Shikano T (2008) Estimation of quantitative genetic parameters using marker-inferred relatedness in Japanese flounder: A case study of upward bias. J Hered 99:94–104. doi: 10.1093/jhered/esm105

利用标记推断相关性估计日本比目鱼定量遗传参数：一个向上偏差的案例研究

摘要

基于标记的遗传力评价方法是研究长寿生物和自然种群数量性状的有效手段。然而，评价回归方法有效性和鲁棒性的实际检验是有限的。采用7个微卫星位点的回归方法，利用日本石斑鱼的若干数量性状，研究了相关估计量和种群结构对遗传力和遗传相关性估计的影响。在2个实验室群体中检测到了几个数量性状的显著遗传力和遗传相关性，而在一个自然群体中未检测到。在实验室群体中，遗传力的上升趋势依赖于相关估计量和群体。遗传力的向上偏差随着相关性的实际方差的减小而增大，说明回归方法下的遗传力估计往往由于低估了相关性的实际方差而被高估。因此，关系结构和关联度的精确估计对于该方法的应用至关重要。
在进化生物学、保护生物学和应用遗传学中，了解数量性状的表型变异具有重要意义。遗传力和遗传相关性是了解数量性状变异的主要遗传参数（Falconer和Mackay，1996）。性状间的遗传相关性有两种机制：一种是多效性，另一种是影响不同性状的基因间配子期不平衡（Lynch和Walsh，1998）。遗传力和遗传相关性的经典估计从表型相似程度亲属之间。这就需要一个受控的育种计划或有关系谱的信息，使得很难估计长期生活、难以培养或居住在自然种群中的生物体的遗传力和遗传相关性（Ritland 2000）。
DNA多态性已被广泛地用作评估生物体遗传多样性的一种手段，并使研究以前无法解决的问题成为可能。已努力使用分子标记来估计未知谱系个体之间的相关性，这随后有助于估计遗传性（汤普森1975；林奇1988；奎勒和晚安1989；里特兰1996b；穆梭等人1998；林奇和里特兰1999；托马斯和希尔2000，2002；史密斯等人2001；王2002，2004）。从分子标记估计个体间关系的方法分为三大类：成对似然估计、群似然估计和矩估计。成对似然估计量计算一对进入交替关系类的可能性（Thompson 1975；Mousseau等人1998）。双似然估计的使用是有限的，因为这种方法需要事先了解关系类的大小，例如完全SIB与无关个体的混合。群体似然法考虑了整个样本中的所有个体，并将其同时划分为不同大小的独特遗传群体，如全同胞、半同胞和无关个体（Thomas和Hill，2000年，2002年；Smith等人，2001年；Wang 2004年）。Smith等人（2001年）报告了大西洋鲑鱼Salmo-Salar的数据，显示使用这种方法，大多数个体通过4个微卫星位点被正确地分类为完全同胞群体。Thomas和Hill（2000）提出了使用群体似然法将种群划分为SIB组，然后在动物模型下使用受限最大似然（REML）技术来估计遗传性。这一方法的有效性在索伊绵羊、绵羊、白羊座（Thomas等人2002年）和虹鳟、虹鳟、虹鳟、虹鳟和Mykiss（Wilson等人2003年）中得到了证实。
另一方面，设计了矩估计方法来估计相关度，即基因通过下降而具有同一性的概率。几位研究人员开发了成对相关估计量（Queller和Goodnight 1989；Ritland 1996b；Lynch和Ritland 1999；Wang 2002）。基于标记的相关性估计量具有抽样方差，这是由于基因座之间的同一性随下降而变化，以及等位基因的同一性随下降而变化（Lynch和Ritland，1999年；van de Castele等人，2001年）。在2种鸟类和1种哺乳动物的自然种群中，van de Castele等人（2001）表明，基于微卫星的估计解释了25%至79%的真实相关性变化。在矩估计方法的基础上，Ritland（1996a）提出了一种估计遗传力的方法，该方法包括对个体间标记估计相关性的数量性状相似性进行回归。因此，这种方法不需要任何关于显式系谱的信息，但它依赖于个体之间相关性的估计。然而，使用回归方法估计遗传力和遗传相关性的实用信息有限（Ritland K和Ritland C 1996；Klaper等人2001；Thomas等人2002；Wilson等人2003；Ritland和Travis 2004；Andrew等人2005；Shikano 2005；van Kleennen和Ritland 2005）。此外，很少有研究报告使用这种方法具有可靠的遗传力和遗传相关性（Ritland K和Ritland C，1996）。为了讨论回归方法的有效性和稳健性，有必要对具有若干数量性状的各种有机体和种群进行更多的实际检验。这在一定程度上是因为一个种群的遗传结构在不同的类群之间存在着显著的差异，这是由于有机体之间的生态和生殖特征等多种因素造成的。此外，回归方法的性能可能会受到成对相关估计和种群遗传结构的影响。由于缺乏此类检查，很难评估回归方法的有效性和鲁棒性。
基于标记的定量遗传参数估计方法的一个主要潜在应用是在个体难以跟踪的系统中。远洋生物是水生系统中最重要的类群之一，其家谱难以建立。日本比目鱼是一种重要的经济鱼类，广泛分布在日本各地。大量的青少年被生产出来，并被释放到海洋中以提高库存。对几种数量性状的遗传分析将有助于研究该物种的生态和保护问题（Minami 1997；Kinoshita等人2000）。因为它们的生成时间大约是3？多年来，对数量性状的遗传分析需要一种简单而精确的方法。本研究以Ritland（1996a）提出的回归方法为研究对象，探讨了群体结构和相关估计对定量遗传参数估计的影响。利用4个具有7个微卫星位点的相关估计量，对日本比目鱼1个自然种群和2个实验室种群的遗传力和遗传相关性进行了估计。由于遗传力在不同性状之间存在很大差异（mousseau和roff 1987；roff和mousseau 1987；falconer和mackay 1996；roff 1997），本研究考察了几种数量性状，包括生长性状、形态性状、体色和对环境胁迫的耐受性。除回归方法外，利用似然法重建的系谱信息，从REML中估计遗传力和遗传相关性。探讨了回归分析方法下遗传力向上偏差的潜在原因。

回归方法的定量遗传参数

使用4个估计量来测量配对相关性（奎勒和晚安1989；里特兰1996b；林奇和里特兰1999；王2002）。使用Mark程序（由K.Ritland编写，可从http://genetics.forestry获得）对7个位置的微卫星数据进行计算。ubc.ca/ritland/programs.html）。利用Mark程序，根据Ritland（1996a，2000）的7个位点的微卫星数据，估计了遗传力和遗传相关性。遗传力的估计是基于配对性状相似性对配对相关性的简单回归。2个个体i和j的数量性状y的表型相似性计算如下：

其中u和v分别是人口中y的样本平均值和方差。在所有配对中，平均等于表型相关。相似性的遗传成分估计为:

其中rij为相关系数，h2为遗传性，eij为随机误差。在本研究中，使用了4个相关估计量（奎勒和晚安，1989年；里特兰，1996b；林奇和里特兰，1999年；王，2002年）。
遗传力估计为：

其中是估计相关性和表型相似性之间的协方差，var（rij）是实际相关性方差。在Ritland（1996a，2000）中详细描述了实际相关性方差的估计。对于2个性状（1和2），个体间的表型协方差（i和j）确定为：

加性遗传相关性估计为：

家谱重建的定量遗传参数

使用Wang（2004年）报告的似然法，将个体划分为完全同胞和半同胞，其中有嵌套的完全同胞。使用Colony 1.1程序（由J.Wang编写，网址：http://www.zoo.cam.ac.uk/ioz/software.htm）对7个微卫星位点的基因型数据进行了估算。
随后，在动物模型下，利用多性状无导数限制最大似然程序（Boldman等人1995年），利用重建的系谱估计数量性状的加性遗传和残余（co）方差。单性状和多性状分析的动物模型包括对动物的随机效应和残余效应。该模型中的遗传参数估计涉及使用个体之间的关系程度将亲属之间的表型协方差划分为其成分（Boldman等人，1995年）。