【2017年整理】作物数量性状基因图位克隆研究进展.doc

作物数量性状基因图位克隆研究进展 作物许多重要农艺性状，如产量、品质、生育期等均属于数量性状，对控制数量性状的基因 (Quantitative trait loci,QTL) 开展研究已成为现代遗传学的热点之一。QTL 的鉴定和克隆不仅有利于从分子水平上阐明这些性状的发育和形成机理，而且对于有效开展数量性状分子育种，进一步提高作物品种的产量、品质和抗性水平具有重要意义。近年来，作物数量性状基因克隆取得了重要突破，一批控制复杂农艺性状的 QTL 已被成功分离。随着植物基因组研究的日益广泛和深入，作物 QTL 的图位克隆技术将有新的发展。 1 数量性状基因克隆基本思路 　　数量性状由多基因控制，并受环境条件影响，其表型变异是连续的，一般只能通过统计分析方法来确定其遗传座位。从本质上看，QTL 的定位研究只是以一定概率标准说明在基因组的某些区段可能存在影响某个数量性状的 QTL，至于这些 QTL 包含多少个基因，包含什么基因，以及它们如何作用于目标性状，则需通过遗传学的方法进一步去鉴定。 　　在遗传上，QTL 与控制质量性状的基因是一样的，都能够通过遗传重组进行分离，差异只是在遗传效应大小方面，而且同一座位既是一个 QTL，也可能是一个主基因，这取决于所考察的等位基因。因此，QTL 克隆的基本思路与控制质量性状的主基因是相似的，即首先将初步定位的 QTL 界定到一个很小的基因组区域，然后提名候选基因，进行序列分析，最后进行功能验证。由于一个数量性状的分离通常由多个 QTL 共同决定，每一个的贡献较小，且这些 QTL 常常紧密连锁在一起，因此 QTL克隆的关键问题是如何将控制所研究性状的多个 QTL 分解为单个孟德尔因子。近年来在水稻、玉米和番茄上进行的 QTL 分离和克隆的开创性工作，为解决这一问题提供了有效途径和具体方法。 2 作物数量性状基因图位克隆进展 2.1 已被成功克隆的作物 QTL 　　目前已报道被成功克隆的作物 QTL 有9个(表1)。其中水稻上的 Hd1、Hd6、Hd3 和 Ehd1 都与抽穗期有关；玉米的 tb1 和 Dwarf8 分别控制株型和生育期；而番茄的 Brix9-2-5、fw2.2 和 Ovate 则分别作用于糖含量、果重和果形。从表1可以看出，用于作物 QTL 克隆的方法有3种，除 tb1 和 Dwarf8 分别通过转座子标签法和候选基因法被克隆外，其他 QTL 的克隆均采用图位法，可见目前图位克隆仍是作物 QTL 克隆的主要方法。 2.2 作物 QTL 图位克隆的基本原理和方法 　　图位克隆方法的主要原理是根据基因在图谱上的相对位置来克隆基因。目前利用该方法已经在多种生物中克隆到大量的主基因。在图位克隆中，QTL 的准确位置较难限定，但一旦控制目标性状的某个 QTL 被确定为单个孟德尔因子后，下一步的工作就与主基因没有多大区别。根据已有的文献报道，作物 QTL 图位克隆的基本程序可概括如下：首先利用初级作图群体对所研究的数量性状进行 QTL 初步定位，然后结合回交和分子标记辅助选择，对目标 QTL 进行前景选择，同时进行背景的负向选择，培育目标 QTL 的近等基因系 (Near-isogenic lines，NILs)、染色体片段替换系 (Chromosome segment substitute lines，CSSLs) 或导入系 (Introgressive lines，ILs)，再利用这些材料构建较大的次级分离群体，在目标区域设计特异性引物，对 QTL 进行精细定位，从而将目标 QTL 范围缩小到一个很小的基因组区域。在此基础上，可用染色体步移或着陆的方法构建覆盖目标区域的克隆重叠群，鉴定出该座位上的候选基因，并对候选基因序列特性和编码产物进行分析和预测；最后通过表达分析和互补测验等进行功能验证。下面以 Hd1 为例，说明目前作物 QTL 克隆的具体步骤和方法。 　　水稻中共有15个 QTL 与抽穗期有关，遗传作图将 Hd1 初步定位在控制光周期反应的 Se1 基因所在区域，因此认为 Hd1 可能是 Se1 基因座的等位基因，为了证实这一推测，Yano 等采用图位克隆法克隆了 Hd1。 　　第一步，Hd1 的精细定位与覆盖目标区域重叠群的构建：首先从籼稻品种 Nipponbare 和粳稻品种 Kassalath 构建的 BC3F2 (Nipponbare 作轮回亲本) 群体中选择携带杂合 Hd1 区域，其遗传背景主要为 Nipponbare 的植株进行自交，发展一个由9000个个体组成的分离群体 (BC3F3)；根据表型选择1505个早熟极端个体 (在 Hd1 区域带有纯合的 Kassalath 等位基因)组成301个基因池，检测到 Hd1 与2个侧翼标记 R167