BSA分析(一)——原理及发展史

背景及原理

BSA(Bulk Segregation Analysis)最早是由Michelmore等人(Michelmore et al., 1991)提出,该实验室起初是为了鉴定F2群体中和Dm5/8(生菜霜霉病抗性位点)连锁的分子标记。该实验通过对极端表型分组(每组内20个左右单株形成混池),然后基于分子标记(AFLP,RAPD,SCAR,SSR等)观察混池中的条带多态性情况,从而锁定与目标位点连锁的分子标记。


BSA的基本原理:如果某个标记在同一个分组内所有混池中的条带有差异,且两极端性状分组混池的条带一致,则说明该标记和目标序列区段不连锁;如果一个混池中条带无差异,且在两极端混池条带呈现多态性,则说明该标记和目标序列区段连锁。即在两个混池之间,与目标性状相关的等位基因以及与其连锁的等位基因频率存在差异,而其他等位基因的频率大致相同。因此,BSA单次也只能研究1个目标性状,考虑到遗传背景较复杂,可能导致定位结果不理想,所以不太推荐使用自然群体进行BSA研究。

分析流程

BSA的分析流程一般包括以下几步:
1、选择合适亲本,构建遗传群体;
2、调查表型,选取极端表型的个体构建亲本及极端混池;
3、对极端混池及亲本进行高通量测序,选择合适的算法进行数据分析;
4、结合物种的参考基因组序列,对定位区间基因做功能注释,做进一步的分析。
!!!好的开头可以事半功倍,BSA分析的关键就是前期群体构建、表型选择测定及测序数据的完整性。

BSA分析流程示意图(Xu et al., 2022)

发展史

时间轴主要参考2022年发表的关于BSA的万字综述(Xu et al., 2022),并对后续时间线做了些许补充。


BSA分析方法发展时间轴

相关工具及工具包含算法
该图也是在Li & Xu发表的综述(Xu et al., 2022)的基础上做了后续时间点的一点补充。主要说明了不同群体一般适用的算法,以及已发表的工具所包含的算法种类。后续推文中会详细介绍一些常见软件的下载安装使用,这里不再赘述。


BSA分析材料,适用算法及可利用软件(包括R语言包等)

适用群体

BSA定位性状适用的群体包括遗传分离群体、自然群体、多家系群体等。
遗传分离群体包括F1、F2或F2:3衍生群体、回交BC(back crossing)群体、重组自交系RIL(recombined inbred lines)群体、近等基因系NIL(near isogenic lines)群体、双单倍体DH(doubled haploid)群体以及多亲本的NAM群体,MAGIC(Multiparent Advanced Generation Intercross)群体,ROAM(Random-Open-Parent Association Mapping)群体等。另外,还包括一些次级分离群体,比如染色体片段代换系(Chromosome Segment Substitution Lines,CSSL),剩余杂合系(Residual Heterozygous Line,RHL)等等。理论上只要是一个双亲的分离群体,均可以进行BSA分析。
Pool-GWAS适合于多家系的材料;XP-GWAS适用于自然群体,依据感兴趣的表型进行极端混池的构建,与遗传分离群体类似。

常见遗传分离群体构建

暂时性分离群体:如F1、F2、BC1等,这类群体可以在短期内构建,其分离单位是个体,不稳定,一经自交或近交其遗传组成就会发生变化,无法永久使用。
永久性分离群体:如RIL、DH群体等,这类群体构建费时费力,其分离单位是株系,不同株系之间存在基因型的差异,而株系内个体间的基因型是相同且纯合的,是自交不分离的。这类群体可通过自交或近交繁殖后代,而不会改变群体的遗传组成,可以永久使用。


普通分离群体构建(a)和 突变群体构建(b)

参考文献

Michelmore RW, Paran I, Kesseli RV. Identification of markers linked to disease-resistance genes by bulked segregant analysis: a rapid method to detect markers in specific genomic regions by using segregating populations. Proc Natl Acad Sci U S A. 1991 Nov 1;88(21):9828-32. doi: 10.1073/pnas.88.21.9828. PMID: 1682921; PMCID: PMC52814.
Zou C, Wang P, Xu Y. Bulked sample analysis in genetics, genomics and crop improvement. Plant Biotechnol J. 2016 Oct;14(10):1941-55. doi: 10.1111/pbi.12559. Epub 2016 Apr 28. PMID: 26990124; PMCID: PMC5043468.
Li Z, Xu Y. Bulk segregation analysis in the NGS era: a review of its teenage years. Plant J. 2022 Mar;109(6):1355-1374. doi: 10.1111/tpj.15646. Epub 2022 Feb 14. PMID: 34931728.

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