基于標記輔助的兩個QTL導入

白俊艷 祁艷霞 楊又兵等

摘要：為了將多個有利QTL導入到同一個群體中，模擬研究了在標記輔助的育種過程導入兩個QTL，分析了不同試驗設計和不同背景選擇方法對標記輔助導入效率的影響。結(jié)果表明，在兩種試驗設計中，在回交階段，試驗設計2的導入QTL頻率略高于試驗設計1，在橫交階段基本無差異。GS、MS和MIS選擇方法對遺傳背景的恢復比較好，而MBLUP、BLUP、PH和MIS選擇方法獲得的背景性狀的遺傳進展較大，MIS選擇方法對于遺傳背景的恢復和背景性狀的遺傳進展取得較好的結(jié)果。

關鍵詞：標記輔助；QTL；導入

中圖分類號：S826.9 文獻標識碼：A 文章編號：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

隨著對動物功能基因組研究的不斷深入，利用DNA分子標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)，在一個品系里很有可能存在控制不同性狀的多個優(yōu)勢QTL或者多個QTL控制同一個性狀。如果可以利用標記信息同時將不同品系的多個QTL導入到同一個品系里，或?qū)⑼黄废档亩鄠€QTL導入到另一個品系里，從而可以把多個優(yōu)勢QTL（或基因）同時聚集到同一個基因組中，達到一次改良多個性狀的目的，這就是所謂的標記輔助導入多個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定位的基礎研究還不能滿足育種的需要，還沒有數(shù)量性狀的QTL被精確定位，而且上位效應等可能會影響標記輔助選擇的效果。因此，對于標記輔助導入多個QTL的研究還主要局限在理論上，僅見Koudandé等[1]在老鼠中成功標記輔助導入3個抗性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QTL利用了3個標記進行跟蹤監(jiān)控，利用標記基因型只進行了前景選擇，經(jīng)過4個回交世代和2個橫交世代后，將老鼠C57BL/6系的3個抗性QTL標記輔助導入到老鼠A/J系中。

本研究采用了兩種試驗設計方案，利用7種背景選擇方法，模擬研究了標記輔助導入兩個QTL的育種過程，探討了這些因素對標記輔助導入兩個QTL效率的影響。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

假設分別控制兩個性狀的兩個有利QTL分別固定在兩個供體群體里，稱為QTL1和QTL2。將這兩個有利QTL同時導入同一個受體群的時候，兩種試驗設計如圖1所示，并假設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）基礎群性狀的表型值y：yi=qi+ui+ei，其中，yi為個體i的表型值，qi為個體i的QTL基因型值，ui為個體i的多基因效應值，對于兩個親本群體，ui由正態(tài)分布N（0，？滓）隨機產(chǎn)生，ei為個體i的隨機環(huán)境離差，在所有世代中，ei均由正態(tài)分布N（0，？滓）隨機產(chǎn)生。

2）非基礎群的個體性狀表型值的產(chǎn)生方法與基礎群相同，不同的是多基因效應值的計算：ui=0.5us+0.5ud+mi，其中，ui為個體i的多基因效應值，us和ud分別為個體i的父本和母本的多基因值，mi為個體i的孟德爾抽樣離差（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 試驗設計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，即在導入群中選擇第一個導入QTL兩側(cè)標記（兩個標記與導入QTL的圖距為15 cM和5 cM）為雜合型，并且第二個導入QTL兩側(cè)標記（兩個標記與導入QTL的圖距為15 cM和5 cM）也為雜合型的個體。如果此類型的個體不夠選擇，則選擇任意一個導入QTL兩側(cè)標記為雜合型的個體。

1.3.2 試驗設計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，回交階段是在兩個導入群中分別進行選擇，在第一個導入群體里，選擇第一個導入QTL兩側(cè)標記（兩個標記與導入QTL的圖距為15 cM和5 cM）為雜合型的個體，在第二個導入群體里，選擇第二個導入QTL兩側(cè)標記（兩個標記與導入QTL的圖距為15 cM和5 cM）為雜合型的個體。在橫交階段，即在公共的導入群中選擇這兩個導入QTL兩側(cè)標記均為純合型或雜合型的個體，如果此類型的個體不夠選擇，則選擇任意一個導入QTL兩側(cè)標記為雜合型的個體。

1.4 背景選擇方法

1）隨機選擇（NO）。在前景選擇出的群體里隨機選擇個體留做種畜。

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

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

4）基因組相似選擇（GS）?；蚪M的相似程度可用下式來計算：Gm=（∑mi）/N，其中，Gm為基因組相似度，mi為0或1，如果第i個標記基因型是雜合型時，mi值則為0；反之如果第i個標記基因型是純合型（第i個標記等位基因都來自受體）時，mi值則為1，N為標記總個數(shù)。

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

6）指數(shù)選擇（MIS）。Im=bmIm+bpP，其中，Im為標記值，P為性狀表型值，bm和bp分別是對標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）標記輔助BLUP選擇（MBLUP）。利用以下模型對2個背景性狀育種值進行估計，然后將育種值合并為指數(shù)，根據(jù)指數(shù)發(fā)高低來選種。

y=Zu+Wv+e

其中，y為性狀觀察值向量，u為隨機剩余多基因效應值向量，其均值為0，方差協(xié)方矩陣為A？滓■■，A為分子親緣相關矩陣，v為隨機QTL等位基因效應向量，其均值為0，方差協(xié)方矩陣為G？滓■■，G為QTL配子相關矩陣，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 導入QTL頻率

兩種不同試驗設計下的導入QTL頻率見表1。由表1可以看出，在回交階段，與試驗設計1中的導入QTL頻率變化（表1）相比，試驗設計2中的導入QTL頻率略高于試驗設計1。

在試驗設計1中，兩個導入QTL頻率隨回交世代的增加而呈現(xiàn)出略微下降趨勢，導入QTL頻率基本保持在0.23～0.25。在橫交階段，兩個導入QTL頻率隨橫交世代的增加呈現(xiàn)出迅速的遞增趨勢，經(jīng)過橫交4個世代，這6種背景選擇的第二個導入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。第一個導入QTL頻率與第二個導入QTL頻率在不同背景選擇方法之間的變化趨勢基本一致。導入QTL頻率在不同背景選擇方法之間差異很小，僅BLUP選擇獲得的兩個導入QTL頻率略低于其他方法。

在試驗設計2中，導入QTL頻率在不同背景選擇方法之間基本無差異。在回交階段，兩個導入QTL頻率隨回交世代的增加而呈現(xiàn)出下降趨勢，兩個QTL頻率基本保持在0.24～0.25。而在橫交階段，兩個導入QTL頻率隨世代的增加呈現(xiàn)出迅速的遞增趨勢。在橫交階段，兩個導入QTL頻率隨橫交世代的增加而呈現(xiàn)出上升趨勢，經(jīng)過橫交4個世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS和MIS背景選擇下的第二個導入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?？梢姡瑢隥TL頻率在不同背景選擇方法之間差異很小。

2.2 背景QTL頻率

兩種不同試驗設計下的背景QTL頻率見圖1。兩種試驗設計下的背景QTL頻率結(jié)果較為相似，試驗設計1的背景QTL頻率略高與試驗設計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，后6種背景選擇方法的結(jié)果大于NO。

由圖1可以看出，在試驗設計1中的兩個背景QTL頻率在不同背景選擇方法之間略有差異。在回交階段，兩個背景QTL頻率隨世代的增加而呈現(xiàn)出迅速遞增趨勢，經(jīng)過5個回交世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS和MIS背景選擇下的第二個背景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，第二個背景QTL頻率基本保持不變。在試驗設計2中，經(jīng)過5個回交世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS和MIS背景選擇下的第二個背景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

兩種試驗設計下的遺傳背景的恢復見圖2。由圖2可以看出，不同背景選擇方法對遺傳背景的恢復兩種試驗設計中結(jié)果相似，表現(xiàn)為利用覆蓋整個基因組上的標記進行背景選擇的GS、MS和MIS對遺傳背景的恢復比較好，其他幾種選擇方法略差些。在試驗設計1中，遺傳背景的恢復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，到了橫交階段，遺傳背景的恢復基本保持不變。經(jīng)過5個回交世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS、MIS背景選擇下的遺傳背景恢復分別增加到97.30%、97.61%、97.41%、97.31%、99.98%、99.96%和99.63%。在試驗設計2中，經(jīng)過5個回交世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS、MIS背景選擇下的遺傳背景恢復分別為97.94%、98.15%、97.97%、98.15%、100%、100%和99.88%，可見后3者的遺傳背景恢復遠遠大于前4者。在橫交階段，MS、GS和MIS的遺傳背景恢復保持不變，而其他背景選擇方法的遺傳背景恢復在橫交階段有略微的下降趨勢。

2.4 前景性狀遺傳進展

兩種試驗設計下的前景性狀遺傳進展見圖3。由圖3可以看出，在兩種試驗設計中第一個前景性狀的遺傳進展變化趨勢較一致，即在回交階段隨世代的增加基本無變化，而到了橫交階段，遺傳進展隨世代增加而呈現(xiàn)出迅速遞增趨勢，不同背景選擇方法之間差異也很小。

2.5 背景性狀遺傳進展

兩種試驗設計下的不同背景選擇方法下的第二個背景性狀遺傳進展見圖4。由圖4可以看出，兩種試驗設計下的第二個背景性狀遺傳進展變化趨勢較一致，即MBLUP和BLUP獲得了第二個背景性狀最大的遺傳進展，而PH和MIS次之，而GS、MS和NO獲得遺傳進展最小?？傮w來看，MBLUP、BLUP、PH和MIS背景選擇方法獲得的背景性狀的遺傳進展遠遠大于MS、GS和NO背景選擇。

3 小結(jié)與討論

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

參考文獻：

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