第九章、数量性状遗传分析.ppt

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1、第九章、数量性状遗传分析,学习要点： 1. 相关概念：数量性状；阈性状；回归系数；累加效应；显性效应；上位效应；遗传率；同型交配；异型交配；近交系数；杂种优势. 2. 多基因假说的原理及应用； 3. 简单的统计学分析及应用； 4. 数量性状遗传率的分析； 5. 数量性状的基因定位（QTL) 6. 近交与杂交的遗传效应分析； 7. 杂种优势的显性学说和超显性学说,第一节 数量性状及其特性,一、数量性状的概念及其基本特征 1.概念：与质量性状相比较而言，连续变异的性状称为数量性状(quantitative traits)，又分为连续变异性状和阈形状(threshold traits). 2.数量性

2、状的特征 与质量性状的差异，一个基因控制多个形状，而一个性状又由多个基因共同控制，多基因之间表现出累加效应。eg. 五个基因座控制一个性状： 每个基因座有3种基因型(+/+-/-)，共35= 243种基因型、11种表型: (+/+,+/+-, ,-/-) 环境影响可使相同的基因型有不同的表型,数量性状与质量性状的差异,数量性状,阈值性状遗传,二、数量性状的多基因遗传,1.多基因假说的实验基础，说明如下： 籽粒颜色由3对基因控制，F2其中 A组一对基因单独分离； B组两对基因分离； C组三对基因同时分离 F2中籽粒颜色可细分： A组1/4红；1/4中红；(1/4 白)； B组1/16深红；4/1

3、6次深红；6/16中红；4/16淡红；(1/16 白) C组1/64极深红；6/64深红；15/64；20/64；15/64；6/64；（1/64 白） 红色的深浅与基因的数目有关，而与种类无关,B组实验F2代颜色的分离比,返回,基因型相同时变异由环境决定,归纳上述实验结果： 符合二项展开式(杨辉三角) A组(1/2R+1/2r)2, 一对基因控制 B组(1/2R+1/2r)4, 两对基因控制 C组(1/2R+1/2r)6, 三对基因控制,数量性状的多基因遗传,多基因假说的要点：（multiple factor hypothesis,数量性状是许多对基因共同作用的结果 每一对基因对性状表型的表

4、现所产生的效应是微效的 微效基因的效应是相等，而且相互累加 微效基因显性不完全 微效基因对环境敏感,三 阈性状及其特性 1、常见的多基因遗传病：哮喘、精神分裂症、原发性高血压、消化性溃疡、II型糖尿病、冠心病、癫痫、动脉粥样硬化等。 2、多基因遗传病的易感性、易患性和阈值： 易感性：由遗传因素所决定的一个个体得多基因遗传病的风险。 易患性：由遗传因素和环境因素共同作用下一个个体得多基因遗传病的风险。 大多数个体的易患性在平均值附近，易患性很高或很低的个体很少,阈值：当一个个体的易患性达到一定的限度就得病，这个限度就称为阈值,阈值,群体发病率,第二节 数量性状遗传分析的统计学基础,一、平均数（a

5、verage）： 1.算术平均数 表示观察样本的集中程度： 公式： X, 2.加权平均数 利用样本中随机变量的分布频率表示平均数： 公式,二、方差（variance）与标准差（standard eviation）: 表示偏离平均数的变异程度. 1.方差： 样本方差: S2 总体方差: 2 2.标准差： s,例题：57个玉米穗 长度(cm， x ) 5 6 7 8 观察数(个 ) 4 21 24 8 平均数 5x4+6x21+7x24+8x8 57 =6.63,方差：变数与平均数的偏差的平均平方和。 积加X2=52x4+62x21+72x24+82x8 =2544 积加X5x4+6x21+7x2

6、4+8x8=378 n=57 S2= 2544(378)2 571 0.67,三、直线相关与回归 (1)直线相关: rxy度量变量x和y之间的相关程度. (2)协方差: covxy度量相关变量x和y共同变异的程度. (3)回归系数 一个变量变异时另一个变量的变异程度 byx:表示x变化一个单位后y改变的单位数; bxy:表示y变化一个单位后x改变的单位数,微效基因的作用方式,1、累加作用(cumulative effect) 每个显性微效基因的作用以一定的数值 e 与纯隐性亲本的表型值(无效基因的基本值)相加。 所以,纯显性亲本的表型值是群体中的上限表型值；纯隐性亲本的表型值是群体中的下限表型

7、值。 每个显性微效基因的表型值 e = （上限表型值 -下限表型值）/ 基因数,2、倍加作用(product effect) 每个显性微效基因的作用以一定的数值 e 与纯隐性亲本的表型值相乘。 上限表型值 = en 下限表型值 每个显性微效基因的表型值 e = 基因数n上限表型值 / 下限表型值 式中，n为纯显性亲本中微效基因的个数,多基因效应的累加方式,算术平均数累加 子一代表型是两个亲代的算术平均数。 累加效应 纯合显性表型纯和隐性表型 显型显性有效基因数,增效基因累加值： 742 4 每个增效基因是18cm； AAAA: 2+18 x 4=74 AAAa: 2+18 x 3=56 AAa

8、a: 2+18 x 2=38 Aaaa: 2+18 x 1=20 aaaa: 2,多基因效应的累加方式,几何平均数累加 子一代表型是两个亲代表型乘积的平方根。 累加效应F1表型/2的平方根。 例题： 杂交同上 F1 穗长： 74X212.2,每个增效基因值：12.2/2=2.47cm AAAA: 2 x 2.474=74.2 AAAa: 2 x 2.473=30.1 AAaa: 2 x 2.472=12.2 Aaaa: 2 x 2.471= 4.9 aaaa: 2,环境与基因型形成的变异,亲本选择繁殖,选择差异与遗传率,数量性状的遗传率,表型方差 = 遗传（基因型）方差 + 环境方差 VP =

9、 VG + VE 其中VG = VA + VD VA：加性方差, 由基因的相加效应所产生的方差 VD：显性方差，基因在杂合状态时的显性效应所产生的方差,广义遗传率h2遗传方差/表型方差 VG /VG+VE 狭义遗传率h2N相加遗传方差/表型方差 VA /VG+VE,第三节 数量性状的遗传率,遗传率的定义,广义遗传率： 狭义遗传率,一对基因A，a，它们的3个基因型的平均效应是：AA，a；Aa，d；aa，-a,AA,Aa,aa,O,a,a,d,AA，Aa，aa性状计量的模式图，O点表示两亲代的中间值，杂合体Aa位于O点的右方，表示A为部分显性,F2平均值和遗传方差的计算,F2的遗传方差VG=x2-

10、(x)2=1/2 a2+1/4 d2,由定义： 广义遗传率：H2=VG/VP=(VF2-VE)/VF2 =(1/2VA+1/4VD)/(1/2VA+1/4VD+VE,由于两亲代为纯合体，基因型相同，表型的变异可看作均来自环境的影响，所以： VE=(1/2) X (VP1+VP2)或VE=(1/3) X (VP1+VP2+VF1,如果控制同一性状有n对基因：A,a;B,b;N,n 则F2的遗传方差: VG=1/2 aa2+1/2 ab2+1/2 an2 (VA) +1/4 da2+1/4 db2+1/4 dn2 . (VD) 设：VA为加性效应产生的方差 VD为显性效应产生的方差 则表型方差VF

11、2=1/2 VA+1/4 VD+VE（表型方差可由观察值来计算。,如果控制同一性状有n对基因：A,a;B,b;N,n 则F2的遗传方差: VG=1/2 aa2+1/2 ab2+1/2 an2 (VA) +1/4 da2+1/4 db2+1/4 dn2 . (VD) 设：VA为加性效应产生的方差 VD为显性效应产生的方差 则表型方差VF2=1/2 VA+1/4 VD+VE（表型方差可由观察值来计算。,广义遗传率：h2=VG/VP=(VF2-VE)/VF2,VE=(1/2) *(VP1+VP2)或VE=(1/3)* (VP1+VP2+VF1) 例题：玉米穗长度 57个 世代 P1 P2 F1 F2

12、 S2 0.67 3.56 2.31 5.07 h25.07(0.67 + 3.56 + 2.31 )/3 5.07 57,狭义遗传率：h2=VA/VP=(1/2 VA）/VF2,要求出VA,需用F1个体回交两个亲本： F1(Aa) X P1(AA)得B1; F1(Aa) X P2(aa)得B2。 B1,B2的表型方差分别计算如下,B1的平均数和遗传方差的计算(AA X Aa,B1的遗传方差：VB1= (a2+d2) (a+d)2 =1/4* (a-d)2,B2的平均数和遗传方差的计算Aa X aa,B2的遗传方差：VB2= (a2+d2) (d-a)2 =1/4* (a+d)2,1/4 VA

13、 = V F2 1/2(VB1 + VB2,由VB1,VB2可分离出加性方差VA,B1,B2遗传方差的平均值： （VGB1+VGB2）=1/4 (a2+d2) （VB1+VB2）= VA+ VD+VE 而F2的表型方差 VF2= VA+ VD+VE 由上述二式即可求出VA,进而求出狭义遗传率,狭义遗传率h2VA /VG+VE 世代 小麦抽穗期 表型方差 P1 13 11.04 P2 27 10.32 F1 18.5 5.24 F2 21.2 40.35 B1 15.6 17.35 B2 23.4 34.29,（VB1+VB2）= VA+ VD+VE (17.35 + 34.29 ) 25.82

14、 VA VF2 （VB1+VB2） 40.35 25.82 = 14.53 VA VA+ VD+VE 2 X ( 14.53 )/40.35 72,遗传度的估算,Falconer公式,Xg一般群体易患性平均值与阈值之间的标准差数 Xc对照组亲属中的易患性平均值与阈值之间的标准差数 Xr先证者亲属易患性平均值与阈值之间的标准差数 ag一般群体易患性平均值与一般群体中患者易患性平均值之间的标准差数 r亲属系数 ar先证者亲属易患性平均值与先证者亲属中患者易患性平均值之间的标准差数 qg一般群体发病率 qc对照亲属发病率，Pc=1- qc qr先证者亲属发病率,例题1,先天性房间隔缺损在一般群体中的

15、患病率为0.1，在100个先证者的家系中调查，先证者的一级亲属共有 669人(双亲200人，同胞279人，子女190人)，其中有22人发病,先证者一级亲属的患病率226691003.3 查Falconer表，按群体患病率查得Xg和ag，再根据亲属患病率查得Xr，然后代入公式求出b值。 q%=0.1 X=3.090 a=3.367 q%=3.3% X=1.838 b=( 3.090-1.838)/3.367=0.37 r=0.5 0.37/0.5=74,例题2,江苏启东调查结果：肝癌一级亲属6591人，359人发病，q=5.45%，对照组5227名一级亲属，54人发病，q=1.03,q=5.45

16、%， X=1.603 q=1.03%，X=2.315 a=2.655 P=1-q=10.0103=0.987 b=0.2654 h2=b/r=0.2654/0.5=0.53=53,Holzinger公式,Holzinger公式 CMZ一卵双生子的同病率 CDZ二卵双生子的同病率,例题,对躁狂抑郁性精神病的调查表明，在15对单卵双生子中，共同患病的有10对；在40对双卵双生子中，共同患病的有2对。依此来计算单卵双生子的同病率为67，双卵双生子的同病率为5。代入上式,影响多基因遗传病再发风险估计的因素,患病率与亲属级别有关,对遗传率的几点说明,遗传率是一个统计学概念，是针对群体，而不是用于个体；

17、遗传率反映了遗传变异和环境变异在表型变异中所占的比例，遗传率的数值会受环境变化的影响； 一般来说，遗传率高的性状较容易选择，遗传率低的性状较难选择,第四节 近亲繁殖与杂种优势,一 近交与杂交 杂交(crossbreeding):基因型不同的纯合子之间的交配，又称异型交配(nonassortative mating)。 同型交配(assortative mating)：相同基因型之间的交配。 近交(inbreeding)：完全或不完全相同的基因型之间的交配。 近交又分为：全同胞（同父母兄妹）、半同胞（同父异母兄妹）、表兄妹、祖孙等交配。植物中的自交(selfing or self fertili

18、zation,二、近交与杂交的遗传效应,1. 近交使基因杂合，杂交使基因纯合。 2. 近交使群体分化，杂交使群体一致。AAaaAaAA+Aa+aa 同型交配 AA: 递增 Hn=Hn-1+(1/2)n+1, H=(2n-1)/2n+1 1/2 Aa: 按Hn=(1/2)Hn-1递减, H0=1则Hn=(1/2)n aa: 递增Hn=Hn-1+(1/2)n+1, H=(2n-1)/2n+1 1/2 3. 近交降低基因型值的平均数，杂交提高群体均值。 4. 近交加选择是提高杂种优势的重要手段,2.近交系数与血缘系数及其计算 (1)近交系数(coefficient of breeding)：某一个个

19、体从祖先得到一个纯合的、而遗传上等同的基因的概率。用F表示。 (2)血缘系数(coefficient of relationship): 个体间血缘关系远近的程度。用Rxy表示 (3)近交系数的的计算 通经分析法 通经：连接结果与原因的每一条箭头 通经链：连件两亲缘个体之间完整的通路 血缘系数：Rxy=(1/2)L, L通经链的箭头数 近交系数：F=R1/2= 1/2 (1/2)L= (1/2)L+1 计算同胞兄妹、同父异母兄妹、叔侄、表兄妹、祖孙等之间的血缘系数和近交系数,近亲繁殖和杂种优势,近交和近交系数 近交系数（F）：一个个体从其某一祖先得到一对纯合的、且遗传上等同的基因的频率。 近交

20、系数的计算 （利用家系图,P1,a1a2,a3a4,P2,B1,B2,s,在a1，a2，a3，a4四个基因座位上，S至少得到一对纯合子的概率（即近交系数）为：F=4（1/2）4,近交系数计算举例,表兄妹结婚所生子女的近交系数： F =4*（1/2）6=1/16,a1a2,a3a4,P1,C1,P2,C3,C2,C4,B1,B2,S,性染色体基因的近交系数 男性伴性基因传递给女儿的机会是1。 家系中出现两个连续传代的男性，伴性基因中断传递,伴性遗传基因近交系数计算举例,表兄妹结婚所生子女的近交系数： F =（1/2)3 + 2( 1/2)5 =1/16,X1Y,X2X3,P1,C1,P2,C3,

21、C2,C4,B1,B2,X1X1 X2X2 X3X3,伴性遗传基因近交系数计算举例,表兄妹结婚所生子女的近亲系数： F=0,X1Y,X2X3,P1,C1,P2,C3,C2,C4,B1,B2,S,平均近交系数（mean coefficient of inbreeding,衡量群体中血缘关系程度或近交的流行程度。 近交婚配数子女与近交系数的乘积 总婚配数子女 例如：100个人的群体，其中5人是表兄妹婚配所生，7人是从表兄妹的婚配所生，计算该群体的平均近交系数。 5 X 1/16 + 7 X 1/64 100 =0.0042,1980年 近亲婚配率 平均近交系数 延吉朝鲜族 0 0 北 京 1.4%

22、 6.65/10000 贵州布依族 3.5% 17.63/10000 贵州苗 族 16.24% 76.96/10000,近亲婚配的危害,如果近亲婚配中的祖先的有害基因是纯合隐性致病的基因，个体在群体中的携带有害基因的机会是概率事件，近亲婚配的子女的有病可能性是： Fq （1F）q2 说明： 来源于同一祖先的等同基因的概率是1/16q 不同来源的纯合基因的概率是15/16q2 总概率是：1/16q+15/16q2 =q2+ pq/16,三 杂种优势的遗传理论,1.显性学说: 双亲为对很多座位上的不同等位基因是纯合体，形成杂种后，显性的有利基因的效应积累起来，而隐性有害基因的作用被遮盖起来，出现明

23、显的优势,2.超显性学说: 杂种优势来源于双亲基因型的异质结合所引起的基因间相互作用。 a1 b1 c1 d1 e1 a2 b2 c2 d2 e2 P a1 b1 c1 d1 e1 a2 b2 c2 d2 e2 (1+1+1+1+1=5) (1+1+1+1+1=5) a1 b1 c1 d1 e1 F1 a2 b2 c2 d2 e2 (2+2+2+2+2=10,加一、数量性状遗传基因的定位： 1、传统的方法仅能分析控制数量性状众多基因的总遗传效应，但无法鉴别基因的数目、单个基因在基因组的位置和遗传效应。 2、分子遗传学的发展，通过基因分离、克隆，分子标记手段，定向诱变技术直接将数量性状基因定位在

24、染色体上。 分子标记连锁图谱数量性状基因位点(quantitativetrait loci，简称QTL)定位分析方法 估算数量性状基因位点数目、位置和遗传效应,QTL定位的基础是分子标记连锁图谱。 多态性分子标记不是基因，不存在遗传效应。 如分子标记覆盖整个基因组，控制数量性状的基因（Qi）两侧会有相连锁的分子标记（Mi-和Mi+）表现遗传效应。 分析表现遗传效应的分子标记推断与分子标记相连锁的数量性状基因位置和效应。 常用的QTL定位分析方法有,一、单标记分析法,通过方差分析、回归分析或似然比检验，比较单个标记基因型（MM、Mm和mm）数量性状均值的差异。 如存在显著差异 说明控制该数量性状

25、的QTL与标记有连锁。 单一标记分析法不需要完整的分子标记连锁图谱，是早期的QTL定位的主要研究方法,二、区间作图法（interval mapping，IM,Lander和Botslein（1989）提出IM定位方法。 方法：借助于完整的分子标记连锁图谱 计算基因组的任一相邻标记（Mi-和Mi+）之间存在和不存在QTL（Qi）的似然函数比值的对数（LOD值）。 当LOD值超过某一给定临界值 时，QTL的可能位置可用LOD 支持区间表示,三、复合区间作图法（composite interval mapping，CIM,Zeng（1993）提出了把多元线性回归与区间作图结合起来的CIM方法。 要点

26、：检测某一特定标记区间时，将与其它QTL连锁的标记也拟合在模型中以控制背景遗传效应。 方法：采用类似于区间作图的方法 可获得各参数的最大似然估计值 绘制各染色体的 似然图谱 推断QTL的位置,四 连锁不平衡与基因定位,连锁平衡：两个基因在随即交配群体中仍可达到遗传平衡，即等位基因组合是按照各自的频率自由组合，则为连锁平衡,加二: 基因数目的估计,1.根据群体中出现的极端类型比例估算基因数目,4n = F2总个体数/ F2中极端类型个体数,数量性状基因数的估计,4n = F2代个体总/ F2代中极端个体数 例如:获得子二代22016个子代，其中极端子代86 个，计算所涉及的基因数。 4n = 22016/86 n=4,2.根据公式估算最低限度的基因对数,N=(16.802-6.632)2/8(5.074-2.309)=4.7 5 最低涉及5对基因