistortioninplantsweresummarized,whichwouldprovideusefulreferenceforthe
furtherresearches.
Keywords:Segregationdistortion;Mappingpopulation;Molecularmarker;Segregationdistortionregion;Hitch-
hiking,
在生物的进化过程中偏分离被视为一种强有力
的进化动力而越来越被重视。科学家们在许多物种
中均发现了偏分离现象,这也包括植物。研究
明,
植物中的偏分离可能发生于花粉川以及胚囊。21或
是同时发生于两者中”1。偏分离几乎可在任何种
类的遗传标记中被检测到,包括形态突变标记、同功
酶及DNA标记一。’。
此外,偏分离也是遗传作图研究中的一种普
遍现象。无论是自花授粉或是异花授粉植物,其
作图群体,如F:、BC、DH和RIL群体等,均存在不
同程度的偏分离现象,这对遗传作图将会产生不
可估计的影响。同时,研究也表明在分子标记连
锁图上存在偏分离的热点区域。目前普遍认为这
些偏分离热点区域可能存在与偏分离相关的特定
基因。然而,对于不同作物的不同群体,偏分离的
热点区域是否是共同的,还有待于对更多物种的
不同群体的深入分析。本文对偏分离的现象、影
响因素和形成原因,以及对QTL定位的影响等进
行综合分析,介绍植物分离群体偏分离的研究进
展,为后续研究提供参考。
1 偏分离及其表现类型
1.1 偏分离的发现
偏分离是指观察到的基因型比例偏离预期的孟
德尔分离频率,用传统的遗传理论和方法加以分析
会产生偏差,甚至产生错误"。1引。偏分离可以增加
群体中杂合等位基因或者异型染色体的频率,被认
为是一种重要的进化动力¨“。自1926年Mangels一
收稿日期:2009—02·23 修回日期:2009·09-21
作者简介:刘海燕,在读硕士,主要从事水稻分子育种
通讯作者:高用明,研究员,博士生导师,研究方向为水稻有利基因发掘与分子设计育种。E—mail:irriygao@126.corn
万方数据
614 植物遗传资源学报 10卷
dorf等¨21在玉米研究中首次发现偏分离后,随着
RFLP、RAPD、AFLP、SSR等多种分子标记技术被
广泛的应用于遗传作图研究,偏分离作为遗传作
图研究中的一种普遍现象被广泛关注。目前通过
分子标记,人们在水稻、小麦、大麦、玉米、大豆、高
粱、烟草和白菜等作物中都发现了大量的偏分离
位点‘13讲3。
1.2 偏分离的表现类型
当前研究结果表明,偏分离标记在连锁群上的
分布主要为两种形式:一种是没有规律性,表现为随
机的偏向任何亲本或杂合体;另一种是多数偏分离
位点偏离方向一致,并且偏分离标记在连锁群上成
簇分布,这种成簇偏离可能是显著偏向单亲,也可能
是显著偏向双亲,还可能偏向于杂合体¨4。孓2川。
2 偏分离的原因
2.1 偏分离热点区域
偏分离标记在连锁群上成簇分布而且多数偏分
离方向一致心弘291,这些染色体区段被称为偏分离热
点区域(segregationdistortionregion,SDR)。现在研
究结果认为偏分离热点区域往往是由偏分离位点引
起,根据其作用时间可分为配子选择和合子选择,分
别在受精前和受精后受偏分离位点的控制。受精前
起作用的偏分离位点只能通过影响配子的比例间接
影响合子的基凶型比例;受精后起作用的偏分离位
点则直接对合子的基因型比例起作用,许多情况下
偏分离是由上述两种选择作用所引起130|。目前在
多种作物的不同类型群体上均有大量关于偏分离热
点区域的报道¨7J钆3卜”j,并且多数报道表明偏分离
热点区域与配子体选择关系密切。严建兵等Ⅲ1对
玉米F:群体分子标记偏分离研究表明,同时在9条
不同的染色体上发现了14个偏分离的热点区域,其
中4个与已经定位的配子体基因的位置相近,由此
表明配子体基因是导致偏分离的部分原因(现有报
道玉米中已定位到5个直接影响花粉竞争能力的配
子体基因)。在水稻中已经定位了11个导致偏分
离的配子体基因(ga)和20个杂种不育基因
(S)‘"d引。Zhao等⋯3在日本晴与广陆矮杂交F,群
体中,发现多数偏分离位点存在配子体选择基因
或育性相关基因。彭勇等¨4。利用培矮64s与日本
晴杂交获得F。并通过连续套袋自交获得F。重组自
交系,构建了一张含92个微卫星标记的水稻分子
遗传图谱;并分析了定位到遗传图谱上的92个标
记的偏分离情况,发现9个偏分离热点区域,其中
4个区域发现了3个配子体基因和2个杂种不育
基因,并认为这些区域标记的偏分离可能是由配
子体基因选择和杂种不育基因所致。前人研究结
果中,偏分离热点区域中发生偏分离的标记大多
偏向于父本,并认为偏分离可能是由于雄配子体
选择引起"“,但在彭勇等114o的研究中发现90个
偏分离标记,其中有80个偏向母本培矮64s,占偏
分离标记的88.89%,这在前人研究中鲜有
报道‘伸’3乱3¨。
2.2 偏分离与遗传搭车效应
目前一些研究也表明偏分离与遗传搭车有一定
的关系"。”’。所谓遗传搭车效应(genetichitch—hi-
kingeffect)指当群体中发生对选择有利的等位基因
替代时,在选择压力的作用下,与之紧密连锁的位点
上也会发生相应的基因频率变化,使得原先与选择
有利的等位基因紧密连锁的那些等位基因的频率上
升,而与选择不利的等位基因紧密连锁的那些等位
基因的频率下降14“4“。根据这一原理,在生物的进
化过程中,当某一“有利”变异(或等位基因)由于选
择而被保留下来(正向选择),群体中具有此等位基
因个体的比例将会不断增加,从而成为优势变异,并
被固定下来;相应地,携带其他等位基因的个体则会
逐渐减少以至消失,该基因座的遗传多样性因此而
急剧下降。由于连锁关系,该基因两侧一定范围内
的序列(包括中性基因座)也会凶连锁而随着该“有
利”等位基因的固定而被大量保留下来,从而使遗
传过程中配子和合子被选择,导致遗传多样性也大
大降低,最终表现偏态分离MJ。
遗传搭车效应的强弱主要与被选择基因所在基
因组区域的重组率和对之实施的选择压的大小有
关。若该遗传区段的重组率较低,并且所经受的选
择压较高,则产生的遗传搭车效应较强;反之,遗传
搭车效应则较弱。当某区段的重组率为0时,则可
造成该区段DNA序列多态性的完全丧失。但由于
遗传重组的存在,这种情况一般不会发生H“。根据
这个假说,分子标记偏分离程度与影响等位基因频
率的遗传因子连锁有关,这就说明偏分离确实存有
遗传决定因素。
2.3 导致偏分离的其他因素
偏分离与标记类型和群体类型有着紧密的关
系。前人有大量研究结果表明,不同标记类型使群
体产生的偏分离程度不同。Lorieux等"“47o的研究
表明,偏分离位点的选择作用对共显性标记问重组
率估计的影响小于显性标记,表明显性标记更易发
万方数据
4期 刘海燕等:遗传群体偏分离研究进展 615
生偏分离。刘峰等旧川的研究也证明这一点,其采用
4种不同的分子标记对大豆重组自交系群体(F。)
进行偏分离频率的比较,发现4种不同标记所检
测出的偏分离差异较大(表1),特别是RAPD标记
所检测出的偏分离频率比AFLP标记的频率高1
倍,并认为其原因除了与所检测的位点有关外,主
要由于RFLP、SSR、AFLP为共显性标记而RAPD
表1不同类型分子标记的偏分离情况
标记为显性标记。并且有研究表明H乳491在着丝粒
和异染色质附近区域存在AFLP和RAPD标记偏
分离聚集现象。张玉山等【1副利用珍汕97和HR5
衍生的重组自交系(n=190)作为作图群体,采用
SSR标记分析,发现第7染色体的RM481~RMl0
区间(其中也包括着丝粒区域)分布着众多的偏分
离标记。
Table1 Segregationdistortionofdifferenttypesofmolecularmarkers
偏分离与群体类型有着紧密地联系。Xu等"¨
对6个水稻群体的遗传图谱研究发现,RIL(recom—
binantinbredline)群体与其他群体相比,有更高的
偏分离频率(39.4%),DH(doubledhaploid)群体和
BC(backcross)群体的偏分离比例几乎相同(DH,
29.4%;BC,28.6%),而F:群体则较低(19.3%)。
RIL群体偏分离比率高可能是因为RIL的构建经过
多代自然选择和人工抽样,致使偏分离频率加
大”⋯。DH群体中的偏分离可能主要是由于不同基
因型花粉的组培再生能力不同造成的,同时DH群
体中,等位基因高度纯合化导致隐性致死基因大量
表达,造成较高比例的偏分离,当然也可能是由于配
子选择作用导致偏分离”¨。在水稻中,一般粳稻的
花培力要比籼稻强”“,因此在籼粳交的DH群体
中,基因分离偏向粳稻的比例可能会大些;F:群体来
自雌雄两种配子,其重组值反映了两种配子减数分
裂中交换的平均值,代数越高,偏分离比率可能越
大。Lu等¨叫在玉米偏分离研究中比较了LH200/
LH216(F2Syn3)、B73/M017(RI)、M017/H99
(F6:,RI)和Tx303/C0159(F:)4个作图群体的偏分
离频率,认为偏分离频率随着减数分裂代数的增加
而累加,它们之间呈现正相关。
偏分离与作图群体亲缘关系也存在着紧密联
系。多数科研人员在进行群体QTL定位的工作中
为了提高图谱密度,往往采用亲缘关系较远的亲本
构建群体进行遗传作图,然而亲本间亲缘关系越远,
可能导致偏分离越严重。Kianian等”引用甘蓝的3
个种内和1个种问F,群体进行了遗传作图研究,其
中种间F,群体59%的标记表现严重偏分离,3个种
内F:群体平均只有7%标记产生偏分离,认为亲缘
关系远可能导致偏分离更严重。
姚焱¨4o通过对水稻籼粳杂种构建DH群体经
过一定时间的低温预处理以后,明显增强偏分离的
趋势,预冷处理时的胁迫作用加剧了对优势花粉的
选择;说明在植株水平上DH群体的某些基因座位
的偏分离早在愈伤组织诱导阶段已发生,并且可能
贯穿构建DH群体的整个过程。花粉离体培养条件
下某些基因出现偏分离现象,可能有以下原因:一方
面,基因本身的功能与性质所决定;另一方面,环境
因素也会影响偏分离的发生。因此,环境的选择压
力会引起花粉的选择作用”。’“。
另外,在实验技术和构建群体的材料选择上也
可以使研究过程中出现偏分离,例如,进行群体基因
型分析时,标记基因型划分、统计错误会导致系统性
偏分离旧引;作图亲本存在剩余杂合性导致等位基因
型复杂,使连锁关系难以确定¨“,这也是一个重要
的影响因素。
万方数据
616 植物遗传资源学报 10卷
3 偏分离位点及其对QTL定位的影响
3.1偏分离位点
造成偏分离的染色体区段被称作偏分离位点
(segregationdistortionloci,SDL)。如果1个SDL在
一个群体中发生分离,与其连锁的相邻标记就会表
现一定的偏分离。标记离SDL越近(连锁紧密),偏
分离越严重,表现为∥值增大。可以利用石2值与遗
传距离的分布图初步推测SDL的位置”“。如果1
个SDL在多个群体中分离,这些群体就会在相同
的染色体区段(分子标记)上表现偏分离。反之,
可以用这种方法确定SDL的存在,从而标记定
位SDL。
3.2 偏分离位点对QTL定位的影响
构建分子标记连锁图的一个重要目的是进行
QTL定位。偏分离是遗传作图研究中的一种普遍现
象,是影响遗传作图准确性的原因之一,偏分离可以
影响标记间的重组距离,也影响连锁群上标记的顺
序14“4“,进而影响QTL定位。在动物方面,对果蝇
上的偏分离因子和x染色体连锁的减数分裂驱动
(X—linkedmeioticdrive)系统和老鼠的t等位基因(t
allele)系统已经有深入的研究”⋯。但偏分离在植
物QTL定位方面研究进展还比较缓慢。目前QTL
定位常用到的分析方法有单标记分析法、区间作图
法、复合区间作图法,它们都是基于单位点标记基因
型与性状的关联程度来确定特定位置是否存在
QTL。Lu等¨叫认为如果偏分离是因为单个基因导
致的,如配子体基因,对QTL定位的位置不会产生
影响。而如果偏分离是因为两个或两个以上的基因
引起的,情况则比较复杂。因此在遗传作图中应重
视偏分离的不利影响,选择正确的作图方法Ⅲ‘6“,
进而提高QTL定位的效率和精度。
近年来提出了多种不同的针对偏分离影响的作
图方法。最简单的克服方法是作图时将偏分离标记
剔除掉。但这样会降低对基因组的覆盖率和漏掉某
些QTL旧o。比较作图一般在来自于同一个组合的
不同类型群体或同一类型的不同群体间进行,是一
个发现作图错误的有效方法。在玉米上,通过比较
作图检测出了松散的连锁和错误连锁¨¨。王永军
等”叫研究了重组自交家系的监测和调整,提出了用
以检测家系、标记的偏分离程度及调整群体结构的
模拟群体抽样标准法(SPSC)。主要原理是通过随
机抽样比较后从原始群体中淘汰一部分家系使调整
后的群体结构能够更准确的构建遗传连锁图谱。
Lorieux等|4“471建立了适合于Bc。和F2群体中
两种选择(配子选择和合子选择)条件下偏分离标
记作图的极大似然模型,并指出选择作用对共显性
标记重组值估汁的影响小于显性标记,因此遗传作
图应尽可能选用共显性标记类型,并开发了适合于
偏分离作图软件MapDisto,可以处理的群体包括
BC,、DH和SSD。但是目前关于偏分离作图软件局
限性较大,不能广泛的应用于如F:、AB群体。随
后,Lashermes等"¨和Kal6等m1在此方面做了进一
步的研究工作,使偏分离群体的QTL定位研究更加
深入。谭军等∞¨对取自MAPMAKER软件小鼠F:
群体的5个RFLP连锁标记数据作了共显性分子标
记偏分离的分析,结果表明,在估计F:群体标记间
偏分离重组距离上用连续×2检测方法比传统x2检
测更为准确。
4 问题与展望
偏分离作为一种普遍的现象在多种植物的研究
中被报道,研究表明偏分离对性别和重组进化、异性
染色体的进化、性别进化、配偶选择和生殖隔离等存
在诸多的影响,进而影响着物种的进化,是进化的强
有力的动力。目前水稻基因测序工作已经完成,绝
大多数植物都开展了遗传作图,随着更多高密度遗
传图谱的建成,偏分离的研究会有更快的进展。但
是,目前关于偏分离的研究工作还处于初级阶段,虽
然已经发现并定位了一定数量偏分离位点,但是多
数偏分离的研究仍停留在表型的阶段,缺乏DNA水
平的报道,所发现的偏分离位点数目也较少,不能为
深入的研究提供丰富的信息,同时,偏分离位点的定
位方法也存在着局限性,不能适应更多的群体类型。
因此在以后的研究中应更注重上述方面的深入研
究,这将有助于更好地理解从远缘种向栽培种杂交
渐渗目的基因时的杂种致死和基因的非正常分离等
现象;有助于更好地标记定位偏分离基因和发现更
多的偏分离基因位点;有助于正确分析和利用偏分
离位点的选择效应;有助于获得正确的遗传图谱和
基于遗传图谱的QTL标记定位,最终获悉偏分离的
分子机制,这些对于植物的遗传研究和改良都是非
常重要的。
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(下转第622页)
万方数据
622 植物遗传资源学报 lO卷
等,为烟草种质资源的更新提供最佳繁殖技术。
4.2加强烟草种质资源的深入鉴定和利用研究
应用现代生物技术对种质资源中新的优良基因
进行发掘、克隆,建立基因文库。对筛选的含有抗青
枯病、TMV、CMV、PVY、黑胫病、抗虫以及抗逆等优
异基因的资源,研究其抗病基因的遗传机理,利用
AFLP、SSR等分子标记研究与抗病基因紧密连锁的
分子标记,克隆目标基因,将现代生物技术与常规遗
传育种相结合,为新基因在育种中利用提供理论依
据,提高烟草种质资源的利用效率。
4.3 烟草野生种质资源的开发和研究
到目前为止,烟草野生种共有66个,我国保存
有35个。烟草野生种为引进种质,种子发芽率明显
低于烟草普通栽培种,对影响其发芽率的因素和其
他生物学特性研究较少,今后应对其发芽特性和生
物学特性进行系统研究,为野生种质的妥善保存、繁
殖更新以及远缘杂交提供理论依据。另外,研究表
明野生种中含有抗病虫、抗逆、优质、丰产等优异基
因,美国康乃尔大学在低产的普通野生稻中发现了
两个基因座与高产有关;还在小果蕃茄中找到了大
果基因旧引。因此应用现代生物技术在野生种中发
掘有用基因,并将之导人栽培品种,可有效拓宽烟草
育种遗传基础,实现烟草种质创新。
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