数量遗传学基础ppt课件.ppt

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1、第一节 群体遗传结构,数量遗传学的形成过程,1918年费希尔（Fisher R. A. ） 发表“根据孟德尔遗传假设对亲子间相关性的研究”论文统计方法与遗传分析方法结合创立数量遗传学。1925年著研究工作者统计方法一书（Statistical Methods for Research Workers），为数量遗传学的研究提供了有效的分析方法。首次提出方差分析（ANOVA）方法，为数量遗传学发展奠定了基础。,遗传学理论的发展,动物选种方法的发展,群体的遗传结构,群体遗传结构基因频率、基因型频率群体遗传平衡定理群体遗传平衡定理的推广显隐性-性连锁-复等位多基因座群体遗传结构影响因素及其动态平衡选择

2、、突变、迁移、交配方式遗传漂变,基本概念群体,孟德尔群体（Mendelian population）：个体间有交配的可能性、在连续世代间有基因交换的有性繁殖群体，其中的所有基因可看作是一个基因库，各个体共享这一基因库资源，相互间可自由地进行基因交流。一个个体在群体中存在的时间是有限的，除非发生突变，其遗传基础是终生不变的。一个群体则是可以长期存在的，群体可大可小、分布可广可窄，其遗传结构由所有个体的遗传基础决定，并受到各种各样的因素影响，可以随时发生变化。,基本概念基因频率,基因频率（gene frequency）：在一个群体中某一种基因的数量与占据同一基因座的全部等位基因总数的比例的一个度量

3、指标。用百分率表示的，取值范围在0到1之间，通常写成小数的形式，它是群体遗传特性的基本标志。,基本概念基因型频率,基因型频率（genotype frequency）：在二倍体的生物群体中，某一基因座的特定基因型在其全部基因型中所占的比例的一个度量指标。用百分率表示，取值范围在0到1之间，通常也写成小数的形式，同一位点的所有基因型的频率总和为1，一般用大写字母表示。在只有一对等位基因（A和a）时，可形成三种基因型，即AA、Aa和aa，可用D、H和R分别表示各自的频率，这时 D+H+R=1。,基因频率与基因型频率的关系,在一对基因时：AA基因型频率为D，有2D的A基因Aa基因型频率为H，有H的A和

4、a基因aa基因型频率为R，有2R的a基因因此，A基因频率为：,基本概念随机交配,随机交配（random mating），其基本含义是指在一个有性繁殖的群体中，任何个体与所有异性个体都有相同的交配机会，即任何一对异性个体的结合都是随机的。,群体遗传平衡定理,Hardy-Weinberg定律：在随机交配的大群体中，若没有选择、突变、迁移等因素的作用，基因频率和基因型频率在世代间保持不变。在任何大群体中，不论初始基因频率如何，只要经过一个世代的随机交配，一对常染色体上的基因就可达到平衡状态，没有其它因素影响时，其基因频率和基因型频率在以后的连续世代随机交配情况下保持平衡状态。在平衡状态下，一对等位基

5、因的基因频率与基因型频率的关系为：,群体遗传结构影响因素突变,偶发突变：不能以一定频率重复发生的偶然的一次突变；频发突变：（recurrent mutation）是指能以一定频率重复发生的突变；反向突变：将a基因突变为A基因称为反向突变（reverse mutation），研究表明反向突变率一般仅相当于正向突变率的十分之一左右。,迁移（migration）：不同群体间由于个体转移引起的基因流动过程在家畜育种实践中，迁移主要体现为引种，即引入优良基因加快群体的遗传改良，是提高育种效率的有效途径。,群体遗传结构影响因素迁移,群体遗传结构影响因素选择,选择（selection）：群体内个体参与繁殖的

6、机会不均等，从而导致不同个体对后代的贡献不一致。造成这种繁殖机会不均等的原因主要有个体适应性和生活力的差异、个体繁殖力不同及人为的选择，前两者是自然选择的主要因素，而人工选择是动物育种改良最重要的手段。对显性基因的选择对隐性基因的选择对杂合子的选择,群体遗传结构影响因素遗传漂变,随机遗传漂变：在小群体内，由于配子的随机抽样而导致的基因频率在世代间的随机变化。群体越小，遗传漂变的作用越大。这种小群对保种是不利的，它会导致有的等位基因丢失，难以维持群体遗传结构的稳定。家畜遗传资源保存中，维持足够的群体有效含量是非常必要的。,第二节 数量性状及其遗传基础,一、数量性状的概念及分类生物的性状基本上可分

7、为三大类：1、质量性状（qualitative trait）:变异可以截然区分为几 种明显不同的类型，一般用语言来描述；2、数量性状（quantitative trait）:个体间性状表现的差 异只能用数量来区别，变异是连续的。3、阈性状(threshold trait)：表现型呈非连续变异，与质 量性状类似，但不是由单基因决定，性状具有一个潜 在的连续型变量分布，遗传基础是多基因控制的，与 数量性状类似。,二、数量性状的特征区分性状的依据: 1、性状是描述性的，还是可以度量的； 2、性状是呈间断性分布，还是连续性分布； 3、性状的表现是否容易受到环境的影响； 4、控制性状的遗传基础是单基因还

8、是多基因。,数量性状的特征：1、数量性状在个体间的差异体现在量上或程度上， 一般很难描述，需要度量；2、在一个群体中，数量性状变异呈连续性；3、数量性状受多基因控制；4、数量性状对环境影响敏感。,质量性状、数量性状与阈性状的比较,三、数量性状遗传基础 微效多基因假说 瑞典遗传学家Nilsson-Ehle（尼尔逊埃尔）于1909年研究小麦籽粒颜色的遗传后提出多基因假说，经后人试验论证而得到公认。,微效多基因假说要点1、数量性状是由大量的、效应微小而类似的、并且可加 的基因控制；2、这些基因在世代相传中服从孟德尔原理，即分离规律 和自由组合规律，以及连锁互换规律；3、这些基因间一般没有显隐性区别；

9、4、数量性状同时受到基因型和环境的作用，而且数量性 状的表现对环境影响相当敏感。 这一假说的实质是数量性状由大量微效基因控制，因而称之为微效多基因假说。,数量性状可由少数效应较大的主基因控制、也可由数目较多、效应较小的微效多基因控制。主基因：控制某个性状表现的效应较大的少数基因；微效基因：数目较多，但每个基因对表现型的影响较小；修饰基因：基因作用微小，但能够增强或削弱主基因对基 因型的作用。如小家鼠有一种引起白斑的显性基因，白斑大小则由一组修饰基因所控制。,需要分析杂交后代的大量个体 应用数理统计等方法 分析平均效应（effect）、方差（variance）、协方差（covariance ）等

10、遗传参数 发现数量性状遗传规律。借助于分子标记和数量性状基因位点（quantitative trait loci，QTL）作图技术可在分子标记连锁图上标出单个基因位点的位置、确定其基因效应。,研究方法,基本概念-数量性状基因座（QTL) 对数量性状有较大影响的基因座称为数量性状基因座（quantitative trait locus，QTL)，它是影响数量性状的一个染色体片段，而不一定是一个单基因座。,有限的基因如何控制众多的数量性状？一般可以归结为下列三个原因：1、基因仅仅是性状表现的遗传基础，它与性状的关系并非 是“一一对应”的，基因作用往往是多效性的，而控制 一个性状的基因数目也很多。因

11、此，基因与性状的关 系是“多因一效”和“一因多效”的；2、基因作用实际上除了加性效应外，等位基因间还存在有 显性效应，非等位基因间还存在有上位效应。这些非 加性互作效应的存在，使得基因型间的差异更加难以 区分；3、数量性状的表现不仅仅取决于基因型，而且不同程度地 受到环境效应的影响。,确定单个QTL基因主要有几个方面的作用： 1、可以利用分子遗传标记对数量性状基因型进行标记辅助 选择（marker-assisted selection，MAS）来提高家畜育 种的效率，特别是对低遗传力性状和限性性状而言；2、将转基因技术用于数量性状的遗传操作；3、能够鉴别由多因素引起的遗传疾病，为基因治疗和改进

12、 预防措施提供依据；4、对这些QTL基因的数目和特性有所了解后，可以使数量 遗传学理论建立在更加完善的基础上，对动物育种实践 的指导更为科学合理。,四、数量性状数学模型,数量性状表型值剖分,数量性状表型值,基因型值,环境效应值,基因型与环境互作效应,对于大多数的数量性状而言，基因型效应与环境效应之间无互作，或互作很小，一般都假设IGE=0,数量性状数学模型,数量性状表型值剖分,基因实际上存在有三种不同的效应，即基因加性效应（additive effect）、等位基因间的显性效应（dominance effect）和非等位基因间的上位效应（epistatic effect)。,影响数量性状表型值

13、的环境效应，又可分为系统性环境效应（或称固定环境效应）和随机环境效应两类。随机环境效应又可分为持久性环境效应和暂时性环境效应,可以将基因型值剖分为育种值（A）、显性效应偏差值（D）和上位效应偏差值（I）三个部分。从育种学角度出发，重要的是能够真实遗传的育种值这一部分，而D和I和带有一定的随机性，一般均将它们归并到环境效应偏差值中，统称为剩余值 ，记为 R。,控制数量性状基因具有各种效应，主要有：,加性效应（additive effect，A）：等位基因 （allele）的累加效应；显性效应（dominance effect，D）：等位基因之 间的互作效应。上位效应（epitasis effec

14、t，I）：非等位基因之 间的相互作用。基因型值是各种基因效应的总和。G=A+D+I ，表现型值P=A+D+I+E,基因型与基因型值,d=0 ，完全加性（additive） ，无显性d=a ，完全显性（dominance） d a，超显性（overdominance） ad不完全显性（incomplete dominance ）,如果是在一个随机交配的大群体中，A1和A2的频率分别为 p 和 q ，那么群体的平均基因型值和基因型值方差VG为：,均值与方差,这里，VA和VD分别表示加性效应和显性效应方差，可见，在一对等位基因时，群体平均基因型值及方差可以剖分为加性效应和显性效应两部分。,一个等位基

15、因的效应可用其平均效应（average effect）来度量： 是指该基因随机地与群体内的配子结合，所形成的全部基因型均值与全群均值的离差。若定义A1和A2基因的平均效应值分别为a1和a2 ,则有：,A1基因的平均效应:所有个体都含A1基因的群体基因型均值为pa+qd与全群平均数的差即为该基因的平均效应。A2基因的平均效应:,基因替代的平均效应 两种基因的平均效应值之差，反应了用一种基因取代另一种基因的群体均值变化，记为 ，即有：,由此可以得到各种基因型的加性效应值，即育种值（breeding value）：等于组成该基因型的两个等位基因的平均效应之和，分别为：,育种值（breeding va

16、lue）基因的加性效应值(A)，由于在纯种繁育中，亲代的诸基因效应中只有该部分能稳定地遗传给后代，反映了其在育种上贡献的大小，故称为育种值。个体的育种值是无法直接度量的，因而只能根据所观察或测量的表型值来进行推断。动物育种中，选种的准确性决定于育种值估计的准确性。,第三节 亲属间相关分析,数量性状遗传研究的基本统计方法,亲属相关，有两类概念：一是亲属间的遗传相关二是亲属间的表型相关。亲属间的遗传相关 是从整体而言的，用亲属个体的基因来自共同祖先的概率计算，描述亲属间整体上的亲缘相关程度，与具体的性状没有关系。亲属间的表型相关 是描述亲属间性状表型值间的相关系数，由于只有特定的数量性状才有表型值

17、，因此这种相关在不同性状、不同群体都是有所不同的。,亲属间相关分析,数量性状的表型值取决于遗传和环境的共同作用，因而表型相关中既包含遗传相关又可能包含有环境相关。这种亲属间同一性状的遗传相关实际上就是亲属的亲缘相关。,共同环境效应母体效应（maternal effect） 在妊娠、哺乳等阶段由母体的营养水平、饲养管理、个体间差异等对后代造成的影响。母体效应的影响分为两类：母体效应造成后代与母亲表现的相似性增加；母体效应造成同胞后代个体表现的相似性增加。,亲属间遗传协方差 造成亲属间遗传相关的根本原因是它们有共同来源的祖先 。在世代传递过程中，每代亲本只有一半的基因传递给下一代；亲属间每隔一代，

18、其基因具有相同来源的概率就降低一半。同源一致性（identity by descent，IBD） （Malcot，1948）：指亲属个体带有的基因是由某一共同祖先同一基因复制而来的 。 遗传协方差的实际构成比较复杂，在忽略上位效应和基因连锁时，它由一系列加性效应和显性效应以及各种互作效应构成，即：,（2.12）,同样地：因此， ， ，可以得到： 若X和Y为父系半同胞，则=0。因此，对于半同胞有：,表2.2 亲属间遗传协方差和近似遗传相关,S D S D S1 D1 D2 S2,X,Y,双重表兄妹,S D S D S1 D1 D2 S2,X,Y,双重表兄妹？,第四节 数量性状遗传参数分析,定量描

19、述数量性状遗传规律有三个最基本的遗传参数：重复力、遗传力和遗传相关重复力（repeatability）是衡量一个数量性状在同一个体多次度量值之间的相关程度的指标。对性状的终身表现产生的影响有：所有的基因效应 持久性环境效应 指时间上持久或空间上非局部效应的环境因素对个体性状表现所产生的影响。暂时性环境效应 一些暂时的或局部的特殊环境因素对个体性状的某次度量值产生影响,重复力估计原理从效应剖分看,可将环境效应（ ）剖分为持久性环境效应（ ） 暂时性环境效应（ ）两部分 ，因此假定基因型效应、永久性环境效应和暂时性环境效应之间都不存在相关，可以将表型方差（ ）剖分为: 故重复力 可定义为:,重复力

20、的作用1、重复力可用于验证遗传力估计的正确性2、重复力可用于确定性状需要度量的次数 假设一个个体度量了 次，用这些度量值的平均数作为该个体的平均表型值，记为 ,可以得到多次度量均值方差与单次度量值方差的关系为： 当度量次数无穷大时,多次度量可以提高度量准确性的极限值为 ,因此以它为基础,多次度量可以提高的度量准确性效率（ )为:,(2.14),(2.15),图2.4 不同重复力时多次度量的相对准确度（,图2.4 不同重复力时多次度量相对 准确度（Q）的变化曲线 3、重复力可用于种畜育种值的估计 当利用个体多次度量均值进行育种值估计时需要用到重复力。,遗传力遗传力概念和估计原理广义遗传力 指数量

21、性状基因型方差占表型方差的比例，它反映了一个性状受遗传效应影响有多大，受环境效应影响多大。实现遗传力 指对数量性状进行选择时，通过亲代获得的选择效果，在子代能得到的选择反应大小所占的比值，这一概念反映了遗传力的实质。,环境效应方差,图2.5 遗传力估计原理通径图,依据通径分析原理之一，即两个变量间的相关系数等于连接它们的所有通径链系数之和，而各通径链系数等于该通径链上的全部通径系数和相关系数之乘积。因此，假定不存在共同环境效应 ， 和 的相关系数 等于 ,由此可得到遗传力为： 式中， 是两类个体育种值间的相关系数，即亲缘系数。 是两类个体表型值间相关系数。,（2.18）,遗传力估计的基本方法利

22、用亲子资料估计遗传力利用亲子资料估计遗传力一般有下列三种情况：子女表型值对一个亲本的回归或相关估计 在随机交配情况下，亲子间的亲缘系数近似等于0.5，假设 表示单亲（任何一个亲本）表型值， 表示子女表型值，可以得到利用简单回归或相关方法估计的遗传力为：,（2.19）,（2.23）,公畜内个体间的遗传关系必须完全一致，即不应有全同胞个体存在，否则会使组内变异减小，遗传力估计偏高；公畜间应无亲缘相关，否则有亲缘相关的公畜组的半同胞间一致性增加，导致公畜间变异下降，遗传力估计偏低。 如满足上述条件,假设有 头公畜，每一头公畜有 个半同胞子女，其中第 个子女的表型值为 ,利用单因素方差分析方法得到表2

23、.4的结果， 是有效平均子女数，因此遗传力估计值为：,全同胞组内相关法 由表2.2可知，在近似条件下，全同胞个体间的亲缘系数为 ，将它代入（2.18）式可以得到： （2.24） 这里， 表示全同胞个体间的表型相关。一般通过二因系统分组方差分析估计出各方差组分来计算。这样的分析应满足下列条件：所有变异来源除公畜个体效应和母畜个体效应外，其余效应全部为随机误差效应,公畜间的母畜不交叉；母体效应不存在或很小，可以忽略不计。否则，全同胞间会因母体效应导致组内变异变小，遗传力估计偏高；不同公畜、母畜间均无亲缘相关，否则存在亲缘相关的两组间的全同胞个体一致性增加，导致组间变异或下降，遗传力估计偏低。 假设

24、有 头公畜，各配 头母畜，每头母畜有 个全同胞子女，其中第 个子女的表型值为 ，利用二因系统分组方差分析方法得到如表2.5的结果， 、 和 是相应的有效重复数，因此遗传力估计值为：,(2.25),显著性检验 用亲子资料估计遗传力时，显著性检验与普通的回归分析和相关分析一样； 用半同胞资料估计时，遗传力的显著性检验可转化为组内相关系数的显著性检验。即：,（2.26）,用全同胞资料估计时,可用方差分析的检验近似替代,或用组内相关系数的显著性检验替代。,为使估计的遗传力达到统计显著，一般都需要增加样本含量。在总样本含量一定的情况下，可以确定出近似的最宜家系数和家系大小。以半同胞资料估计遗传力为例，最

25、宜家系大小为 ，由（2.25）式可以推算出不同遗传力大小时，检验达到显著所需的最低样本含量，如表2.6。,表2.6 半同胞资料遗传力估计显著所需最低样本含量,举例【例2.2】 统计某纯种地方猪种 3头种公猪的仔猪肥育期平均日增重列于表2.7。用全同胞组内相关估计遗传力。整理资料 按种公猪所配母猪分组，将仔猪日增重记录列成表2.7。计算平方和、自由度及列方差分析表 如表2.8所示。计算遗传力,表2.7 仔猪肥育期平均日增重（g）,表2.8 平均日增重的全同胞资料遗传力估计方差分析表,由此得到三个遗传力估计值分别为：,影响遗传力估计的因素 遗传力是性状、群体和环境三者特性的综合体现。因此，群体遗传

26、结构和环境条件的改变，都会影响到性状遗传力本身。当遗传与环境存在互作效应时， 的假设不能成立，由此会导致遗传力估计出现大的偏差。共同环境造成亲属间的环境相关，即 的假定不能成立，因此前述的遗传力各种估计方法均不能应用。造成亲属间环境相关最主要的是母体效应。不同性状的母体效应影响是不同的，如果它的影响很大，则不宜采用全同胞相关和女母相关等估计遗传力。,在前述各种遗传力估计方法中，实际上都假定了亲本个体间不存在亲缘相关。例如，女母相关或回归时的母畜间，公畜内女母相关或回归及同胞分析时的公畜间、母畜间和公母畜间，均不应存在有亲缘相关。但是这一假定在实际动物育种中是难以成立的。选择对遗传力的影响。从理

27、论上讲选择将导致遗传基础一致性增强，即 下降， 也下降。所以用于估计遗传力的资料应是由群体抽取的一个随机样本。然而,实际的估计资料，如全同胞和半同胞资料，它们的父母亲一般均是经过选留的。,配种方式对遗传力的影响。一般对于杂交而言，由于杂交亲本难以达到较强的遗传基础一致性，因而不宜采用这种资料估计遗传力。从效应上讲，近交个体对环境敏感， 增大；而且近交导致群体分化,加大了群体变异，所以 也增加， 相应地降低。不同的遗传力估计方法，其应用条件和估计准确度都有所不同。样本含量对遗传力估计有很大的影响。一般而言，参数的构成愈复杂，其估计愈难达到统计显著，需要的样本含量也愈大。,遗传相关遗传相关概念和估

28、计原理表型相关（phenotypic correlation）就是同一个体的两个数量性状度量值间的相关。 一般而言,造成这一相关的原因区分为两大类：一类是由于基因的一因多效和基因间的连锁不平衡造成的性状间遗传上的相关。另一类是由于两个性状受个体所处相同环境造成的相关，称之为环境相关（environmental correlation）。,在这两类遗传和环境相关原因的共同作用下，两个性状之间就呈现出一定的表型相关，用图2.6表示。,图2.6 不同性状表型相关的剖分,PX 、PY 、AX 、AY和RX 、RY分别表示X性状和Y性状的表型值、育种值和剩余值； hX 、hY和eX 、eY分别表示两性状

29、育种值到表型值的通径系数和剩余值到表型值的通径系数； re(XY) 和 r(XY) 分别表示两性状的环境相关和遗传相关。 假定各种育种值与剩余值间均不相关，那么根据通径分析原理可以将表型相关剖分为两部分，得到：,(2.27),遗传相关估计方法利用亲子资料遗传相关估计 设PX、PY和OX、OY分别表示亲代和子代X、Y两性状的表型值，假定亲子间的同一性状无环境相关，那么这两个性状间的遗传相关可以用下面两个公式计算：,(2.28),(2.29),经过整理资料，计算平方和、乘积和及自由度等步骤，已得到相应的方差和协方差分析结果，如表2.9。计算各方差和协方差组分：毛 长： ，剪毛量： ，,表2.9 育成母羊的毛长和剪毛量方差、协方差分析表,毛长剪毛量：,计算两性状的遗传力：,计算两性状的表型相关、遗传相关和环境相关:,遗传相关的主要作用间接选择（indirect selection） 指当对一个性状（如X ）不能直接选择，或者直接选择效果很差时，借助与之相关的另一个性状（如Y ）的选择，来达到对选择的目的，Y 性状就称之为辅助性状（assistant trait)。 不同环境下的选择 用于比较不同环境条件下的选择效果。多性状选择 遗传相关在选择指数理论中具有重要的作用，这是遗传相关最主要的用途。,