基于标记辅助的两个QTL导入

白俊艳 祁艳霞 杨又兵等

摘要：为了将多个有利QTL导入到同一个群体中，模拟研究了在标记辅助的育种过程导入两个QTL，分析了不同试验设计和不同背景选择方法对标记辅助导入效率的影响。结果表明，在两种试验设计中，在回交阶段，试验设计2的导入QTL频率略高于试验设计1，在横交阶段基本无差异。GS、MS和MIS选择方法对遗传背景的恢复比较好，而MBLUP、BLUP、PH和MIS选择方法获得的背景性状的遗传进展较大，MIS选择方法对于遗传背景的恢复和背景性状的遗传进展取得较好的结果。

关键词：标记辅助；QTL；导入

中图分类号：S826.9 文献标识码：A 文章编号：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

随着对动物功能基因组研究的不断深入，利用DNA分子标记采用候选基因法和基因组扫描法已经定位了许多影响畜禽重要经济性状的主效基因或数量性状基因座（Quantitative trait loci，QTL）。家畜中的主效基因或QTL相继被人们所发现，在一个品系里很有可能存在控制不同性状的多个优势QTL或者多个QTL控制同一个性状。如果可以利用标记信息同时将不同品系的多个QTL导入到同一个品系里，或将同一品系的多个QTL导入到另一个品系里，从而可以把多个优势QTL（或基因）同时聚集到同一个基因组中，达到一次改良多个性状的目的，这就是所谓的标记辅助导入多个QTL，这与常规育种中的顺序选择相比大大缩短了育种周期。由于QTL定位的基础研究还不能满足育种的需要，还没有数量性状的QTL被精确定位，而且上位效应等可能会影响标记辅助选择的效果。因此，对于标记辅助导入多个QTL的研究还主要局限在理论上，仅见Koudandé等[1]在老鼠中成功标记辅助导入3个抗性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）杂交产生F1，其中每个QTL利用了3个标记进行跟踪监控，利用标记基因型只进行了前景选择，经过4个回交世代和2个横交世代后，将老鼠C57BL/6系的3个抗性QTL标记辅助导入到老鼠A/J系中。

本研究采用了两种试验设计方案，利用7种背景选择方法，模拟研究了标记辅助导入两个QTL的育种过程，探讨了这些因素对标记辅助导入两个QTL效率的影响。

1 材料与方法

1.1 试验设计

假设分别控制两个性状的两个有利QTL分别固定在两个供体群体里，称为QTL1和QTL2。将这两个有利QTL同时导入同一个受体群的时候，两种试验设计如图1所示，并假设在所有世代中要避免同胞交配，后代性别比例按1∶1的概率確定，假定所有世代间不重叠。

1.2 性状的表型值

1）基础群性状的表型值y：yi=qi+ui+ei，其中，yi为个体i的表型值，qi为个体i的QTL基因型值，ui为个体i的多基因效应值，对于两个亲本群体，ui由正态分布N（0，？滓）随机产生，ei为个体i的随机环境离差，在所有世代中，ei均由正态分布N（0，？滓）随机产生。

2）非基础群的个体性状表型值的产生方法与基础群相同，不同的是多基因效应值的计算：ui=0.5us+0.5ud+mi，其中，ui为个体i的多基因效应值，us和ud分别为个体i的父本和母本的多基因值，mi为个体i的孟德尔抽样离差（Mendelian sampling），服从正态分布N（0，（？滓/2）（1-（Fs+Fd）/2）），其中Fs和Fd分别为父本和母本的近交系数。

1.3 前景选择方法

1.3.1 试验设计1的前景选择 回交阶段和横交阶段的前景选择策略是一样的，即在导入群中选择第一个导入QTL两侧标记（两个标记与导入QTL的图距为15 cM和5 cM）为杂合型，并且第二个导入QTL两侧标记（两个标记与导入QTL的图距为15 cM和5 cM）也为杂合型的个体。如果此类型的个体不够选择，则选择任意一个导入QTL两侧标记为杂合型的个体。

1.3.2 试验设计2的前景选择 回交阶段和横交阶段的前景选择策略上略有不同，回交阶段是在两个导入群中分别进行选择，在第一个导入群体里，选择第一个导入QTL两侧标记（两个标记与导入QTL的图距为15 cM和5 cM）为杂合型的个体，在第二个导入群体里，选择第二个导入QTL两侧标记（两个标记与导入QTL的图距为15 cM和5 cM）为杂合型的个体。在横交阶段，即在公共的导入群中选择这两个导入QTL两侧标记均为纯合型或杂合型的个体，如果此类型的个体不够选择，则选择任意一个导入QTL两侧标记为杂合型的个体。

1.4 背景选择方法

1）随机选择（NO）。在前景选择出的群体里随机选择个体留做种畜。

2）表型值选择（PH）。计算公式如下：Ip=b1p1+b2p2，其中，b1、b2分别为两个背景性状表型值的加权系数，p1、p2分别为标准化后的两个背景性状表型值。

3）BLUP选择（BLUP）。利用个体以及其亲属的表型信息，采用常规的BLUP法估计个体的两个背景性状育种值，然后将两个性状育种值分别标准化后，经相等权重的加权形成育种值综合指数，根据这个指数的大小进行选择留种。

4）基因组相似选择（GS）。基因组的相似程度可用下式来计算：Gm=（∑mi）/N，其中，Gm为基因组相似度，mi为0或1，如果第i个标记基因型是杂合型时，mi值则为0；反之如果第i个标记基因型是纯合型（第i个标记等位基因都来自受体）时，mi值则为1，N为标记总个数。

5）标记得分选择（MS）。标记得分的计算公式如下[2]：Im=∑bimi，其中，如果第i个标记来自供体的等位基因个数为2、1、0时，则mi的值分别为0、1/2、1，bi为0.5或1，当第i个标记位于染色体首末端时则bi为0.5，反之则bi为1。

6）指数选择（MIS）。Im=bmIm+bpP，其中，Im为标记值，P为性状表型值，bm和bp分别是对标记值和性状表型值的加权值，定义为，bm∞（1-h2），bp∞h2（1-p），其中，h2为性状遗传力，p为性状的遗传方差中由QTL所解释的部分所占的比例[3]。

7）标记辅助BLUP选择（MBLUP）。利用以下模型对2个背景性状育种值进行估计，然后将育种值合并为指数，根据指数发高低来选种。

y=Zu+Wv+e

其中，y为性状观察值向量，u为随机剩余多基因效应值向量，其均值为0，方差协方矩阵为A？滓■■，A为分子亲缘相关矩阵，v为随机QTL等位基因效應向量，其均值为0，方差协方矩阵为G？滓■■，G为QTL配子相关矩阵，e为残差向量，其均值为0，方差协方矩阵为I？滓■■，I为单位向量，W和Z分别为v和u的结构矩阵。

2 结果与分析

2.1 导入QTL频率

两种不同试验设计下的导入QTL频率见表1。由表1可以看出，在回交阶段，与试验设计1中的导入QTL频率变化（表1）相比，试验设计2中的导入QTL频率略高于试验设计1。

在试验设计1中，两个导入QTL频率随回交世代的增加而呈现出略微下降趋势，导入QTL频率基本保持在0.23～0.25。在横交阶段，两个导入QTL频率随横交世代的增加呈现出迅速的递增趋势，经过横交4个世代，这6种背景选择的第二个导入QTL频率分别增加到0.855 3、0.828 6、0.759 8、0.810 7、0.838 9、0.801 8和0.848 7。第一个导入QTL频率与第二个导入QTL频率在不同背景选择方法之间的变化趋势基本一致。导入QTL频率在不同背景选择方法之间差异很小，仅BLUP选择获得的两个导入QTL频率略低于其他方法。

在试验设计2中，导入QTL频率在不同背景选择方法之间基本无差异。在回交阶段，两个导入QTL频率随回交世代的增加而呈现出下降趋势，两个QTL频率基本保持在0.24～0.25。而在横交阶段，两个导入QTL频率随世代的增加呈现出迅速的递增趋势。在横交阶段，两个导入QTL频率随横交世代的增加而呈现出上升趋势，经过横交4个世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS和MIS背景选择下的第二个导入QTL频率分别为0.824 8、0.870 5、0.838 4、0.871 1、0.840 6、0.830 0和0.846 2。可见，导入QTL频率在不同背景选择方法之间差异很小。

2.2 背景QTL频率

两种不同试验设计下的背景QTL频率见图1。两种试验设计下的背景QTL频率结果较为相似，试验设计1的背景QTL频率略高与试验设计2。不同背景选择方法相比，背景QTL频率随着NO、BLUP、MBLUP、PH、GS、MS、MIS背景选择方法而呈现出递增的趋势，后6种背景选择方法的结果大于NO。

由图1可以看出，在试验设计1中的两个背景QTL频率在不同背景选择方法之间略有差异。在回交阶段，两个背景QTL频率随世代的增加而呈现出迅速递增趋势，经过5个回交世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS和MIS背景选择下的第二个背景QTL频率分别增加到0.987 0、0.999 0、0.997 3、1.000 0、1.000 0、0.999 1、0.999 3，并且在横交世代里，第二个背景QTL频率基本保持不变。在试验设计2中，经过5个回交世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS和MIS背景选择下的第二个背景QTL频率分别为0.975 5、0.998 4、0.993 2、0.998 4、1.000 0、1.000 0和1.000 0，并且在以后的横交世代里，其频率基本保持不变。

2.3 遗传背景的恢复

两种试验设计下的遗传背景的恢复见图2。由图2可以看出，不同背景选择方法对遗传背景的恢复两种试验设计中结果相似，表现为利用覆盖整个基因组上的标记进行背景选择的GS、MS和MIS对遗传背景的恢复比较好，其他几种选择方法略差些。在试验设计1中，遗传背景的恢复在不同背景选择方法之间是有差异的，并且随着回交世代的增加而呈现出迅速递增趋势，到了横交阶段，遗传背景的恢复基本保持不变。经过5个回交世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS、MIS背景选择下的遗传背景恢复分别增加到97.30%、97.61%、97.41%、97.31%、99.98%、99.96%和99.63%。在试验设计2中，经过5个回交世代，NO、PH、BLUP、MBLUP、MS、GS、MIS背景选择下的遗传背景恢复分别为97.94%、98.15%、97.97%、98.15%、100%、100%和99.88%，可见后3者的遗传背景恢复远远大于前4者。在横交阶段，MS、GS和MIS的遗传背景恢复保持不变，而其他背景选择方法的遗传背景恢复在横交阶段有略微的下降趋势。

2.4 前景性状遗传进展

两种试验设计下的前景性状遗传进展见图3。由图3可以看出，在两种试验设计中第一个前景性状的遗传进展变化趋势较一致，即在回交阶段随世代的增加基本无变化，而到了横交阶段，遗传进展随世代增加而呈现出迅速递增趋势，不同背景选择方法之间差异也很小。

2.5 背景性状遗传进展

两种试验设计下的不同背景选择方法下的第二个背景性状遗传进展见图4。由图4可以看出，两种试验设计下的第二个背景性状遗传进展变化趋势较一致，即MBLUP和BLUP获得了第二个背景性状最大的遗传进展，而PH和MIS次之，而GS、MS和NO获得遗传进展最小。总体来看，MBLUP、BLUP、PH和MIS背景选择方法获得的背景性状的遗传进展远远大于MS、GS和NO背景选择。

3 小结与讨论

对于标记辅助导入1个QTL（或基因）的报道较多[4-7]，而对于标记辅助导入多个QTL（基因）的报道不多，如Frisch等[8]，Koudandé等[9]分别对标记辅助导入多个基因（QTL）进行了模拟研究，并且都只考虑了前景选择的情况下如何进行导入，为在实践中实施标记辅助导入多个基因（QTL）提供了一定的参考。本研究仅考虑了分别固定在两个群体中的有利QTL，此外还有可能在同一个群体中就存在有多个有利QTL，此时的前景选择要将同时携带多个QTL的个体选择出来，可能导入的效率会略有下降。Frisch等[8]模拟研究了在利用已有的遗传图谱，在植物上标记辅助导入两个基因时，对6种育种方案进行了比较研究。本研究模拟研究了在标记辅助导入两个QTL的育种过程中，分析了不同试验设计和不同背景选择方法对标記辅助导入效率的影响。研究结果表明，在回交阶段，试验设计2的导入QTL频率略高于试验设计1，GS、MS和MIS选择方法对遗传背景的恢复比较好，而MBLUP、BLUP、PH和MIS背景选择方法获得的背景性状的遗传进展较大，因此，MIS背景选择方法对于遗传背景的恢复和背景性状的遗传进展取得较好的结果。针对同时将控制两个不同性状的两个QTL导入到同一个群体中，本研究分析了两种试验设计对导入QTL效率的影响。在试验设计1中，在每个回交世代里，在导入群中的前景选择是将携带有两个导入QTL的个体选择出来，即将两个导入QTL的两侧标记都为杂合的个体选择出来。而在试验设计2中，在每个回交世代里，在每个导入群中的前景选择是将携带有各自一个导入QTL的个体选择出来，即将一个导入QTL两侧杂合标记基因型的个体选择出来。与试验设计1相比，在回交阶段的导入群中满足试验设计2条件的个体要多于前者，因此，试验设计2的导入QTL频率略高于试验设计1。而到了横交阶段，导入QTL频率在两种试验设计中基本无差别，以及两种试验设计对遗传背景的恢复、背景QTL频率以及背景性状遗传进展等基本无影响。

参考文献：

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[8] FRISCH M， MELCHINGER A E. Marker-assisted backcrossing for simultaneous introgression of two genes[J].Crop Sci，2001， 41： 1716-1725.

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