關聯分析在植物遺傳學中的應用

王云云（黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319）

關聯分析在植物遺傳學中的應用

王云云
（黑龍江省科學院大慶分院，黑龍江 大慶 163319）

近年來，關聯分析作為一種分析方法，在植物數量性狀關聯作圖、功能基因鑒定和植物育種中得到廣泛應用。本文介紹了關聯分析的原理、特點、基本策略及在植物遺傳學中的應用。

關聯分析；連鎖不平衡；數量性狀

關聯分析，亦稱連鎖不平衡作圖或關聯作圖，是研究復雜數量性狀的遺傳學方法，以連鎖不平衡（LD）為基礎，鑒定某一群體內目標性狀與遺傳標記或候選基因關系的分析方法，與QTL定位不同，不需要構建作圖群體，就可實現同時對多個性狀的分析。

1　關聯分析的原理和特點

關聯分析的基礎是連鎖不平衡（linkage disequilibrium，LD），亦稱為配子相不平衡（gametic phasedisequilibrium）、 配 子 不 平 衡（gametic disequilibrium）或等位基因關聯（allelic association），是指群體內不同座位等位基因 （可以是標記亦可是基因/QTL間與標記）間的非隨機關聯［1］。特點和優勢：第一，以自然群體為材料，無須構建作圖群體，極大減少了基因定位周期。第二，通過統計群體的多個性狀信息和基因組信息，可實現多個基因定位，而連鎖作圖只能定位一對相對性狀。第三，關聯分析作圖群體的群體結構具備豐富的遺傳多樣性、有代表性，這樣定位精度和有效性才能得到保障，避免假陽性，同時可以采用去除假陽性的方法，提高作圖的準確性［2］。

2　關聯分析的應用

2.1關聯分析與植物QTL定位的研究

關聯分析在植物QTL定位研究中應用最多，先后有20余種植物進行了產量和質量性狀與QTL的關聯分析研究，主要有玉米、甜菜、擬南芥、高粱、小麥［3-6］、冬小麥、大麥、馬鈴薯、大豆［7-8］、小豆［8］、芝麻［9］、香菇、水稻［10］、火炬松、甘蔗、桉樹、燕麥草、珍珠栗、亞麻、西瓜［11］、菊花和繡線菊等［12-14］。2011年，郝德榮等對大豆基因組中控制大豆產量相關性狀的功能基因/QTL進行了研究，將連鎖作圖同關聯分析相結合，成功檢測到40個標記位點與產量相關性狀顯著關聯，進一步增加了大豆基因圖譜的精度［15］；賴勇［16］利用SSR標記分析了113份大麥親本材料的遺傳多樣性及群體遺傳結構，共找到了15個分別與株高、穗長、芒長、穗粒數和小穗著生密度相關聯的分子標記，同時將這些標記定位于相應的染色體上。關聯分析在花卉等觀賞性植物中研究應用較少，2012年，李仁偉等在菊花品種表型性狀與SRAP分子標記的關聯分析中，利用篩選出的19對SRAP引物對58個典型大菊品種進行多位點掃描分析，獲得了18個菊花重要表型性狀進行關聯分析結果，發現有6個標記位點與5個性狀關聯［17］。在野生香菇數量性狀與SSR分子標記的關聯分析的研究中，選擇全國14個省份的香菇93個野生菌株和1個栽培菌株為研究群體，利用34對SSR分子標記，對香菇13個數量性狀與SSR分子標記進行關聯分析研究，得到了主要數量性狀相關的標記，同時對野生香菇的遺傳多樣性及群體結構進行了分析［18］。在水稻關聯定位群體的構建及若干品質性狀的管理分析研究中，以粕粳交窄葉青8號/京系17的加倍單倍體 （DH）群體及其分子圖譜，對稻米顏色參數、多酚、類黃酮含量及抗氧化能力性狀進行了QTL定位分析，總共檢測出12個主效QTL并定位到具體的染色體［19］。在水稻苗期稻瘟病抗性的全基因組關聯分析研究中，共檢測到126個關聯位點。在秈稻群體內共檢測到51個與稻瘟病抗性相關聯的SNP位點；在粳稻群體內共檢測到5個與稻瘟病抗性相關聯的SNP位點；在總樣本中共檢測到72個與稻瘟病抗性相關聯的SNP位點，同時證實了全基因組關聯分析（GWAS）能夠作為一種高效率挖掘抗性候選基因的方法［20］。

2.2關聯分析與基因功能的開發和驗證

關聯分析中候選基因法相對全基因組分析所需的工作量小、標記數量較少、成本低，可對目的基因進行功能鑒定，是植物遺傳學中基因功能鑒定的常用方法。2004年，Wilson［21］等應用關聯分析方法對玉米籽粒淀粉代謝途徑中6個關鍵酶基因和代謝產物的關聯進行研究，發現了4個基因和籽粒成分及淀粉糊化特性顯著相關。2008年，Harjes［22］等研究了玉米微生物A的代謝相關功能基因的開發，發現了4個影響胡蘿卜素含量的多態性位點，豐富了關聯分析在植物領域的應用。我國關聯分析在功能基因的開發方面，現已在小麥［23］、大豆［24］、玉米［25］、水稻［26］中均有研究。在大豆產量性狀的關聯分析中，證明了赤霉素代謝途徑和相關代謝的變化能夠引起大豆百粒重和產量的變化，并研究了相關分子機制［15］。在水稻關聯定位群體構建和水稻品質性狀的關聯分析研究中，金亮等人將稻米顏色參數、營養品質性狀與控制種皮顏色的Rc、Ra基因，香味基因、淀粉主效基因位點及100個SSR標記位點進行了關聯分析研究，結果證明，Ra、Rc基因是顏色性狀的主效基因［19］。在玉米再生候選基因ZmLEC1與胚性愈傷組織形成能力關聯分析研究中，對ZmLEC1基因的多態性位點與表型性狀進行關聯分析，發現4個多態性位點與胚性愈傷形成能力存在顯著關聯［27］。在西瓜核心種質枯萎病抗性與SRAP分子標記的關聯分析研究中，發現有1個標記位點與枯萎病抗性顯著關聯（P＜0.01），該位點對表型性狀的解釋率為0.2035，同時研究表明：SRAP標記可以實現西瓜種質資源進行群體結構的有效劃分，并且可以應用作為關聯分析的分子標記。

2.3關聯分析與功能性標記的開發

功能標記是指根據引起性狀變異基因的功能區的基因序列多態性，開發出來的多態性標記。功能標記的開發策略主要有：功能基因的確定、獲取等位基因序列信息、多態性功能區域的確定，從而開發多態性分子標記［28-29］。而關聯分析方法則是應用于分析功能基因的多態性標記和基因功能高效的方法。應用關聯分析開發功能標記的開發需要滿足2個條件：首先，確定功能標記開發的群體，克隆已知候選基因或功能基因，獲得等位基因序列信息。其次，通過統計基因相符應的表型性狀數據，獲得準確的群體表型數據，將二者結合，進行關聯分析［30-31］。最近，在水稻抗稻瘟病基因Pi35功能性分子標記的開發及應用中［32］，通過比對抗、感品種中Pi35等位基因序列，發現一個能檢測抗、感病性差異的特異SNP（3780 T），并據此開發了Pi35基因的功能性分子標記Pi35-dCAPS，為高效利用Pi35基因進行過水稻品種的改良和稻瘟病抗性研究奠定了基礎。在小麥轉錄因子基因W16的功能標記作圖和關聯分析研究中，開發小麥DREB轉錄因子基因W16的功能標記，確定了W16所在的染色體位置，鑒定出HapⅡ為增加單株穗數和籽粒飽滿度的優良單倍型，HapⅢ為提高穗粒數的優良單倍型，該基因的功能標記和關聯分析結果為小麥分子育種提供了重要信息［33］。在水稻品質性狀功能標記開發研究中，開發出6個分別同表觀直鏈淀粉含量（AAC）、淀粉黏滯性（HPv、CPv、BD和SB）、凝膠硬度（HD）、成糊溫度（PT）顯著相關的重要位點，對于改良稻米淀粉品質、縮短育種年限具有十分重要的意義［19］。宿振起在小麥粒重基因TaGW2的克隆、標記的開發及功能驗證研究中，根據TaGW2-6A等位基因在啟動子區的序列差異，開發了1個CAPS標記，該標記是以SNP-593為差異為位點、以TaqI內切酶為工具［34］。在小麥TaSnRK2.10基因的克隆、標記開發和功能分析研究中，發現在TaSnRK2.10-4A中存在3個SNP和1個InDel變異位點，根據TaSnRK2.10-4A序列的SNP開發了1個CAPS功能標記［35］。利用功能性分子標記可以進行分子標記輔助選擇和植物品種鑒定，對加快育種世代選擇、縮短育種年限、保護植物知識產權具有重要意義。

［1］ Gaut BS，Long AD.The lowdown on linkage disequilibrium［J］.Plant Cell，2003，（15）：1502-1506.

［2］ 譚賢杰，吳子愷，程偉東，等.關聯分析及其在植物遺傳學研究中的應用［J］.植物學報，2011，（01）：108-118.

［3］ 雷夢林，李昂，昌小平，等.小麥轉錄因子基因W16的功能標記作圖和關聯分析［J］.中國農業科學，2012，（09）：1667-1675.

［4］ 王智蘭.小麥蛋白磷酸酶TaPP2Aa/c的功能標記開發、作圖和關聯分析［D］.太原：山西大學，2011.

［5］ 武玉國，吳承來，秦保平，等.黃淮冬麥區175個小麥品種的遺傳多樣性及SSR標記與株高和產量相關性狀的關聯分析［J］.作物學報，2012，（06）：1018-1028.

［6］ 張國華，高明剛，張桂芝，等.黃淮麥區小麥品種（系）產量性狀與分子標記的關聯分析［J］.作物學報，2013，（07）：1187-1199.

［7］ 文自翔，趙團結，鄭永戰，等.中國栽培和野生大豆農藝品質性狀與SSR標記的關聯分析 I.群體結構及關聯標記［J］.作物學報，2008，（07）：1169-1178.

［8］ 趙波，葉劍，金文林，等.不同類型小豆種質SSR標記遺傳多樣性及性狀關聯分析［J］.中國農業科學，2011，（04）：673-682.

［9］ 危文亮，張艷欣，呂海霞，等.芝麻資源群體結構及含油量關聯分析［J］.中國農業科學，2012，（10）：1895-1903.

［10］ 金亮.水稻關聯定位群體的構建及若干品質性狀的關聯分析［D］.杭州：浙江大學，2009.

［11］羊杏平，劉廣，侯喜林，等.西瓜核心種質枯萎病抗性與SRAP分子標記的關聯分析［J］.園藝學報，2013，（07）：1298-1308.

［12］ 王榮煥，王天宇，黎裕.關聯分析在作物種質資源分子評價中的應用［J］.植物遺傳資源學報，2007，（03）：366-372.

［13］ 于海霞，肖靜，田紀春，等.關聯分析及其在植物中的應用［J］.基因組學與應用生物學，2009，（01）：187-194.

［14］ 楊小紅，嚴建兵，鄭艷萍，等.植物數量性狀關聯分析研究進展［J］.作物學報，2007，（04）：523-530.

［15］ 郝德榮.大豆產量相關性狀QTL的關聯分析及候選基因GmGA3ox單倍型鑒定［D］.南京：南京農業大學，2011.

［16］賴勇，王鵬喜，范貴強，等.大麥SSR標記遺傳多樣性及其與農藝性狀關聯分析［J］.中國農業科學，2013，（02）：233-242.

［17］李仁偉，王晨，戴思蘭，等.菊花品種表型性狀與SRAP分子標記的關聯分析［J］.中國農業科學，2012，（07）：1355-1364.

［18］ 徐銳.野生香菇數量性狀與SSR分子標記的關聯分析［D］.武漢：華中農業大學，2013.

［19］ 金亮，包勁松.植物性狀-標記關聯分析研究進展［J］.分子植物育種，2009，（06）：1048-1063.

［20］ 王彩紅.水稻苗期稻瘟病抗性的全基因組關聯分析［D］.北京：中國農業科學院，2014.

［21］ Wilson LM，Whitt SR，Ibanez AM，Rocheford TR，Goodman MM，Buckler IV ES.Dissection of maize kernel composition and starch production by candidate gene as-sociation［J］.Plant Cell，2004，（16）：2719-2733.

［22］ Harjes CE，Rocheford TR，Bai L，Brutnell TP，Kandianis CB，Sowinski SG，Stapleton AE，Vallabhaneni R，Wil-liams M，Wurtzel ET，Yan J，Buckler ES. Natural genetic variation in lycopene epsilon cyclase tapped for maize biofortification［J］.Science，2008，（319）：330-333.

［23］ 李瑋瑜，張斌，張嘉楠，等.利用關聯分析發掘小麥自然群體旗葉葉綠素含量的優異等位變異［J］.作物學報，2012，（06）：962-970.

［24］ 楊勝先，牛遠，李夢，等.栽培大豆農藝性狀的關聯分析及優異等位變異挖掘［J］.中國農業科學，2014，（20）：3941-3952.

［25］ 張恩盈.玉米LEAFY、RTCS和dbf1基因序列變異及其產量相關性狀關聯分析［D］.揚州：揚州大學，2014.

［26］ 孫曉棠，盧冬冬，歐陽林娟，等.水稻紋枯病抗性關聯分析及抗性等位變異發掘［J］.作物學報，2014，（05）：779-787.

［27］ 李釗.玉米再生候選基因ZmLEC1的序列變異及其與胚性愈傷形成能力的關聯分析［D］.哈爾濱：東北農業大學，2013.

［28］ Andersen JR，Schrag T，Melchinger AE，Zein I，Lübberstedt T.Validation of Dwarf8 polymor-phisms associated with flowering time in elite European inbred lines of maize（Zea mays L）［J］.Theor Appl Genet，2005，（111）：206-217.

［29］ Flint-Garcia SA，Thuillet A，Yu J，Pressoir G，Romero SM，Mitchell SE，Doebley J，Kresovich S，Goodman MM ，Buckler ES.Maize association population:a high resolution platform for quantitative trait locus dissection［J］. Plant J，2005，（44）：1054-1064.

［30］ Remington D.L.，Thornsberry J.M.，Matsuoka Y.，Wilson L.M.，Whitt S.R.，Doebley J.，Kresovich S.，Goodman M.M.，and BucklerⅣ E.S.Structure of linkage disequilibrium and phenotypic associations in the maize genome，Proc ［J］.Natl.Acad.Sci.，USA，2011，98（20）：1479-1484.

［31］ Thornsberry J.M.，Goodman M.M.，Doebley J.，Kresovich S.，Nielsen D.and Buckler E.S.Dwarf8 polymorphismsassociate with variation in flowering time ［J］.Nat.Genet.，2001，（28）：286-289.

［32］ 馬建，馬小定，趙志超，等.水稻抗稻瘟病基因Pi35功能性分子標記的開發及其應用［J］.作物學報，2015，（12）：1779-1790.

［33］ 雷夢林.小麥轉錄因子基因的關聯分析及其在非生物脅迫下的表達特性［D］.太原：山西大學，2012.

［34］ 宿振起.小麥粒重基因TaGW2的克隆、標記的開發及功能驗證［D］.北京：中國農業科學院，2010.

［35］ 張照貴.小麥TaSnRK2.10基因的克隆、標記開發和功能分析［D］.泰安：山東農業大學，2014.

Application of correlation analysis in plant genetics

WANGYun-yun
（DaqingBranch ofHeilongjiangAcademyofSciences，Daqing163319，China）

In recent years，correlation analysis as an analytical method has been widely used in the context of plant quantitative trait correlation mapping，functional gene identification and plant breeding.This paper introduced the principle，characteristics，basic strategy and application of correlation analysisin plant genetics.

Correlation analysis；Linkage disequilibrium；Quantitative trait

Q943

A

1674-8646（2016）11-0001-03

2016-04-10