การทำแผนที่ QTL ตามครอบครัว

การทำแผนที่ ตำแหน่งยีนควบคุมลักษณะเชิงปริมาณหรือQTL mappingคือกระบวนการระบุบริเวณในจีโนมที่อาจมียีนที่รับผิดชอบต่อลักษณะสำคัญทางเศรษฐกิจ สุขภาพ หรือสิ่งแวดล้อม การทำแผนที่ QTL เป็นกิจกรรมสำคัญที่นักปรับปรุงพันธุ์พืชและนักพันธุศาสตร์ใช้เป็นประจำเพื่อเชื่อมโยงยีนที่เป็นสาเหตุที่เป็นไปได้กับลักษณะที่สนใจ การทำแผนที่ QTL แบบอิงกลุ่มตระกูล (Family-based QTL mapping)เป็นรูปแบบหนึ่งของการทำแผนที่ QTL ที่ใช้หลายกลุ่มตระกูล

ข้อมูลลำดับ วงศ์ตระกูลประกอบด้วยข้อมูลเกี่ยวกับบรรพบุรุษ การเก็บรักษาบันทึกลำดับวงศ์ตระกูลเป็นประเพณีที่มีมานานหลายศตวรรษ นอกจากนี้ยังสามารถตรวจสอบลำดับวงศ์ตระกูลได้โดยใช้ข้อมูลเครื่องหมายทางพันธุกรรม

วิธีการนี้ได้รับการกล่าวถึงในบริบทของประชากรพันธุ์พืช^{[ 1 ]}นักปรับปรุงพันธุ์พืชจะเก็บรักษาบันทึกประวัติพันธุ์ และการคัดเลือกตามประวัติพันธุ์เป็นที่นิยมในพืชหลายชนิด ประวัติพันธุ์ของพืชแตกต่างจากของมนุษย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งเนื่องจากพืชเป็นกะเทย – แต่ละต้นอาจเป็นเพศผู้หรือเพศเมีย และการผสมพันธุ์สามารถเกิดขึ้นได้ในรูปแบบสุ่ม โดยมีวงจรการผสมพันธุ์ในสายเลือดเดียวกัน นอกจากนี้ ประวัติพันธุ์ของพืชอาจมี "ตัวเอง" กล่าวคือ ลูกหลานที่เกิดจากการผสมเกสรตัวเองของพืช

 ตัวอย่างสัญลักษณ์กากบาทแบบง่าย / ครอสลำดับแรก SON 64/KLRE //, ครอสอันดับสอง IR 64/KLRE // CIAN0 /3/, ครอสลำดับที่สาม TOBS /3/ SON 64/KLRE // CIAN0 /4/, ครอสลำดับที่สี่ TOBS /3/ SON 64/KLRE // CIAN0 /4/ SEE /n/, ครอสลำดับที่ n สัญลักษณ์กากบาทด้านหลัง *จำนวนครั้งที่ใช้ back cross parent สัญลักษณ์กากบาทแบบง่ายทางด้านซ้าย พ่อแม่พันธุ์ที่ใช้ในการผสมกลับคือตัวเมีย ด้านขวา – เพศชาย ตัวอย่าง: SEE/3*ANE, TOBS*6/CIAN0 

แนวคิดของการทำแผนที่ QTL ตามตระกูลมาจากการสืบทอดของอัลลีลเครื่องหมายและการเชื่อมโยงกับลักษณะที่สนใจ^{[ 1 ]}ได้แสดงให้เห็นวิธีการใช้การเชื่อมโยงตามตระกูลในตระกูลการปรับปรุงพันธุ์พืช

ประชากรการทำแผนที่แบบดั้งเดิมประกอบด้วยครอบครัวเดียวที่ประกอบด้วยการผสมข้ามระหว่างพ่อแม่สองหรือสามพ่อแม่ซึ่งมักมีความสัมพันธ์ห่างไกลกัน มีข้อจำกัดที่สำคัญบางประการที่เกี่ยวข้องกับวิธีการทำแผนที่แบบดั้งเดิม ซึ่งบางส่วนได้แก่ อัตราโพลีมอร์ฟิซึมที่จำกัด และไม่มีการบ่งชี้ประสิทธิภาพของเครื่องหมายในพื้นหลังทางพันธุกรรมหลายแบบ บ่อยครั้งที่เมื่อถึงเวลาที่ประชากรการทำแผนที่ QTL ได้รับการพัฒนาและทำแผนที่แล้ว นักปรับปรุงพันธุ์ได้นำ QTL ใหม่เข้ามาโดยใช้วิธีการปรับปรุงพันธุ์และการคัดเลือกแบบดั้งเดิม ซึ่งอาจลดประโยชน์ของ MAS (การคัดเลือกโดยใช้เครื่องหมายช่วย) ภายในโปรแกรมการปรับปรุงพันธุ์ในช่วงเวลาที่ MAS จะมีประโยชน์มากที่สุด (เช่น ไม่นานหลังจากที่ระบุ QTL ใหม่ได้) ^{[ 2 ]}การทำแผนที่ QTL แบบอิงครอบครัวช่วยขจัดข้อจำกัดนี้โดยใช้ครอบครัวการปรับปรุงพันธุ์พืชที่มีอยู่

โดยทั่วไปแล้ว การออกแบบการศึกษาสามารถแบ่งออกได้เป็น 3 ประเภท ได้แก่ การออกแบบการศึกษาที่สุ่มตัวอย่างญาติจำนวนมากจากครอบครัวขยายหรือครอบครัวเดี่ยว การออกแบบการศึกษาที่สุ่มตัวอย่างญาติเป็นคู่ๆ (เช่น คู่พี่น้อง) และการออกแบบการศึกษาที่สุ่มตัวอย่างบุคคลที่ไม่เกี่ยวข้องทางสายเลือด

การเก็บรวบรวมตัวอย่างตามธรรมชาติของสิ่งมีชีวิต (ที่ถือว่าไม่เกี่ยวข้องกัน) โดยไม่ทราบลำดับวงศ์ตระกูล ถือเป็นประชากรสำหรับการทำแผนที่ทาง พันธุกรรม เทคนิค การทำแผนที่ความสัมพันธ์ทาง พันธุกรรมโดยใช้ประชากร นั้นอาศัยประชากรประเภทนี้ ในบริบทของพืช ประชากรประเภทนี้หาได้ยาก เนื่องจากสิ่งมีชีวิตส่วนใหญ่มีความสัมพันธ์กันทางใดทางหนึ่ง ข้อเสียอีกประการหนึ่งของวิธีนี้คือ แม้ว่าเราจะสามารถหาประชากรดังกล่าวได้ ก็ยังยากที่จะพบความถี่ของอัลลีล สูง สำหรับอัลลีลที่สนใจ (โดยปกติคืออัลลีลกลายพันธุ์) ในสถานการณ์เช่นนั้น เพื่อสร้างความสมดุลในความถี่ของอัลลีล จึงมักใช้การศึกษาแบบกรณีควบคุม

การออกแบบการสุ่มตัวอย่างดังกล่าวอาจรวมถึงพี่น้องสองคนจากหลายครอบครัวอิสระ สมาชิกในแต่ละคู่พี่น้องไม่ได้ถูกเลือกแบบสุ่ม โดยส่วนใหญ่มักจะเลือกพี่น้องทั้งสองคนจากส่วนปลายด้านใดด้านหนึ่ง (ด้านบนหรือด้านล่าง) ของการกระจายตัวของค่า QT (พี่น้องที่สอดคล้องกัน) หรือเลือกพี่น้องคนหนึ่งจากส่วนปลายด้านบนและอีกคนหนึ่งจากส่วนปลายด้านล่าง (พี่น้องที่ไม่สอดคล้องกัน) อีกรูปแบบหนึ่งของการสุ่มตัวอย่างอาจรวมถึงพี่น้องสองคน โดยคนหนึ่งถูกเลือกจากส่วนปลายด้านบนหรือด้านล่างของการกระจายตัว และอีกคนหนึ่งถูกเลือกแบบสุ่มจากพี่น้องที่เหลืออยู่

กลุ่มสามคนประกอบด้วยพ่อแม่และลูกหนึ่งคน (ซึ่งได้รับผลกระทบมากที่สุด) กลุ่มสามคนมักใช้ในการศึกษาความสัมพันธ์ แนวคิดของการทำแผนที่ความสัมพันธ์คือแต่ละกลุ่มสามคนไม่มีความสัมพันธ์กัน แต่ในความเป็นจริงแล้วกลุ่มสามคนเหล่านั้นมีความสัมพันธ์กันในตัวเอง

ครอบครัวนิวเคลียร์ประกอบด้วยลำดับวงศ์ตระกูลแบบง่ายๆ สองรุ่น

แผนผังลำดับวงศ์ตระกูลแบบขยายจะรวมถึงแผนผังลำดับวงศ์ตระกูลหลายรุ่น ซึ่งสามารถลึกหรือกว้างได้ตามข้อมูลลำดับวงศ์ตระกูลที่มีอยู่ แผนผังลำดับวงศ์ตระกูลแบบขยายมีความน่าสนใจสำหรับการวิเคราะห์โดยใช้การเชื่อมโยงทางพันธุกรรม

การวิเคราะห์การเชื่อมโยงและความสัมพันธ์เป็นเครื่องมือหลักสำหรับการค้นพบยีน การระบุตำแหน่ง และการวิเคราะห์การทำงาน^{[ 3 ] [ 4 ]}แม้ว่าพื้นฐานเชิงแนวคิดของวิธีการเหล่านี้จะเป็นที่รู้จักกันมานานแล้ว แต่ความก้าวหน้าในช่วงไม่กี่ทศวรรษที่ผ่านมาในด้านพันธุศาสตร์โมเลกุลการพัฒนาอัลกอริทึมที่มีประสิทธิภาพ และพลังการคำนวณได้ทำให้สามารถนำวิธีการเหล่านี้ไปประยุกต์ใช้ในวงกว้างได้ ในขณะที่การศึกษาการเชื่อมโยงพยายามระบุตำแหน่งที่ถ่ายทอดร่วมกับลักษณะภายในครอบครัว การศึกษาความสัมพันธ์พยายามระบุตัวแปรเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับฟีโนไทป์ในระดับประชากร วิธีการเหล่านี้เป็นวิธีการเสริมซึ่งกันและกัน ซึ่งเมื่อรวมกันแล้วจะช่วยให้สามารถสำรวจจีโนมและอธิบายสาเหตุของลักษณะที่ซับซ้อนได้ในการศึกษาการเชื่อมโยง เราพยายามระบุตำแหน่งที่ถ่ายทอดร่วมกับบริเวณจีโนมเฉพาะที่ติดแท็กด้วยเครื่องหมายโพลีมอร์ฟิกภายในครอบครัว ในทางตรงกันข้าม ในการศึกษาความสัมพันธ์ เราพยายามหาความสัมพันธ์ระหว่างความแปรผันทางพันธุกรรม เฉพาะ กับความแปรผันของลักษณะในตัวอย่างของแต่ละบุคคล ซึ่งบ่งชี้ถึงบทบาทเชิงสาเหตุของตัวแปรนั้น

การเชื่อมโยงทางพันธุกรรมเป็นปรากฏการณ์ที่อัลลีลในตำแหน่งต่างๆ กันมีการถ่ายทอดร่วมกันในครอบครัว ความแข็งแกร่งของการถ่ายทอดร่วมกันวัดได้จากเศษส่วนการรวมตัวใหม่ θ ซึ่งเป็นความน่าจะเป็นของการรวมตัวใหม่เป็นจำนวนคี่ แผนผังลำดับวงศ์ตระกูลที่ซับซ้อนกว่าจะให้กำลังการวิเคราะห์ที่สูงกว่าการประมาณเมทริกซ์ความเหมือนกันโดยการ สืบทอด (IBD) เป็นองค์ประกอบสำคัญในการทำแผนที่ตำแหน่งลักษณะเชิงปริมาณ (QTL) โดยใช้แบบจำลองส่วนประกอบความแปรปรวน อัลลีลมีความเหมือนกันโดยประเภท (IBT) เมื่อมีผลต่อลักษณะทางฟีโนไทป์เหมือนกัน อัลลีลที่เหมือนกันโดยประเภทแบ่งออกเป็นสองกลุ่ม คือ กลุ่มที่เหมือนกันโดยการสืบทอด (IBD) เพราะเกิดขึ้นจากอัลลีลเดียวกันในรุ่นก่อน และกลุ่มที่ไม่เหมือนกันโดยการสืบทอด (NIBD) หรือเหมือนกันโดยสถานะ (IBS) เพราะเกิดขึ้นจากการกลายพันธุ์ที่แยกจากกัน คู่พ่อแม่-ลูกแบ่งปันยีน 50% โดย IBD และฝาแฝดโมโนไซโกติกแบ่งปันยีน 100% โดย IBD สิ่งที่สำคัญในการวิเคราะห์การเชื่อมโยงทางพันธุกรรมคือการถ่ายทอด (หรือการถ่ายทอดร่วม) ของอัลลีลในตำแหน่งที่อยู่ติดกัน ดังนั้น การพิจารณาว่าอัลลีลนั้นเหมือนกันโดยการสืบทอด (เช่น เป็นสำเนาจากอัลลีลของพ่อแม่เดียวกัน) หรือเหมือนกันโดยสถานะเท่านั้น (เช่น ดูเหมือนกัน แต่ได้มาจากสำเนาของอัลลีลสองชุดที่แตกต่างกัน) จึงมีความสำคัญอย่างยิ่ง ดังนั้น การวิเคราะห์การเชื่อมโยงทางพันธุกรรมแบบอิงครอบครัวจึงแบ่งออกเป็นสามประเภท ได้แก่ แบบใช้แบบจำลองอย่างเข้มงวด (แบบจำลอง lod score แบบดั้งเดิม) แบบใช้แบบจำลองอย่างอ่อน (วิธีการส่วนประกอบความแปรปรวน) หรือแบบไม่ใช้แบบจำลอง วิธีการส่วนประกอบความแปรปรวนอาจมองได้ว่าเป็นลูกผสม

ภาวะไม่สมดุลของการเชื่อมโยง ( Linkage disequilibrium , LD) และการทำแผนที่ความสัมพันธ์กำลังได้รับความสนใจอย่างมากใน วงการ พันธุศาสตร์ พืช เนื่องจากมีศักยภาพในการใช้ชุดทรัพยากรทางพันธุกรรมที่มีอยู่เพื่อทำแผนที่ตำแหน่งลักษณะเชิงปริมาณ (Quantitative Trait Loci, QTL) อย่างละเอียด ตรวจสอบความถูกต้องของยีนเป้าหมาย และระบุอัลลีลที่สนใจ (Yu และ Buckler, 2006) องค์ประกอบสามประการที่มีความสำคัญเป็นพิเศษสำหรับการทำแผนที่ความสัมพันธ์หรือการตีความผลลัพธ์ ได้แก่:

1. การวิเคราะห์โครงสร้างประชากรออกเป็นกลุ่มย่อย
2. การนำไปใช้เพื่อควบคุมความสัมพันธ์และผลลัพธ์ที่ผิดพลาดในกรณีเฉพาะของการคัดเลือกที่แตกต่างกันระหว่างกลุ่มย่อย และ
3. การวิเคราะห์โครงสร้างท้องถิ่นของ LD ลงในแฮพลอไทป์และผลที่ตามมาต่อความละเอียดและการประยุกต์ใช้การทำแผนที่ LD (Flint-Garcia et al. 2003)

เมื่อเปรียบเทียบกับการทดสอบความสัมพันธ์โดยอิงจากประชากร การทดสอบความสัมพันธ์โดยอิงจากครอบครัวกำลังได้รับความนิยมมากขึ้น

การทดสอบความสัมพันธ์แบบครอบครัว (Tran-disequilibrium test: TDT) ได้รับความนิยมอย่างกว้างขวางในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา วิธีนี้เน้นที่อัลลีลที่ถ่ายทอดไปยังลูกหลานที่เป็นโรคเช่นกัน แต่ได้รับการกำหนดสูตรให้คำนึงถึงทั้งการเชื่อมโยงและความไม่สมดุลที่เป็นพื้นฐานของความสัมพันธ์ การทดสอบนี้ต้องการข้อมูลจีโนไทป์ของบุคคลสามคน ได้แก่ เด็กที่เป็นโรคและพ่อแม่ทางชีววิทยาของทั้งสองคน และอย่างน้อยหนึ่งในพ่อแม่ต้องเป็นเฮเทอโรไซกัสเพื่อให้การทดสอบมีข้อมูลที่เป็นประโยชน์สถิติการทดสอบ ที่เสนอ คือสถิติไคสแควร์ของแมคนีมาร์และทดสอบสมมติฐานว่างที่ว่าอัลลีลที่คาดว่าเกี่ยวข้องกับโรคจะถูกส่งต่อ 50% ของเวลาจากพ่อแม่ที่เป็นเฮเทอโรไซกัส เทียบกับสมมติฐานทางเลือกที่ว่าอัลลีลที่เกี่ยวข้องกับลักษณะเชิงบวกจะถูกส่งต่อบ่อยกว่า การทดสอบ TDT ไม่ได้รับผลกระทบจากการแบ่งชั้นประชากรและการผสมผสาน แนวคิดของการทดสอบความสัมพันธ์แบบครอบครัวได้รับการขยายไปสู่ลักษณะเชิงปริมาณแล้ว

การทดสอบ TDT ได้รับการขยายขอบเขตในบริบทของลักษณะเชิงปริมาณและครอบครัวนิวเคลียร์หรือครอบครัวขยาย การทดสอบแบบทั่วไปช่วยให้สามารถใช้ครอบครัวประเภทใดก็ได้ในการทดสอบ นอกจากนี้ QTDT ยังได้รับการขยายไปสู่การทำแผนที่ความสัมพันธ์แบบอิงแฮปโลไทป์ แฮปโลไทป์หมายถึงการรวมกันของอัลลีลของเครื่องหมายที่อยู่ใกล้กันบนโครโมโซมเดียวกันและมีแนวโน้มที่จะถูกถ่ายทอดร่วมกัน ด้วยความพร้อมใช้งานของเครื่องหมาย SNP ที่มีความหนาแน่นสูง แฮปโลไทป์จึงมีบทบาทสำคัญในการศึกษาความสัมพันธ์ ประการแรก แฮปโลไทป์มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจรูปแบบ LD ทั่วทั้งจีโนม ซึ่งเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการศึกษาความสัมพันธ์ อันที่จริงแล้ว ไม่มีวิธีใดที่ดีไปกว่าการทำความเข้าใจรูปแบบ LD มากไปกว่าการรู้จักแฮปโลไทป์เอง แฮปโลไทป์บอกเราว่าอัลลีลถูกจัดเรียงอย่างไรตามโครโมโซมและสะท้อนรูปแบบการถ่ายทอดทางพันธุกรรมในการประเมิน ประการที่สอง วิธีการที่ใช้แฮปโลไทป์อาจมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีการที่ใช้เครื่องหมายเดี่ยวในการศึกษาความสัมพันธ์ของการทำแผนที่ยีนลักษณะที่ซับซ้อน

มีซอฟต์แวร์วาดแผนผังลำดับวงศ์ตระกูลหลายตัวที่ใช้ในบริบทพันธุศาสตร์ของมนุษย์ เช่น COPE (COllaborative Pedigree drawing Environment), CYRILLIC, FTM (Family Tree Maker), FTREE, KINDRED, PED (PEdigree Drawing software), PEDHUNTER, PEDIGRAPH, PEDIGREE/DRAW, PEDIGREE-VISUALIZER, PEDPLOT, PEDRAW/WPEDRAW (Pedigree Drawing/ Window Pedigree Drawing (MS-Window and X-Window version of PEDRAW)), PROGENY (Progeny Software, LLC) เป็นต้น อย่างไรก็ตาม การวาดแผนผังลำดับวงศ์ตระกูลในพืชต้องการคุณสมบัติเพิ่มเติมบางอย่าง เช่น การผสมพันธุ์ในสายเลือดเดียวกัน การผสมตัวเอง การกลายพันธุ์ โพลีพลอยดี เป็นต้น ซึ่งPedimap รองรับคุณสมบัติเหล่า นี้ โปรแกรม Pedimap สามารถใช้สำหรับการแสดงภาพลำดับวงศ์ตระกูล พร้อมด้วยข้อมูลลักษณะทางฟีโนไทป์ จีโนไทป์ และความน่าจะเป็นของ IBD ในลำดับวงศ์ตระกูลของพืชทุกประเภท ทั้งในพืชดิพลอยด์และเตตราพลอยด์

• การผสมพันธุ์สัตว์
• ความสัมพันธ์ทางพันธุกรรม
• การเลือกโดยใช้เครื่องหมายช่วย
• เครื่องหมายโมเลกุล
• การทำแผนที่ความสัมพันธ์แบบซ้อนกัน
• การปรับปรุงพันธุ์ข้าวสาลีทางสรีรวิทยาและโมเลกุล