關(guān)聯(lián)分析在玉米遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用

1、玉米科學(xué)，（）：文章編號(hào)：（）關(guān)聯(lián)分析在玉米遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用趙曦，王榮煥，于永濤，王天宇，黎（中國(guó)農(nóng)業(yè)科學(xué)院作物科學(xué)研究所，北京）裕摘要：關(guān)聯(lián)分析為優(yōu)異基因和等位基因的發(fā)掘提供了新的思路和途徑。分析了關(guān)聯(lián)分析在玉米遺傳學(xué)中的應(yīng)用過程，并總結(jié)各研究所得到的結(jié)論。隨著分子生物學(xué)和基因組學(xué)的飛速發(fā)展，關(guān)聯(lián)分析方法的應(yīng)用必將對(duì)玉米的遺傳改良和種質(zhì)創(chuàng)新發(fā)揮重要作用。關(guān)鍵詞：玉米；連鎖不平衡；關(guān)聯(lián)分析中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：，（，）：，：；自年和分別應(yīng)用技術(shù)對(duì)玉米進(jìn)行遺傳分析以來，各種分子標(biāo)記技術(shù)的出現(xiàn)和應(yīng)用促進(jìn)了玉米遺傳學(xué)的快速發(fā)展。近年來，隨著基因組測(cè)序技術(shù)的成熟和完善，玉米全基因組測(cè)序?qū)⑼苿?dòng)玉米遺

2、傳學(xué)研究進(jìn)入基因組時(shí)代。目前，應(yīng)用基于基因組學(xué)的方法對(duì)玉米種質(zhì)資源中優(yōu)異基因的發(fā)掘應(yīng)用十分廣泛。其中，基于連鎖不平衡（，）的關(guān)聯(lián)分析（不但能夠鑒定在種質(zhì)資源中對(duì)目標(biāo)性狀有正向貢獻(xiàn)的優(yōu)異等位基因或基因組區(qū)域，還可以在遺傳背景更加廣泛的群體中應(yīng)用關(guān)聯(lián)分析方法所開發(fā)的分子標(biāo)記進(jìn)行分子標(biāo)記輔助選擇；分辨率高：可以在比傳統(tǒng)作圖結(jié)果更多的基因組區(qū)域發(fā)現(xiàn)與之有關(guān)的座位或與目標(biāo)性狀相關(guān)的等位基因；研究周期短：關(guān)聯(lián)分析方法使用的是自然群體，不需要利用多年時(shí)間來構(gòu)建人工作圖群體，因此大大縮短了研究周期。一直以來，關(guān)聯(lián)分析方法由于群體結(jié)構(gòu)等原因限制了其在植物界充分發(fā)揮作用。自年）方法以其諸多優(yōu)勢(shì)已逐漸引起人們的關(guān)注

3、：豐富的自然基因資源：與分析相比，關(guān)聯(lián)分析所應(yīng)用的是基因資源豐富的自然群體，可提供的基因位點(diǎn)以及等位基因更加豐富、群體構(gòu)建更加快速便捷，可以同時(shí)對(duì)數(shù)十個(gè)等位基因進(jìn)行檢測(cè)。等突破植物群體結(jié)構(gòu)的障礙將其成功引入玉米開花期變異的研究，已經(jīng)有大量植物中進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析的成功報(bào)道，并且由于分辨率的關(guān)系主要分為全基因組掃描和候選基因兩種途徑。收稿日期：基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（）、“”項(xiàng)目（基于全基因組掃描的關(guān)聯(lián)分析基于全基因組掃描的關(guān)聯(lián)分析方法是通過選擇）作者簡(jiǎn)介：趙曦（），女，哈爾濱人，在讀碩士，主要從事玉米種質(zhì)資源研究。王天宇為本文通訊作者。一定數(shù)量的分子標(biāo)記對(duì)研究群體在全基因組范圍內(nèi)進(jìn)行掃描

4、，然后將所得分子數(shù)據(jù)與表型數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析。應(yīng)用此法可以定位與目標(biāo)性狀相關(guān)的基因，：期趙曦等：關(guān)聯(lián)分析在玉米遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用年，等在全基因組范圍內(nèi)鑒定與玉由高油群體（）和米油分含量相關(guān)的?；诤蜻x基因的關(guān)聯(lián)分析玉米是異花授粉作物，易受育種過程中的重組、低油群體（）分別自交代后各選出幾株雜交，所得雜交群體隨機(jī)交配代得到個(gè)選擇、環(huán)境等變化的影響導(dǎo)致基因組中衰退。因此，在玉米中運(yùn)用基于候選基因的關(guān)聯(lián)分析進(jìn)行等位基因的發(fā)掘更為有效。年至今，研究學(xué)者應(yīng)用此方法對(duì)玉米中多個(gè)性狀與其相應(yīng)基因多態(tài)性進(jìn)行了大量研究（表）。表關(guān)聯(lián)分析在玉米遺傳學(xué)中的應(yīng)用植株，每株再自花授粉得到：系，各株所獲種子分別種成一行得到

5、：系，子粒用試驗(yàn)設(shè)計(jì)分兩年個(gè)來提取和采集表型性狀。地點(diǎn)且每年兩個(gè)重復(fù)進(jìn)行和的培育。表型性狀的檢測(cè)主要是子粒干重百分比即油分。所使用的個(gè)標(biāo)記來源于與這些種質(zhì)材料無關(guān)的個(gè)作圖群體的親本，通過最大似然法分析標(biāo)記間水平，發(fā)現(xiàn)只有的標(biāo)記間其；軟件完成對(duì)表型數(shù)據(jù)變化的分析，并穿插有廣泛遺傳力的檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)個(gè)顯著特點(diǎn)：基因型與環(huán)境互作效應(yīng)顯著、雜交種比自交系中的變異少、高遺傳力的檢測(cè)結(jié)果適合檢驗(yàn)標(biāo)記與性狀間的關(guān)聯(lián)。錯(cuò)誤發(fā)現(xiàn)率性狀基因材料數(shù)目標(biāo)記株高、開花期、（）的方法檢驗(yàn)單標(biāo)記回歸效應(yīng)，再與方法所得系數(shù)相比，發(fā)現(xiàn)結(jié)論的相似性很高，即在自交系中選出與油分相關(guān)的個(gè)標(biāo)記，其中個(gè)正向、個(gè)負(fù)向相關(guān)；雜交種中共個(gè)標(biāo)記，個(gè)

6、正向關(guān)聯(lián)、個(gè)負(fù)向相關(guān)。同年，和通過全基因組掃描途徑對(duì)玉米中與株高、黑穗病抗性和子粒含水量相關(guān)的進(jìn)行圖譜定位查詢（）。試驗(yàn)材料來自個(gè)不同雜交群體的個(gè)歐洲玉米自交系，進(jìn)行年多個(gè)地點(diǎn)的試驗(yàn)，每個(gè)地點(diǎn)設(shè)有兩個(gè)重復(fù)。選用個(gè)遍布基因組的標(biāo)記對(duì)每個(gè)自交系進(jìn)行指紋圖譜采集。通過基于混合模型方子粒組分淀粉糊化特性直鏈淀粉含量飼用品質(zhì)消化率黃色胚乳、子粒產(chǎn)量年，等采用多種統(tǒng)計(jì)分析方法克服了作物中群體結(jié)構(gòu)的存在而產(chǎn)生的假關(guān)聯(lián)現(xiàn)象，以與玉米花期相關(guān)的基因?yàn)槔?，把關(guān)聯(lián)分析方法成功地引入了植物遺傳學(xué)。在材料選擇上，以盡可能含有當(dāng)時(shí)所有遺傳多樣性的玉米自交系（）的圖譜定位查詢分析與群體中標(biāo)記對(duì)應(yīng)的等位基因相關(guān)聯(lián)的一般配合力

7、份作為試驗(yàn)基礎(chǔ)，進(jìn)行為期兩年個(gè)地點(diǎn)的表型性狀檢測(cè)，包括散粉和吐絲天數(shù)、花期后的株高和穗位高。在中找到序列片段和另外一段未發(fā)表的啟動(dòng)子序列，設(shè)計(jì)引物進(jìn)行擴(kuò)增；所得擴(kuò)增產(chǎn)物克隆到載體中，再?gòu)牡絺€(gè)克隆中提取質(zhì)粒測(cè)序；測(cè)序結(jié)果用編輯整理并分組，檢測(cè)所有單個(gè)多態(tài)性。中性理論（）和成對(duì)多樣性平均數(shù)（）評(píng)估核酸多樣性，選擇測(cè)驗(yàn)則基于（）水平，先鑒定每條染色體上顯著的位點(diǎn)，然后進(jìn)行全基因組掃描分析這些位點(diǎn)相應(yīng)的標(biāo)記。其中，混合模型方法包括：隨機(jī)遺傳效應(yīng)的最佳線性無偏預(yù)測(cè)（）；固定環(huán)境效應(yīng)的最佳線性無偏評(píng)所得相應(yīng)的標(biāo)記分為株高、黑穗病抗性和估（）。子粒含水量三類，數(shù)量分別為、和個(gè)。與前人結(jié)果相比，年和用個(gè)標(biāo)記對(duì)

8、個(gè)不同地點(diǎn)含有個(gè)家系的代群進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)個(gè)對(duì)株高、個(gè)對(duì)子粒含水量有重要意義的標(biāo)記。對(duì)于黑穗病抗性標(biāo)記的檢測(cè)，所用的軟件為、和，結(jié)果發(fā)現(xiàn)這些多態(tài)性能夠影響的基因表達(dá)和功能。（）用來計(jì)算多態(tài)性位點(diǎn)間頻率，測(cè)驗(yàn)鑒定顯著性，發(fā)現(xiàn)序列整體上處于快速衰退中，有助于提高關(guān)聯(lián)檢驗(yàn)的分辨率。群體結(jié)構(gòu)的處理上，用統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)（）對(duì)數(shù)量性狀進(jìn)行檢測(cè)，計(jì)算兩種假設(shè)的可能性，其一：候選基因的分類與群：ü等在個(gè)群體中檢測(cè)到個(gè)；等在個(gè)群體中檢測(cè)到個(gè)，總體上，雖然群體大小和所選標(biāo)記的不同產(chǎn)生一些差異，但與前人所得玉米科學(xué)卷體結(jié)構(gòu)關(guān)聯(lián)。當(dāng)代表等位基因頻率的值設(shè)為析、中性突變分析、多態(tài)性位點(diǎn)間分析、顯著性分析，得出序列中第

9、一個(gè)外顯子和內(nèi)含子靠近端部分及其余序列分別存在明顯；內(nèi)含子靠近端部分及第二個(gè)外顯子區(qū)域多態(tài)性與水平顯著相關(guān)，在處的與顯著相關(guān)。時(shí)，進(jìn)行兩次（）和（）作為比較驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)很多與表型相關(guān)的標(biāo)記；另外，在不檢測(cè)群體結(jié)構(gòu)的情況下，用邏輯回歸的方法也得到很多標(biāo)記，這兩種方法所得結(jié)果對(duì)比發(fā)現(xiàn)，考慮群體結(jié)構(gòu)后可以有效減少假關(guān)聯(lián)。同時(shí)，值顯示序列多態(tài)性與花期性狀（吐絲、散粉時(shí)間）呈顯著相關(guān)，與株高無關(guān)。隨后，等對(duì)基因的序列多樣性與份歐洲優(yōu)異自交系在個(gè)不同環(huán)境下的開花期和株高進(jìn)行再次關(guān)聯(lián)分析驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)在不考慮群體結(jié)構(gòu)的情況下只檢測(cè)出其中的個(gè)與開花期相關(guān)，考慮群體結(jié)構(gòu)時(shí)則只有一個(gè)與株高相關(guān)；同樣是基因，等選用了代表

10、美國(guó)和歐洲遺傳多樣性的份自交系和份地方品種，得出了與等相同的結(jié)論。這說明，即使是針對(duì)同一目標(biāo)基因，關(guān)聯(lián)分析群體的選擇將影響其結(jié)果。和è研究發(fā)現(xiàn)，飼用玉米中等位基因能夠引起細(xì)胞壁木質(zhì)素的組成及消化率變化的基因中，所檢測(cè)到的個(gè)單倍型是由多個(gè)小片段組成，并且因重組事件的發(fā)生而引起交替的同時(shí)或不同時(shí)的遺傳漂變。等對(duì)一個(gè)八氫蕃茄紅素合酶基因和另一個(gè)假定基因分別通過關(guān)聯(lián)分析方法進(jìn)行功能鑒定，經(jīng)過對(duì)比發(fā)現(xiàn)和基因序列中都存在高度多態(tài)性，只有中多態(tài)性與黃色胚乳表型呈顯著相關(guān)，另外中對(duì)應(yīng)黃色胚乳的單倍型序列存在高度保守性，周圍長(zhǎng)達(dá)，表明對(duì)黃色胚乳的強(qiáng)勢(shì)選擇。等對(duì)與玉米自交系中可凝性球蛋白（）和綠原酸（）

11、積累有關(guān)的個(gè)相關(guān)位點(diǎn)基因、年，等對(duì)幾個(gè)與玉米子粒組成和淀粉含量相關(guān)的候選基因片段進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析。所用材料為份，選自世界各地且具有很大遺傳多樣性；一年兩季共個(gè)地點(diǎn)的重復(fù)檢測(cè)子粒組成性狀（蛋白、油分、淀粉含量和子粒含水量）、淀粉成分品質(zhì)性狀（糊化特性和支鏈淀粉水平）。選取的個(gè)基因分別為、和，由于已經(jīng)得知它們的多態(tài)性區(qū)域。因此，該試驗(yàn)直接在、進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析表明，位點(diǎn)是和的主效且對(duì)、顯上位互作效應(yīng)，只有的功能性等位基因的存在情況下，才可以檢測(cè)到、基因序列變異及啟動(dòng)子區(qū)域的個(gè)序列多態(tài)性與和積累間的關(guān)聯(lián)，上位互作效應(yīng)的存在可以提高關(guān)聯(lián)分析的檢測(cè)能力。另外，于永濤等選擇了份代表中國(guó)最大遺傳多樣性的核心材料，對(duì)

12、基因序列多態(tài)性與耐旱表型之間進(jìn)行關(guān)聯(lián)分析，發(fā)現(xiàn)一個(gè)由個(gè)多態(tài)性組成的單體型與個(gè)產(chǎn)量因子之間存在顯著關(guān)聯(lián)。份材料中進(jìn)行片段擴(kuò)增。分析表明這個(gè)基因片段中、和的在長(zhǎng)度上快速衰關(guān)聯(lián)分析結(jié)果中呈顯著退，顯示出人工選擇的跡象。相關(guān)的是：與糊化溫度和支鏈淀粉含量；與油分和蛋白組分；的基因型與環(huán)境互作效應(yīng)和夏季直鏈淀粉含量；的基因型與環(huán)境互作效應(yīng)和淀粉糊化特性；的單倍型分析揭示了冬季環(huán)境效應(yīng)對(duì)直鏈淀粉含量的影響。展望美國(guó)密蘇里大學(xué)農(nóng)學(xué)院根據(jù)玉米基因組序列研究設(shè)計(jì)出多個(gè)引物，遍布整個(gè)玉米基因組，隨后一些植株表型、環(huán)境及病蟲害抗性等主要農(nóng)藝性狀均已進(jìn)行基因組定位，關(guān)聯(lián)分析方法則可以在這些定位的研究工作基礎(chǔ)上對(duì)所選候

13、選基因進(jìn)行分析。研究表明，玉米基因組大小約為年，和等對(duì)催化玉米中木質(zhì)素生物合成代謝途徑中第一步反應(yīng)的酶基因與相關(guān)表型性狀進(jìn)行了關(guān)聯(lián)分析。選用的研究材料為具有最大遺傳多樣性的歐洲飼用玉米自交系份，分為硬粒型和馬齒型，對(duì)這些材料進(jìn)行年兩點(diǎn)且各有兩次重復(fù)的田間表型鑒定。品質(zhì)分析主要采集的數(shù)據(jù)包括水溶性糖含量（）、中性纖維（）、組織器官的體外消化率（），并據(jù)此計(jì)算。在中找到序列全長(zhǎng)分段設(shè)計(jì)兩對(duì)引，除有約個(gè)基因外還存在大量重復(fù)序列，結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，功能基因的鑒定更加艱難。但是，玉米基因組中含有很多影響其生物學(xué)特性的功能等位基因變異，關(guān)聯(lián)分析方法可以鑒定出這些功能等位基因。而開發(fā)與這些功能變異緊密相關(guān)的功能標(biāo)記，則有助于深入了解其分子機(jī)制，通過分子標(biāo)記輔助期趙曦等：關(guān)聯(lián)分析在玉米遺傳學(xué)研究中的應(yīng)用，：遺傳改良。關(guān)聯(lián)分析方法在明確基因與目標(biāo)性狀表達(dá)之間的內(nèi)在關(guān)系、鑒定評(píng)價(jià)多個(gè)基因等方面有巨大的應(yīng)用價(jià)值，年國(guó)際農(nóng)業(yè)研究磋商小組“遺傳多樣性挑戰(zhàn)計(jì)劃”、美國(guó)科學(xué)基（）啟動(dòng)了金會(huì)（）開始資助“玉米基因組的結(jié)構(gòu)和功能多樣性研究專項(xiàng)”，這些充分顯示出關(guān)聯(lián)分析方法在玉米基因組學(xué)中的應(yīng)用得到足夠的重視。玉米遺傳學(xué)研究為基因的發(fā)掘提供了理論基礎(chǔ)。隨著分子生物學(xué)和基因組學(xué)的飛速發(fā)展，各種發(fā)掘新基因的方法和技術(shù)不斷推陳出新，關(guān)聯(lián)分析方法在玉米中的成