双交F1及其衍生群体中的重组率估计、连锁图谱构建和基因定位方法研究

Genetic populations derived from multiple parents have been proposed and become more and more important now. But the corresponding methods of linkage analysis and gene detection have not been well studied. When there are four parents, double cross design is commonly used in plant genetics and breeding. In this project, we will focus on the genetic analysis methods in double cross F1 population, and derived doubled haploid (DH) and recombination inbred lines (RIL). Our objectives are (1) to derive the maximum likelihood estimation of recombination frequency; (2) to develop an efficient algorithm for linkage map construction; (3) to develop the genetic and statistic analysis method for gene detection of quantitative traits. Simulation study will be conducted to demonstrate the efficiency of these methods. Functionalities for map construction and gene detection in double cross F1 and derived populations will be implemented in the software QTL IciMapping. These methods will be applied in two or three actual double cross F1 and derived populations. Outcomes from this project will provide useful information for the genetic analysis in populations derived from more parents. In many clonal species, the F1 hybrid between two varieties can be viewed as a double cross F1 population. So the outcomes from this project can be directly used for the genetic study in many clonal species, such as potato, sweet potato, trees and flowers.

近年来利用多亲本衍生群体开展遗传研究的重要性日益突出，但多亲本群体中遗传连锁分析和基因定位方法还不完善。作物育种中涉及四个亲本时，双交设计是一种常用的交配方式。本项目将对双交F1及其衍生加倍单倍体和重组近交家系群体的遗传分析方法进行系统研究，具体内容包括重组率估计、连锁图谱构建与整合以及基因定位方法，利用模拟群体验证这些方法的有效性，在软件QTL IciMapping中实现双交F1及其衍生群体连锁图谱构建和基因定位功能，并将这些方法应用于二至三个真实双交F1或其衍生群体。本项目研究结果将为更多亲本衍生遗传群体的分析方法提供借鉴；在无性系繁殖的物种中，两个品种间杂交产生的F1群体可以看作一个双交F1群体，因此本研究的结果还可为无性系繁殖物种（如马铃薯、甘薯、以及大量的林木和花卉等）的遗传研究提供有效方法和工具。

克隆物种的遗传研究通常基于由两个杂合的克隆系杂交产生的克隆F1后代。在自花授粉和异花授粉物种中，当作物育种涉及四个亲本时，双交设计是一种常用的交配方式。这两类群体在遗传结构上具有共性，克隆F1群体在连锁相确定的情况下可视为一种特殊的双交群体。本项目对克隆F1和双交群体进行了系统的遗传分析方法研究，主要内容包括重组率估计、连锁图谱构建、基因定位方法研究及软件开发。重组率估计方面，根据每个标记中亲本的等位基因个数及后代的基因型个数划分标记类型。基于不同标记类型下各标记型的理论频率，推导出了三组重组率的极大似然估计。当极大似然估计没有显式解时，利用牛顿迭代获得数值解。连锁图谱构建方面，利用估计出的两点间重组率，分别构建雌亲、雄亲和联合三组遗传连锁图谱。其中排序时使用最小邻居法构建初始图谱，利用Two-opt改进图谱。与JoinMap4.1、R程序包OneMap和R/qtl的比较结果表明，本研究中的方法可在更短的时间内得到更准确的连锁图谱。基于连锁图谱和估计出的重组率，构建雌亲和雄亲的四条单倍型。基因定位方面，理论推导可知，克隆F1和双交群体中QTL的显性效应会引起标记间的互作。因此，利用同时包含标记和标记乘积变量的完备线性模型来完全控制QTL的加显性效应。基于完备区间作图（ICIM）思想进行有背景控制的QTL作图。利用大量模拟双交群体以及与简单区间作图（IM）、复合区间作图（CIM）、多QTL模型（MQM）的比较来验证该方法的有效性。该方法的检测功效和假阳率都优于IM、CIM和MQM，此外，QTL位置和效应的估计都是无偏的。最后将该方法应用于一个真实的玉米双交群体。基于相关理论研究成果，开发了克隆F1和双交群体遗传分析软件Genetic analysis of clonal F1 and double cross（简称GACD），该软件可用于这两类群体的连锁图谱构建和QTL定位，软件可从网站www.isbreeding.net免费下载。本项目从连锁图谱构建、QTL定位方法研究到软件开发，实现了克隆F1和双交群体遗传分析的通路，为这两类群体的遗传研究提供了有效的方法和工具。