上位性和多效性在植物育种中的巨大价值

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@小白创作中心

上位性和多效性在植物育种中的巨大价值

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https://www.geneagro.com/39.html

上位性和多效性是遗传学中的两个重要概念，它们对植物育种具有深远影响。近日，西澳大学David Edwards团队在《Plant Biotechnology Journal》发表综述文章，系统阐述了这两个概念在植物育种中的应用前景。

上位性是基因之间的非等位基因相互作用，会导致对同一性状的两个或两个以上基因的表型遗传参数估计产生偏差。多基因变异在复杂形状的进化中起着关键作用，虽然多效性的相互作用提供了功能特异性，但也增加了基因挖掘和功能分析的挑战。克服这一挑战为复杂性状的辅助育种提供了潜力。

上位性和多效性的研究进展

复杂的多基因性状通常会受到基因座内或基因座间的相互作用和多效性的影响，表现出较大的表型变异。涉及三个或三个以上基因座的上位相互作用对复杂性状的检测具有很大的挑战性，通常需要很大的数据基础和群体。1910年，遗传学家首次提出了多效性的概念，基因多效性、发育多效性或选择多效性对所有生物体的发育、生理和遗传方面都有重大影响。现阶段的大量研究都表明，作物中广泛存在上位性和多效性，所有这些相互作用都急需大量的分析工具和群体基础来开展研究，从而有助于育种家更好地预测和改良作物性状。

研究方法的系统梳理

发现和理解多效性的原因会提高研究人员对基因如何参与性状表达的理解。作者系统地概述了一些检测和验证遗传变异之间上位性和多效性相互作用的方法（图1和表1）。例如，多效性似然比检验（LRT）方法是基于数量性状线性回归方法提出的一种新方法；基于一组可能与表型相关的SNP来检测高阶上位性互作的新方法——epiMEIF方法，用于处理复杂的全基因组关联研究；也有一些方法在控制假阳性方面比较有效，如SNPHarvester、FDHE-IW、DCHE等；同时有研究人员开发了将多效性和上位性联合分析，整合多个数量性状的数据以此揭示性状之间的相互作用；以及其他的一些算法如PolarMorphism，可以构建多效性网络，深入解析性状之间的相互作用等等。但没有一种单一的上位性检测方法适用于所有的情况，因此，如何选择合理高效的分析方法仍需要研究人员进行深入的平衡分析。

图1 检测和验证遗传变异之间上位性和多效性相互作用的方法

表1 检测多效性和上位性相互作用的软件包

在植物育种中的应用

在植物育种过程中，上位性相互作用的识别存在一定的困难，主要由于性状和多个基因之间复杂的环境相互作用，因此，作物表型、基因分型的筛选标记、分析的统计学方法和作物产量与质量的平衡，都逐步成为研究的热点，这也使得研究上位性的性状遗传选择至关重要。在GWAS分析中，基于SNP的多表型关联分析（MPAs）提供了有关基因和其性状之间相互影响的关键信息，有助于对多个表型结果进行分解分析。性状之间的相关性和影响单个性状的上位性相互作用对作物品种的改良也是一个巨大的挑战，在水稻的一项研究中也发现，可以通过将具有理想上位性等位基因的优势单倍型聚合来促进作物性状的增强。在鉴定多效性的方法中，QTL定位和重叠基因组区域的检测是至关重要的方法。已有大量的研究表明，植物中的多效性与植物的生长发育、抗逆性和生物量都息息相关。作者统计并列举了2001年至2024年在谷类、食用豆类和油料作物中报道的QTLs（表2）。