甘薯遺傳作圖策略研究與展望

梁雪蓮謝振文

（1.仲愷農業工程學院生命科學學院，廣州 510225；2.仲愷農業工程學院農學院，廣州 510225）

甘薯遺傳作圖策略研究與展望

梁雪蓮1謝振文2

（1.仲愷農業工程學院生命科學學院，廣州 510225；2.仲愷農業工程學院農學院，廣州 510225）

甘薯分子遺傳圖譜的建立對甘薯分子育種技術體系的拓展和應用具有重要意義。當前，對甘薯分子遺傳圖譜的研究雖然取得一定的進展，但存在著很多技術瓶頸，如作圖策略應用和優化等。總結了甘薯經典和分子遺傳研究進展，剖析了甘薯分子遺傳圖譜作圖的3種方法與策略；探討和提出了提高甘薯作圖效率和質量的途徑主要是：優化作圖群體質量、克服偏分離、整合多群體間遺傳連鎖圖譜和選擇合適的分子標記類型；并指出染色體關聯在遺傳作圖中的重要性，提出甘薯分子育種領域亟待加強的方面，以期為今后甘薯精密分子圖譜的建立及基于分子圖譜的甘薯分子育種提供新的思路。

甘薯 遺傳圖譜 優化策略

甘薯［Ipomoea batatas（L.）Lam. ］是我國重要的低投入、高產出、耐干旱、耐脊薄、多用途的糧食、飼料和工業原料作物及新型的生物能源作物，甘薯在世界主要糧食作物產量中排名第7位，在我國僅次于水稻、小麥和玉米，居第4位［1］。甘薯在我國農業生產中占有重要的位置，在國家糧食安全和能源安全中起著非常重要的作用［2］。我國甘薯研究水平總體上處于世界先進水平，特別是推廣品種的產量水平、抗病能力、綜合性狀等在國際上均居于領先地位，但加工水平較低［3］。目前甘薯育種研究中廣泛存在雜交不親和、遺傳基礎狹窄、突變體嵌合體現象嚴重、育種手段單一等問題［4］。此外，由于甘薯的遺傳背景復雜，分子生物學研究進展遠遠落后于水稻、玉米等作物，分子生物技術在甘薯遺傳

改良上的應用潛力還很大［5、6］。

構建各種生物體的遺傳連鎖圖譜成為當今分子遺傳學領域的熱點之一［7］。分子遺傳圖譜的構建是系統研究植物基因組的基礎，也是深化、提高育種目標性狀檢測與選擇的重要依據；甘薯分子遺傳圖譜的建立對甘薯分子育種技術體系的拓展和應用具有重要意義。當前，甘薯分子遺傳圖譜的研究雖然取得一定的進展，但存在著很多技術瓶頸，如作圖策略應用和優化等［8］。討論和分析生物分子遺傳圖譜作圖策略的文獻為數不多，有林木［7］、水產生物［9］等。本研究重點分析和總結甘薯遺傳作圖策略和作圖效率提高的途徑，以期為今后甘薯精密分子圖譜的建立及基于分子圖譜分子育種提供新的思路。

1 甘薯遺傳研究

基于孟德爾提出的遺傳定律和摩爾根的連鎖理論的經典遺傳規律研究，主要是分析雜交后代分離群體的性狀分離比例，進而鑒定其基因的遺傳模式。100多年來，對植物遺傳規律的研究取得了顯著的進步，但由于甘薯是無性繁殖、高度異質性的六倍體植物，同時又具有自交不親和的現象，這給研究甘薯遺傳工作帶來不少困難［10］。甘薯經典遺傳研究基本都是通過雜交后代表現及與親本的相關性來推斷其遺傳趨勢等，主要在群體遺傳學、數量遺傳學等方面的研究有一定的進展。近年來，隨著分子標記技術的進步，基于分子圖譜的數量性狀位點（Quantitative trait locus，QTL）的研究也取得了一定的進展。

目前，甘薯基于性狀表型分析的經典遺傳規律研究有遺傳效應［11］、聚類分析［12］、遺傳多樣性［13］、關聯度分析［14］和遺傳趨勢［15］等；基于分子標記的遺傳規律研究有遺傳多樣性及遺傳趨勢［16，17］、抗莖線蟲病基因遺傳分析［18］和基于甘薯分子圖譜的淀粉含量等QTL定位［19，20］。

2 甘薯分子遺傳圖譜作圖方法與策略

甘薯分子遺傳圖譜構建是基因組研究的重要內容，它是基因定位、基因克隆、分子標記輔助選擇以及功能基因組研究的基礎。遺傳圖譜構建的理論基礎是基因或分子標記間根據其在染色體間的自由組合來確認連鎖群，以及根據同源染色體非姐妹單體間的交換和重組率的不同來界定基因或分子標記的位置和距離。由于同源染色體減數分裂過程中發生交換，交換的結果是染色體上的基因發生重組，兩個基因之間發生重組的頻率取決于它們之間的相對距離。因此，只要準確地估算出交換值，進而確定基因在染色體上的相對位置，就可繪制連鎖遺傳圖［21］，遺傳作圖一般是通過兩點測驗和三點測驗進行［22］。第一張分子標記遺傳圖譜建立于1988年［23］，隨后，各種生物的分子標記遺傳圖譜陸續問世，其分子標記作圖理論和方法愈加豐富和完善。目前基于甘薯遺傳特性的作圖理論基礎是擬測交策略、單劑量位點策略和六倍體遺傳屬性的作圖新方法。

2.1 雙擬測交策略

雙擬測交［24］策略最初主要應用于林木等多年生異交植物。由于林木的遺傳組成高度雜合，一般都有自交不親和、近交衰退現象，不太可能如一年生作物利用近交系或其他高世代群體進行遺傳構圖。因此，在林木的圖譜構建過程中發展出來一種策略，即雙假測交。在雙假測交構想中，對于父本表現為雜合而對母本表現為純合的標記用于父本作圖，對于母本表現為雜合而對父本表現為純合的標記用于母本作圖。對于父、母本均表現為雜合的標記可用于確定雙親連鎖圖中的同源連鎖群。具體做法是以親緣關系相對較遠的雜合親本交配所得的F1為作圖群體，因親本雜合，許多位點在F1中即發生分離，用這些分離的位點模擬近交系中的回交位點的分離與重組作圖，對每一個親本進行單獨的連鎖分析；房經貴等［25］利用雙雜合位點標記資料構建芒果遺傳圖譜，提出的利用雙雜合位點構建果樹遺傳圖譜的策略，簡便易掌握，適用于雜合親本雜交后代的遺傳分析。

高度雜合的生物基于雙擬測交作圖理論的應用研究較為活躍，已廣泛應用于林木［26］、魚類［27］、無性繁殖作物木薯［28］和甘薯［19，29］等。甘薯是遺傳高度雜合、自交不親和的無性繁殖作物，難以獲得純系并由兩個純系雜交產生常規的F2代及不斷自交純合的近交系。但是由兩個雜合親本雜交而產生的F1代，由于親本存在著單雜合位點和雙雜合位點，根據雙擬測交的原理，F1代可以作為回交群體或F2

群體進行分析和作圖，且甘薯雜交得到的F1代可以用無性繁殖的方法永久保存，現有的甘薯分子遺傳圖譜都是基于雙擬測交作圖理論而建立的。

2.2 單劑量位點策略

傳統的遺傳圖譜作圖方法主要是應用由兩個二倍體親本雜交得到的F1代的衍生系，如BC1、F2、RILs及雙單倍體（DH）等，或是基于雙擬測交策略的“假”BC1或F2；對于多倍體而言，由于其多個同源和異源染色體及多個復等位基因導致的減數分裂的復雜性，導致常規的基于二倍體分離模式的遺傳作圖方法失效或是失準。1992年，Wu等［30］提出一個簡單的方法構建同源多倍體圖譜，即利用單劑量位點（Single dose alleles，SDAs）檢測和估計分子標記間的連鎖距離，單劑量位點的檢測原則上利用的是回交群體。SDAs 在配子體中的分離情況為1∶1（有∶無），利用卡方檢驗首先淘汰不按1∶1分離的標記，再用所有親本的單劑量位點遺傳作圖。蒲志剛等［31］利用甘薯高淀粉品種綿粉一號與甘薯低淀粉品種紅旗四號雜交F1代分離群體，只選用符合1∶1分離比例的分子標記，構建出連鎖圖包括130個AFLP標記和13個連鎖群；吳潔等［32］建立的甘薯21個SRAP標記和9個連鎖群的遺傳圖譜也是選用符合1∶1分離比例的分子標記得到的。

2.3 甘薯多倍性與遺傳作圖

甘薯是六倍體，由于多倍體物種減數分裂時期存在的特殊細胞學現象，即同源染色體雙減數分裂及異源染色體配對傾向性，使得傳統的連鎖分析模型不能精確適用于甘薯等多倍體物種。目前的做法是簡單化處理，對于同源多倍體的同源染色體相互間的配對概率視同一樣；異源多倍體的非同源染色體間視為沒有配對的可能性和傾向性。兩個甘薯品系雜交的分離比例是根據Jones等［33］提出的假設來區分出單、雙、三顯性的遺傳模式，隨后利用單顯性標記和雙單顯性分別構建和整合父母本遺傳圖譜的框架圖。

近年來，多倍體遺傳圖譜的制作越來越受到遺傳及育種學者的重視，不斷被提出構建專門用于多倍體連鎖分析的統計模型［34］，考慮多倍體物種生殖特有的細胞生物學現象，這些模型不僅提供了用于多倍體遺傳作圖的統計學工具，還能提供對探索多倍體起源與進化非常有價值的信息，在一定程度上推動了多倍體遺傳圖譜構建、遺傳改良與遺傳進化相關領域的研究。呂亞非［34］分別建立了應用于同源四倍體和異源四倍體的基于三點連鎖分析的統計學模型，旨在力圖整合多倍體物種有性生殖時染色體配對的特殊性和可能性，不僅可以對四倍體染色體組標記間的連鎖進行準確的估算與檢測，同時也能夠獲得衡量四倍體特有細胞生物學現象的參數，六倍體連鎖分析的統計學模型也可根據上述思路構建。

對甘薯的多倍性研究尚存疑問，更精確的遺傳圖譜有賴于基于甘薯六倍體連鎖分析新統計模型的發掘和應用。

3 提高甘薯作圖效率和質量的途徑

甘薯遺傳圖譜質量包括密度、飽和度和均勻度等，提高甘薯作圖效率和質量有以下的途徑。

3.1 作圖群體質量

作圖群體影響甘薯的作圖效率主要與群體類型和群體大小有關。徐云碧［35］認為作圖群體要獲得無偏的重組率、均值和方差估計值，采用矩估計法時，要求樣本容量要大于1 000，而采用最大似然法一般只要求樣本容量要大于300；田敏等［36］認為，為了達到相當的作圖精度，所需要的作圖群體的大小順序為F2＞RIL＞BC1和DH；譚遠德等［37］等根據位點組合和位點的有效性，發展了一種對使用3 種不同的作圖群體作圖顯隱性分子標記的作圖效率評價方法，應用該方法評價的結果是，雙單倍體（DH）群體的作圖效率最高，F2群體與回交群體的作圖效率相同。因此使用雙單倍體群體作圖不僅所用費用低，而且作圖速度快；但只有在極少數植物中能快捷地獲得雙單倍體群體，對于那些難以獲得雙單倍體的動植物物種而言，可使用自交群體或回交群體作圖。如果作高密度的分子標記連鎖圖譜，則使用自交群體要優于回交群體，因為回交群體作圖的位點僅僅是由非回交親本提供的，而單一親本的基因組中可檢測的標記位點是有限的。

為了提高甘薯的遺傳作圖效率，比較有效的方法是提高F1作圖群體的樣本數到300個以上。此外

還可通過普通甘薯品種的花粉培養和染色體加倍的途徑培育遺傳純合的品系，并以遺傳不同來源的純合品系雜交得到F1，再采用F1花粉培養加倍的方法構建出加倍單倍體（DH）群體。

3.2 偏分離原因及克服方法

偏分離是指觀察到的基因型比例偏離預期的孟德爾分離頻率方式，無法用傳統的遺傳理論和方法加以分析。偏分離被認為是一種重要的進化動力，是影響遺傳作圖準確性的原因之一，偏分離可以影響標記間的重組距離，也影響連鎖群上標記的順序，進而影響QTL定位［38］。形成偏分離的原因有偏分離熱點區域、遺傳搭車效應、不同標記類型和群體類型［39］。

單、雙假測交是克服自交不育植物偏分離現象對遺傳圖譜構建不利影響的較好途徑［40］。對甘薯遺傳作圖而言，采用遺傳距離適中的品種間雜交F1的無性繁殖系作為作圖群體是有效克服偏分離現象的途徑之一。

3.3 多群體間遺傳連鎖圖譜的整合

由于受遺傳背景的限制和雜交親和性的影響，單一作圖群體的多態性較低。為得到高飽和度的遺傳連鎖圖譜，圖譜整合是彌補單一作圖群體因分子標記多態性的局限而難以構建高密度圖譜的有效方法［41］。周斌等［41］整合了大豆4個遺傳圖譜，以各圖譜共有SSR標記作為錨定標記，使用JoinMap3.0進行圖譜整合，得到一張包含20個連鎖群、795個分子標記、總遺傳距離2 772.9 cM、平均間距3.49 cM的整合圖譜。鞏鵬濤等［42］基于“錨定SSR標記”作圖策略，利用大豆2個F2群體，選用592對SSR 引物，在宛煜嵩等［43］利用重組自交系群體構建的含有227個SSR標記的圖譜的基礎上進行整合，整合后的圖譜新增加了87個SSR 標記，總長度達1 951.8 cM。

甘薯的聚類分析表明［44］，親源不同的品種之間親緣關系較遠，遺傳背景差異較大；今后可根據甘薯遺傳作圖的目的，選取當家品種做骨干親本，再根據親緣關系和雜交親和程度，雜交組建多個F1群體用于遺傳作圖，并以骨干親本為基準，整合多個群體的遺傳圖譜，這將是今后甘薯高密度遺傳圖譜構建的重要途徑。

3.4 分子標記類型與作圖效率

已發表的甘薯遺傳圖譜構建使用的分子標記有RAPD、AFLP、SRAP和SSR等；SSR標記具有共顯性、多態性豐富、重復性好、實驗周期短、在植物基因組中分布廣等眾多優點，已成為構建作物遺傳圖譜的首選分子標記［45］。基于染色體組特異片段的ETS-SSR標記，因其位點密集、位點專一，且具有通用性，這類標記在甘薯上的開發已得到重視［46］，深入挖掘和開發甘薯ETS-SSR標記可顯著提高甘薯高密度精確圖譜構建的速度和質量。只采用一種類型的標記很難構建覆蓋全基因組的遺傳連鎖圖譜，多種分子標記的聯合運用增加標記的數量，將為建立一個比較飽和的連鎖圖譜奠定良好基礎。

3.5 作圖軟件與甘薯遺傳圖譜

甘薯遺傳圖譜建立已采用過的軟件有WinQTL、JoinMap等多種軟件。王源秀等［47］利用不同的作圖軟件構建楊樹的遺傳圖譜時認為，不同的作圖軟件構建的遺傳圖譜具有不同的優缺點。伴隨計算機技術和智能算法的發展，已提出了多種多樣的植物遺傳作圖的軟件用于生物遺傳作圖，如CarthaGene、Mapmaker、G-Mendel、ManagerQTX和Joinmap等［48］。隨著構建遺傳圖譜新方法的不斷涌現和遺傳圖譜數量的增加，新的作圖專業軟件開發和更新倍顯重要［49］，但是對同源多倍體系統來說，作圖的軟件工具仍十分匱乏［48］，甘薯的精確遺傳圖譜的建立需要更加有針對性的作圖軟件的支持。

4 討論

4.1 染色體關聯與遺傳作圖

明確特定的分子標記在連鎖群上的位置分布是遺傳圖譜間關聯的重要環節。這些研究是基因定位、基因克隆、分子標記輔助選擇以及功能基因研究的基礎。因此，構建遺傳圖譜并與染色體進行關聯具有重要意義。原玉香等［50］利用SRAP、SSR、AFLP、STS、ESTP和CAPS 等多種分子標記和形態標記構建大白菜遺傳圖譜，通過其中的38個SSR、4個ESTP和2個STS標記將各個連鎖群與國際上認可的參照連鎖群相關聯。

甘薯的多倍性、核型等信息尚存巨大空白，今

后在精密遺傳圖譜的建立基礎上，借助錨定標記確認甘薯連鎖群將具有重要的理論價值和生物學意義。

4.2 甘薯分子遺傳育種

甘薯是重要的作物，目前的QTL研究主要集中在淀粉含量等性狀上［8］。今后甘薯的分子遺傳與分子育種研究應加強以下幾方面：一是繼續開展多方面的QTL研究，特別是產量性狀等；二是開展基于遺傳圖譜的質量性狀的遺傳模式分析、基因精密定位和克隆等研究；三是建立和完善基于標記輔助選擇等技術的甘薯分子育種體系。

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（責任編輯 狄艷紅）

Research Progress and Prospect on the Genetic Mapping Strategy of Sweet Potato

Liang Xuelian1Xie Zhenwen2
（1. College of Life Sciences，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225；2. College of Agronomy，Zhongkai University of Agriculture and Engineering，Guangzhou 510225）

The establishment of the sweet potato molecular genetic map is of great significance on development and application of molecular breeding technology system. At present, while studies of sweet potato molecular genetic mapping have being made certain progress, still there are a lot of technical bottlenecks, such as application and optimization of mapping strategy. The paper firstly summarized the genetic research progress of sweet potato in both classical and molecular aspects；and three methods and strategies of molecular genetic mapping on sweet potato were analyzed in detail；then the approaches of improving efficiency and quality of sweet potato mapping were discussed, including optimizing the quality of mapping groups, overcoming the partial separation of progeny, integrating genetic linkage maps derived from different groups, and choosing appropriate molecular markers；finally, the importance of chromosome association in genetic mapping was emphasized, and what need to be enhanced in the field of molecular breeding was also put forwarded. All of these were in order to establishing a precise molecular graph and providing new ideas on sweet potato molecular breeding using genetic map.

Sweet potato Genetic map Optimization strategy

2014-02-19

梁雪蓮，女，博士，教授，研究方向：農作物基因工程和分子標記；E-mail：liangxuelian2005@sina.com

謝振文，男，教授，碩士生導師：研究方向：作物育種和分子標記；E-mail：xiezhwen@163.com