Luận án tiến sĩ Sinh học: Chọn tạo giống lúa hàm lượng amylose thấp bằng chỉ thị phân tử SSR trên quần thể lai hồi giao

Chia sẻ: Phong Tỉ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:182

Thêm vào BST

Báo xấu

55
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục đích nghiên cứu của luận án nhằm nghiên cứu, chọn tạo các dòng/giống lúa có phẩm chất tốt liên quan đến chỉ tiêu hàm lượng amylose thấp dựa trên sự kết hợp giữa phương pháp lai hồi giao và chọn giống bằng chỉ thị phân tử.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ Sinh học: Chọn tạo giống lúa hàm lượng amylose thấp bằng chỉ thị phân tử SSR trên quần thể lai hồi giao

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ HỒ VĂN ĐƯỢC CHỌN TẠO GIỐNG LÚA HÀM LƯỢNG AMYLOSE THẤP BẰNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ SSR TRÊN QUẦN THỂ LAI HỒI GIAO LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÃ NGÀNH: 9 42 02 01 CẦN THƠ, 2018
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ HỒ VĂN ĐƯỢC CHỌN TẠO GIỐNG LÚA HÀM LƯỢNG AMYLOSE THẤP BẰNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ SSR TRÊN QUẦN THỂ LAI HỒI GIAO LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC MÃ NGÀNH: 9 42 02 01 CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC GS.TS. NGUYỄN THỊ LANG CẦN THƠ, 2018
i
LỜI CẢM ƠN Tôi xin trân thành cảm ơn sâu sắc đến: Giáo viên hướng dẫn đã dành nhiều thời gian quý báu, công sức và tận tình chỉ dẫn tôi trong thời gian thực hiện luận án và theo học tại trường. Quý Thầy Viện NC&PT Công nghệ Sinh học đã tư vấn, động viên, hỗ trợ chuyên môn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho việc nghiên cứu và học tập tại Viện. Xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến Ban Lãnh đạo, Quý thầy cô, anh chị em Bộ môn Di Truyền Chọn giống cây trồng Viện lúa Đồng Bằng Sông Cửu Long; Ban lãnh đạo Viện NC&PT Công nghệ Sinh học trường Đại học Cần Thơ; đã sắp xếp công việc cũng như tạo điều kiện thuận lợi về thời gian và cơ sở vật chất để tôi có thể hoàn thành chương trình học tập và luận án đúng tiến độ. Cuối cùng, sự thành công của luận án không thể không kể đến sự đóng góp không nhỏ của các thành viên trong gia đình, sự tạo điều kiện thuận lợi của Lãnh đạo cơ quan và các đồng nghiệp cơ quan, những người luôn ủng hộ, động viên và giúp tôi vượt qua rất nhiều khó khăn trong thời gian học tập. Chân thành cám ơn./. ii
TÓM TẮT Gạo chất lượng cao đang là nhu cầu cấp thiết cho nội tiêu và xuất khẩu của vùng đồng bằng Sông Cửu Long. Hàm lượng amylose là một tính trạng quan trọng liên quan trực tiếp đến phẩm chất của hạt gạo. Nghiên cứu giống lúa có hàm lượng amylose thấp thông qua sự kết hợp giữa phương pháp lai tạo truyền thống và chọn lọc hiện đại bằng chỉ thị phân tử cho phép rút ngắn thời gian và tăng hiệu quả tạo chọn giống lúa có chất lượng ngon dẻo. Trong nghiên cứu này, vật liệu bố mẹ được đánh giá đầu tiên sử dụng phương pháp phân tích kiểu hình dựa trên hàm lượng amylose và năng suất kết hợp đánh giá kiểu gen với gen mục tiêu waxy. Các quần thể lai hồi giao được tạo ra từ các bố mẹ được lựa chọn. Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS) được ứng dụng trong chọn lọc các tổ hợp lai với chỉ thị Wx cho gen mục tiêu, RM240, RM162, RM256 và RM257 cho gen được đánh dấu trên các cá thể mẹ (gen tái tổ hợp). Các cá thể/dòng phù hợp sẽ được chọn cho tự thụ đến thế hệ thứ hai (F2). Ở thế hệ này, bản đồ GGT được thiết lập trên 12 nhiễm sắc thể để đánh giá mối quan hệ di truyền của các cá thể chọn và qua đó tuyển lựa các cá thể có nền tảng di truyền thích hợp nhất với mục tiêu chọn giống. Các cá thể triển vọng nhất cuối cùng được chọn lọc dựa vào hàm lượng amylose thấp (~20%) và năng suất cao (~7,0 tấn/ha) trên đồng ruộng. Kết quả chọn lọc vật liêu lai cho thấy các giống bố cho gen (donor) thích hợp là Jasmine85, KDML105 và OM7347, và các giống mẹ nhận gen (recipient) bao gồm OM6976, OM5930 và OM6073. Khi phân tích hệ số di truyền (h2BS) cũng như hiệu quả chọn lọc (GA) ở thế hệ F2, chỉ có 3 tổ hợp lai OM6976/Jasmine85, OM6976/KDML105 và OM5930/OM7347 được đánh giá là có tiềm năng nhất để tiếp tục phát triển. Ba tổ hợp lai hồi giao (OM6976/Jasmine85//OM6976, OM6976/KDML105//OM6976 và OM5930/OM7347//OM5930) được chọn lọc đến thế hệ BC4. Ở thế hệ BC4F1, 10 cá thể của tổ hợp OM6976/Jasmine85//OM6976, 2 cá thể của tổ hợp OM6976/KDML105//OM6976 và 1 cá thể của tổ hợp OM5930/OM7347//OM5930 được chọn vì các dòng này vừa mang gen waxy dị hợp tử và vừa mang 4 gen tái tổ hợp đồng hợp tử. Phân tích bản đồ GGT ở thế hệ BC4F2 cho thấy tổ hợp OM6976/Jasmine85//OM6976 có 4 dòng (BC4F2-1, BC4F2-3, BC4F2-20 và BC4F2-25), tổ hợp OM6976/KDML105//OM6976 có 1 dòng (BC4F2-44) và tổ hợp OM5930/OM7347//OM5930 có 2 dòng (BC4F2-16 và BC4F2-40) mang gen waxy đồng hợp và 100% đồng hợp tử gen tái tổ hợp trên cả 12 nhiễm sắc thể. Ở thế hệ BC4F3, các dòng lúa trên tiếp tục được lựa chọn trên đồng ruộng, iii
trong đó, các dòng lúa D75, D131, D142, D150, D296, D233, D230 và D397 là triển vọng nhất. Các dòng này có tiềm năng phát triển ở vùng đồng bằng Sông Cửu Long cũng như là nguồn vật liệu quý cho các nghiên cứu tiếp theo. Từ khóa: quần thể lai hồi giao, chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS), gen waxy, hàm lượng amylose, năng suất iv
SUMMARY High quality rice is an imperative demand for domestic consumption and export of the Mekong Delta. Amylose content is an important trait that directly relates to the quality of rice grains. Research on the low amylose content in rice through a combination of traditional crossing and modern selection methods by molecular markers to shorten the time and increase the efficiency of selecting good quality rice varieties. In this study, parent materials were firstly evaluated through phenotypic analysis based on amylose content and yield combined with genotypic analysis of the target gene “waxy”. Backcross populations were generated from selected parents. Marker-assisted selection (MAS) was applied in choosing individuals with Wx marker for the waxy gene, and 4 markers, RM240, RM162, RM256 and RM257, for recombinant genes. Selected individuals were selfed to the second generation (F2). In this generation, the GGT map was established on 12 chromosomes to assess the genetic relationships among selected individuals, and thereby candidating individuals with the most genetic background to match the breeding objective. Finally, the most elite individuals were selected based on low amylose content (~ 20%) and high yield (~ 7.0 tons/ha) in the field. As a result, the suitable donor genotypes were Jasmine85, KDML105 and OM7347, and recipient genotypes included OM6976, OM5930 and OM6073. Based on heritability (h2BS) as well as genetic advance (GA) in the F2 generation, three hybridizations, OM6976/Jasmine85, OM6976/KDML105 and OM5930/OM7347, were most potential to grow. The three backcross populations (OM6976/Jasmine85//OM6976, OM6976/KDML105//OM6976 and OM5930/OM7347//OM5930) were selected untill to BC4 generation. In the BC4F1 generation, 10 individuals of OM6976/Jasmine85/OM6976, 2 individuals of OM6976/KDML105//OM6976 and 1 individual of OM5930/OM7347//OM5930 were selected because these lines carried the heterozygote waxy gene and four homozygous recombinant genes. The analysis of the GGT map at BC4F2 showed that the population of OM6976/ Jasmine85//OM6976 with 4 lines (BC4F2-1, BC4F2-3, BC4F2-20 and BC4F2- 25), the population of OM6976/KDML105//OM6976 with 1 line (BC4F2-44), and the population of OM5930/OM7347//OM5930 with (BC4F2-16 and BC4F2-40) carried both of the target gene and 100% homozygous recombinant genes in all 12 chromosomes. In the BC4F3 generation, the rice lines were selected on the field, in which, the eight best lines were D75, D131, D142, D150, D296, D233, D230 and D397. These rice lines were considered to be v
ability to develop in the Mekong Delta as well as a valuable resource for further research. Key word: backcross population, MAS, waxy gene, amylose content, yield. vi
MỤC LỤC Trang LỜI CAM ĐOAN………………………………………………………….. i LỜI CẢM ƠN………………………………………………………... ii TÓM TẮT……………………………………………………………. iii SUMMARY………………………………………………………….. v MỤC LỤC……………………………………………………………. vii DANH SÁCH BẢNG………………………………………………... xii DANH SÁCH HÌNH………………………………………………… xiii DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT…………………………………. xvi Chương 1: GIỚI THIỆU……………………………………………. 1 1.1 Đặt vấn đề ……………………………………………………………… 1 1.2 Mục tiêu nghiên cứu …………………………………………………… 2 1.2.1 Mục tiêu tổng quát ………………………………………………………….. 2 1.2.2 Mục tiêu nghiên cứu cụ thể ………………………………………………. 2 1.3 Nội dung nghiên cứu …………………………………………………… 3 1.3.1 Nội dung 1: Đánh giá vật liệu bố mẹ sử dụng trong nghiên cứu chọn tạo giống lúa phẩm chất cao có hàm lượng amylose thấp…………………………………………………………………………………… 3 1.3.2 Nội dung 2: Đánh giá hiệu quả di truyền của các tổ hợp lai………….. 3 1.3.3 Nội dung 3: Chọn tạo quần thể lai hồi giao có hàm lượng amylose thấp thông qua MAS……………………………………………………………….. 3 1.3.4 Nội dung 4: Chọn lọc các quần thể hồi giao BCnF2 thông qua lập bản đồ GGT………………………………………………………………………………. 3 1.3.5 Nội dung 5: Đánh giá và chọn lọc cá thể có hàm lượng amylose và năng suất cao trên các quần thể lai hồi giao BCnF3 ………………................. 3 1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ………………………………. 4 1.4.1 Ý nghĩa khoa học ……………………………………………...................... 4 1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn ……………………………………………...................... 4 vii
1.5 Tính khoa học của đề tài ………………………………………….......... 4 1.6 Những đóng góp mới của đề tài …………………………………........... 5 1.7 Tính ứng dụng của đề tài ……………………………………………….. 5 1.8 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ……………………………………… 5 Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ……………………………… 6 2.1 Các chỉ tiêu phẩm chất của hạt gạo …………………………………….. 6 2.1.1 Hàm lượng amylose (AC) ………………………………………………….. 6 2.1.2 Độ bền gel (GC) …………………………………………………………….. 7 2.1.3 Độ trở hồ (GT) ……………………………………………………………… 8 2.2 Sơ lược về hàm lượng amylose ………………………………………… 9 2.2.1 Sự hình thành tinh bột ở cây lúa …………………………………………. 9 2.2.2 Amylose và amylopectin……………………….. …………………………. 9 2.2.3 Cơ sở di truyền tính trạng hàm lượng amylose ………………………… 11 2.3. Phương pháp lai hồi giao trong chọn tạo giống lúa……………………... 14 2.3.1 Một số khái niệm trong phương pháp lai hồi giao ……………………... 14 ...2.3.2 Ưu điểm của phương pháp lai hồi giao ………………………….......... 16 2.3.3 Ưu điểm của phương pháp lai hồi giao …………………………............. 16 2.4 Ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa ……………………. 17 2.4.1 Sơ lược về phương pháp chọn lọc bằng chỉ thị phân tử …………......... 17 2.4.2 Một số thành tựu của chỉ thị SSR trong chọn giống lúa ……………...... 18 2.5 Chọn tạo giống bằng phương pháp lai hồi giao kết hợp với chỉ thị phân tử……………………………………………………………………………. 19 2.5.1 Các giả thuyết mô hình MAS ……………………………………………… 19 2.5.2 Điều kiện để ứng dụng MAS ……………………………………………… 20 2.5.3 Đối với các tính kháng sinh học ............................................................ 22 2.5.4 Đối với các tính kháng phi sinh học ...................................................... 23 2.5.5 Đối với các đặc tính nông học .............................................................. 23 2.6 Các kết quả nghiên cứu giống phẩm chất cao trong và ngoài nước ........ 23 viii
Chương 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………………………….. 26 3.1 Địa điểm và thời gian nghiên cứu …………………………………………... 26 3.2 Vật liệu nghiên cứu …………………………………………………………. 26 3.3 Phương pháp nghiên cứu ……………………………………………………. 27 3.3.1 Nội dung 1: Đánh giá vật liệu bố mẹ sử dụng trong nghiên cứu chọn tạo giống lúa phẩm chất cao có hàm lượng amylose thấp ………………………….. 27 3.3.1.1 Đánh giá hàm lượng amylose ………………………………………………… 27 3.3.1.2 Đánh giá các đặc tính nông học, các thành phần năng suất và năng suất 27 3.3.1.3 Phân nhóm đa dạng di truyền kiểu hình ………………………................... 28 3.3.1.4 Đa dạng nguồn gen trên các giống lúa bố mẹ ……………………….......... 29 3.3.2 Nội dung 2: Đánh giá hiệu quả di truyền của các tổ hợp lai ……………… 31 3.3.2.1 Lai tạo lúa trong nhà lưới ……………………………………….................... 31 3.3.2.2 Đánh giá hiệu quả chọn lọc tính trạng mục tiêu dựa trên các quần thể lai F2 ………………………………………………………………………………………. 33 3.3.3 Nội dung 3: Chọn tạo quần thể lai hồi giao có hàm lượng amylose thấp thông qua MAS …………………………………………………………………. 33 3.3.4 Nội dung 4: Chọn lọc các quần thể hồi giao BCnF2 thông qua lập bản đồ GGT ……………………………………………………………………………... 35 3.3.4.1 Kiểm tra kiểu gen của quần thể con lai trên 12 nhiễm sắc thể dựa trên các chỉ thị phân tử đa hình giữa cây bố và mẹ ……………………………………… 35 3.3.4.2 Lập bản đồ GGT đánh giá sự di truyền của quần thể con lai, qua đó 35 chọn lọc các cá thể mang gen mục tiêu mong muốn ……….................................. 3.3.5 Nội dung 5: Đánh giá và chọn lọc cá thể có hàm lượng amylose và năng 36 suất cao trên các quần thể lai hồi giao BCnF3 …………………………………… 3.3.5.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm ………………………………………………. 36 3.3.5.2 Đánh giá kiểu hình và kiểu gen liên quan hàm lượng amylose trên quần thể con lai ………………………………………………………………………………… 37 3.3.5.3 Đánh giá các thành phần năng suất và năng suất để chọn lọc các dòng con lai ưu tú vừa có hàm lượng amylose thấp vừa có năng suất cao…………….. 40 3.3.6. Phương pháp xử lý số liệu ........................................................................... 40 ix
Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN……………………………….......... 41 4.1. Đánh giá vật liệu bố mẹ sử dụng trong nghiên cứu chọn tạo giống lúa phẩm chất cao có hàm lượng amylose thấp ……………………………….................... 41 4.1.1 Đánh giá hàm lượng amylose trên bộ giống vật liệu lai ……………………. 41 4.1.2 Đánh giá đặc tính nông học trên bộ giống lúa vật liệu lai …………............ 42 4.1.3 Đánh giá các thành phần năng suất và năng suất trên bộ giống lúa vật liệu lai …………………………………………………………………………................ 43 4.1.4 Phân nhóm đa dạng di truyền kiểu hình của bộ giống lúa vật liệu lai……………………………………………………………………………………………….. 44 4.1.5 Đa dạng nguồn gen trên các giống lúa bố mẹ ………………………............. 48 4.2 Đánh giá hiệu quả di truyền của các tổ hợp lai ……………………….......... 51 4.2.1Tạo các quần thể F1 ………………………………………………………………. 51 4.2.2 Đánh giá hiệu quả chọn lọc tính trạng mục tiêu dựa trên các quần thể lai F2 ………………………………………………………………………........................... 51 4.3 Chọn tạo quần thể lai hồi giao có hàm lượng amylose thấp thông qua MAS…………………………………………………………………................... 56 4.3.1 Kết quả lai tạo quần thể hồi giao OM6976/Jasmine85//OM6976 …………. 56 4.3.2 Kết quả lai tạo quần thể hồi giao OM6976/KDML//OM6976 …................. 64 4.3.3 Kết quả lai tạo quần thể hồi giao OM5930/OM7347//OM5930 …………… 67 4.4 Chọn lọc các quần thể hồi giao BC4F2 thông qua lập bản đồ GGT…………. 69 4.4.1 Chọn lọc các cá thể BC4F2 của quần thể lai hồi giao OM6976/ Jasmine85// OM6976 ………………………………………………………………………… 69 4.4.2 Chọn lọc các cá thể BC4F2 của quần thể lai hồi giao OM6976/ KDML105// OM6976 …………………………………………………………... 71 4.4.3 Chọn lọc các cá thể BC4F2 của quần thể lai hồi giao OM5930/ OM7347// OM5930 ………………………………………………………............................ 72 4.5 Đánh giá và chọn lọc cá thể có hàm lượng amylose thấp và năng suất cao trên các quần thể lai hồi giao BC4F3 ……………………………………………. 75 4.5.1 Đánh giá và chọn lọc cá thể có hàm lượng amylose thấp và năng suất cao trên các quần thể lai hồi giao BC4F3 của tổ hợp 75 OM6976/Jasmine85//OM6976………………………………………………….. x
4.5.2 Đánh giá và chọn lọc cá thể có hàm lượng amylose và năng suất cao trên các quần thể lai hồi giao BC4F3 của tổ hợp 79 OM6976/KDML105//OM6976…………………………………………………. 4.5.3 Đánh giá và chọn lọc cá thể có hàm lượng amylose và năng suất cao trên các quần thể lai hồi giao BC4F3 của tổ hợp OM5930/OM7347//OM5930…………………………………………………… 84 4.6 Thảo luận……………………………………………………………………. 88 Chuơng 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ……………………………………………… 93 TÀI LIỆU THAM KHẢO ........................................................................................... 96 PHỤ LỤC……………………………………………………………………………… 109 xi
DANH SÁCH BẢNG Trang Bảng 2.1: Sự hiểu biết về Haplotype trong gạo dựa trên các đột biến gen Waxy……... 13 Bảng 2.2 Sự tương quan giữa số thế hệ BCnF1 với tỷ lệ kiểu gen của dòng triển vọng (nhận gen mong muốn) được đưa vào con lai BCnF1……………………………. 21 Bảng 3.1: Các chỉ thị phân tử liên kết các gen liên quan đến năng suất và thành 26 phần năng suất trên các giống lúa bố mẹ Bảng 3.2 Thành phần dung dịch đệm ly trích ADN và TE buffer (pH = 8) …………... 30 Bảng 3.3 Các thành phần của gel polyacrylamide và agarose được sử dụng…….......... 31 Bảng 3.4 Thang điểm đánh giá nhiệt trở hồ theo tiêu chuẩn của IRRI ........................... 38 Bảng 3.5 Phân loại độ bền thể gel theo tiêu chuẩn SES (IRRI, 1996) ………………… 39 Bảng 4.1 Kết quả đánh giá đa hình các chỉ thị phân tử liên kết các gen liên quan đến năng suất và thành phần năng suất trên các giống lúa bố mẹ…………………….. 50 Bảng 4.2 Số lượng các cá thể F1 của các quần thể lai được tạo ra…………………….. 51 Bảng 4.3 Các thông số di truyền và hiệu quả chọn lọc của các tổ hợp lai ……………. 55 Bảng 4.4 Số lượng cá thể chọn lọc qua các thế hệ F1 đến BC4F1 .................................... 57 Bảng 4.5 Số lượng cá thể chọn lọc qua các thế hệ F1 đến BC4F1 ……………………… 66 Bảng 4.6 Số lượng cá thể chọn lọc qua các thế hệ F1 đến BC4F1 ……………….... 68 Bảng 4.7 Phẩ m chấ t các dòng BC4F3 của quầ n thể OM6976/Jasmine85//OM6976 trong vu ̣Đông Xuân 2016-2017 …………………………………………………......... 76 Bảng 4.8 Năng suất và một số yếu tố cấu thành năng suất của các dòng BC4F3 trong vụ Đông Xuân 2016-2017 ………………………………………………………. 78 Bảng 4.9 Phẩ m chấ t các dòng BC4F3 của quầ n thể OM6976/KDML105//OM6976 trong vu ̣Đông Xuân 2016-2017 …………………………………………………......... 80 Bảng 4.10 Năng suất và một số yếu tố cấu thành năng suất của các dòng BC4F3 trong vụ Đông Xuân 2016-2017 ………………………………………………………. 83 Bảng 4.11 Phẩ m chấ t các dòng BC4F3 của quầ n thể OM5930/OM7347//OM5930 trong vu ̣Đông Xuân 2016-2017……………………………………………………….. 85 Bảng 4.12 Năng suất và một số yếu tố cấu thành năng suất của các dòng BC4F3 trong vụ Đông Xuân 2016-2017 ………………………………………………………. 87 xii
DANH SÁCH HÌNH Trang Hình 2.1 Cấu trúc của (a) amylose và (b) amylopectin (Liu, 2005) …………… 10 Hình 2.2 Sơ đồ phương pháp lai hồi giao ……………………………………… 15 Hình 2.3 Giá trị trung bình của gen phục hồi qua từng thế hệ hồi giao ………. 15 Hình 3.1 Phân tích hàm lượng amylose bằng phương pháp sinh hóa và trên máy đo quang phổ ……………………………………………………………… 27 Hình 3.2 Thao tác khử đực trên cây mẹ ………………………………………... 32 Hình 3.3 Sự thụ phấn và tạo hạt lai ……………………………………….......... 32 Hình 3.4 Sơ đồ quy tụ gen waxy trên quần thể lai hồi giao thông qua MAS 34 Hình 3.5 Phân tích GGT trên quần thể lai ở cây lúa……………………………. 36 Hình 3.6 Sơ đồ bố trí các dòng lúa hồi giao trên ruộng thí nghiệm chọn dòng……………………………………………………………………………... 37 Hình 3.7 Nhiệt độ trở hồ………………………………………………………... 38 Hình 3.8 Hình ảnh minh họa sự khác nhau của độ bền gel sau khi phân tích hóa sinh……………………………………………………………………......... 39 Hình 4.1: Hàm lượng amylose (%) các giống lúa của bộ vật liệu lai………….. 42 Hình 4.2: Thời gian sinh trưởng (ngày) được ghi nhận trên các giống lúa của bộ lúa địa phương (a) và bộ lúa cao sản (b)……………………………….. 43 Hình 4.3: Năng suất thực tế (tấn/ha) của các giống lúa trong bộ vật liệu lai. 44 Hình 4.4: Phân nhóm di truyền các giống lúa cao sản trong bộ vật liệu lai (Ghi chú: NS: năng suất; AC: hàm lượng amylose)…………………………………. 46 Hình 4.5: Phân nhóm di truyền các giống lúa địa phương trong bộ vật liệu lai (Ghi chú: NS: năng suất; AC: .hàm lượng amylose)…………………………… 47 Hình 4.6: Sản phẩm PCR của các giống lúa bố mẹ với chỉ thị Wx trên gel agarose 3% ……………………………………………………………………... 49 Hình 4.7: Kết quả đa hình của các giống bố mẹ với các chỉ thị cho gen liên quan đến các thành phần năng suất và năng suất trên gel agarose 3%................ 50 Hình 4.8 Sự biến động của hàm lượng amylose trên con lai của các quần thể lai hồi giao…………………………………………………………………... 52 xv
Hình 4.9: Sự biến động của năng suất trên con lai của các quần thể lai hồi giao……………………………………………………………………………… 53 Hình 4.10: Sơ đồ chọn tạo quần thể OM6976/Jasmine85//OM6976 thông qua MAS………………………………………………………………….…………. 56 Hình 4.11: Kết quả kiểu gen F1 của một số cá thể thuộc quần thể OM6976/Jasmine85…………………………………………………………………. 57 Hình 4.12: Kết quả kiểu gen BC1F1 của quần thể lai hồi giao OM6976/Jasmine85//OM6976 với chỉ thị phân tử Wx ……………………….. 58 Hình 4.13: Kết quả kiểu gen BC1F1 của quần thể lai hồi giao OM6976/Jasmine85//OM6976 với chỉ thị phân tử RM240, RM162, RM256 và RM257…………………………………………………………………….......... 59 Hình 4.14: Kết quả kiểu gen BC2F1 của quần thể lai hồi giao OM6976/Jasmine85//OM6976 với chỉ thị phân tử Wx………………………… 60 Hình 4.15: Kết quả kiểu gen BC2F1 của quần thể lai hồi giao OM6976/Jasmine85//OM6976 với chỉ thị phân tử RM240, RM162, RM256 và RM257………………………………………………………………………….. 60 Hình 4.16: Kết quả kiểu gen BC3F1 của quần thể lai hồi giao OM6976/Jasmine85//OM6976 với chỉ thị phân tử Wx ………………………... 61 Hình 4.17: Kết quả kiểu gen BC3F1 của quần thể lai hồi giao OM6976/Jasmine85//OM6976 với chỉ thị phân tử RM240, RM162, RM256 và RM257………………………………………………………………………….. 62 Hình 4.18: Kết quả kiểu gen BC4F1 của quần thể lai hồi giao OM6976/Jasmine85//OM6976 với chỉ thị phân tử Wx ……………………… 63 Hình 4.19: Kết quả kiểu gen BC4F1 của quần thể lai hồi giao OM6976/Jasmine85//OM6976 với chỉ thị phân tử RM240, RM162, RM256 và RM257………………………………………………………………………… 64 Hình 4.20 Sơ đồ chọn tạo quần thể OM6976/KDML105//OM6976 thông qua MAS.............................................................................................................. 65 Hình 4.21 Sơ đồ chọn tạo quần thể OM5930/OM7347//OM5930 thông qua MAS………………………………………………………………………....... 67 Hình 4.22 Sự đa dạng di truyền các gen từ bố mẹ của quần thể lai hồi giao 69 OM6976/ Jasmine85// OM6976 trên nhiễm sắc thể số 6…………………...... xvi
Hình 4.23 Sự đa dạng di truyền các gen từ bố mẹ của quần thể lai hồi giao OM6976/ Jasmine85// OM6976 trên 12 nhiễm sắc thể ……………………… 70 Hình 4.24 Sự đa dạng di truyền các gen từ bố mẹ của quần thể lai hồi giao OM6976/ KDML105// OM6976 trên nhiễm sắc thể số 6…………………….. 71 Hình 4.25 Sự đa dạng di truyền các gen từ bố mẹ của quần thể lai hồi giao 72 OM6976/ KDML105// OM6976 trên 12 nhiễm sắc thể……………………… Hình 4.26 Sự đa dạng di truyền các gen từ bố mẹ của quần thể lai hồi giao OM5930/ OM7347// OM5930 trên nhiễm sắc thể số 6……………………… 73 Hình 4.27 Sự đa dạng di truyền các gen từ bố mẹ của quần thể lai hồi giao OM5930/ OM7347// OM5930 trên 12 nhiễm sắc thể……………………….. 74 Hình 4.28 Quần thể lai hồi giao BC4F3 của tổ hợp OM6976/Jasmine85//OM6976…. …………………………………………… 75 Hình 4.29 Kết quả điện di sản phẩm PCR của các dòng BC4F3 của quần thể OM6976/ Jasmine85// OM6976 với chỉ thị Wx trên gel agarose 3%................................................................................................................... 77 Hình 4.30 Quần thể lai hồi giao BC4F3 của tổ hợp OM6976/KDML105//OM6976……………………………………………….. 79 Hình 4.31 Kết quả điện di sản phẩm PCR của các dòng BC4F3 của quần thể OM6976/ KDML105// OM6976 với chỉ thị Wx trên gel agarose 3%.............. 82 Hình 4.32 Quần thể lai hồi giao BC4F3 của tổ hợp OM5930/OM7347//OM5930…………………………………………………. 84 Hình 4.33 Kết quả điện di sản phẩm PCR của các dòng BC4F3 của quần thể OM5930/OM7347//OM5930 với chỉ thị Wx trên gel agarose 3%................... 86 xvii
DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT AC Amylose Content Hàm lượng amylose DNA Axcid Deoxyribonucleic Axit Đề-ôxy-ribô-nuclêôtit AE Amylose Extender Hàm lượng amylose ae BC Backcross Lai hồi giao dCAPS Derived Cleaved Amplified Chuỗi đa hình nhân bản được cắt Polymorphic Sequence hạn chế DP Donor Parent Giống cho gen ĐBSCL Đồng bằng Sông Cửu Long GBSS Granule-bound Starch Synthase Enzyme xúc tác tổng hợp tinh bột GC Gel consistency Độ bền gel GGT2 Graphical Genotypes 2 Đồ họa kiểu gen 2 GT Gelatinization Temperature Độ trở hồ, nhiệt hóa hồ INQR International Network for Quality Rice Mạng lưới quốc tế nghiên cứu lúa chất lượng IRRI International Rice Research Institute Viện nghiên cứu lúa Quốc Tế MABC Marker-Assisted Backcrossing Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử trong lai hồi giao MAS Marker Assisted Selection Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử NILs Near-isogenic-lines Các dòng đẳng gen NTSYSpc Numerical Taxonomy System Hệ thống phân nhóm bằng số PCR Polymerase Chain Reaction Phản ứng khuếch đại gen QTL Quantitative Trait Loci Di truyền tính trạng số lượng RP Recipient Parent Cá thể nhận SES Standard Evaluation System for Rice Hệ thống tiêu chuẩn đánh giá trên lúa SNP Single Nucleotide Polymorphism Đa hình nucleotide đơn SSR Simple Sequence Repeat Trình tự lặp lại đơn giản SSS Soluble Stach Synthase Enzyme xúc tác tổng hợp tinh bột hòa tan xviii
Chương 1: GIỚI THIỆU 1.1 Đặt vấn đề Cây lúa (Oryza sativa L.) là một trong những cây lương thực quan trọng trên thế giới cung cấp nguồn năng lượng chính cho một nửa dân số trên thế giới. Trong đó, ở châu Á, hơn 90% sản lượng lúa được sản xuất và tiêu thụ. Trước đây, đa số nông dân Việt Nam có thói quen sản xuất giống lúa ngắn ngày, năng suất cao và dễ canh tác vì chống chịu sâu bệnh tốt. Tuy nhiên, các giống này thường có phẩm chất thấp, cứng cơm và không có mùi thơm. Do đó, mặc dù có nhiều đột phá về mặt sản lượng nhưng chất lượng cũng như giá thành sản phẩm chưa cao và thị trường tiêu thụ còn hạn chế. Ngày nay, với sự phát triển của xã hội, nhu cầu ăn ngon thay thế dần nhu cầu ăn no, các sản phẩm gạo mềm dẻo, thơm ngày càng được ưa chuộng. Chính vì vậy, việc nghiên cứu, lai tạo và phát triển các giống lúa mới ngon dẻo lại thích nghi đa dạng và cho năng suất cao đang là nhu cầu cấp bách của sản xuất lúa gạo trong vùng. Chất lượng gạo là một khái niệm chung bao hàm rất nhiều các đặc tính khác nhau từ các đặc tính vật lý đến sinh hóa và sinh lý. Tinh bột và prôtêin là hai thành phần chính trong nội nhũ của hạt, vì vậy nó là chìa khóa của chất lượng hạt. Tinh bột (polysacarit carbohydrate) chứa hỗn hợp amylose và amylopectin (Juliano, 2003; Fitzgerald et al., 2009a; Chen et al., 2012). Nhiều nghiên cứu cho rằng tính chất mềm dẻo của cơm phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng amylose (AC), nó là kết quả của kiểu gen và một vài thay đổi của môi trường (Fitzgerald et al., 2009a). Hàm lượng này được sử dụng như một chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng cơm (Asghar et al., 2012). Hàm lượng amylose thấp đặc trưng cho tính mềm, dẻo và bóng của hạt cơm. Ngược lại hàm lượng amylose cao làm cho gạo hấp thụ nhiều nước hơn và do đó làm tăng tính trương nước của hạt gạo, dẫn đến khô, xốp và cứng khi nguội lại. (Fitzgerald et al., 2009a; Patindol et al., 2010). Về mặt di truyền, nhiều nghiên cứu cho rằng tính trạng hàm lượng amylose cao và thấp đều do một gen duy nhất điều khiển. Gen waxy là gen điều khiển tính trạng hàm lượng amylose trong hạt gạo định vị trên nhiễm sắc thể số 6. Gen trội A qui định hàm lượng amylose cao và gen đồng hợp lặn aa qui định hàm lượng amylose thấp. Hạt mang gen dị hợp tử có hàm lượng amylose trung bình nhưng không ổn định. Nếu cần hạt có hàm lượng amylose trung bình thì bố hoặc mẹ phải có hàm lượng amylose từ thấp đến trung bình (Denyer et al., 2001; Nakamura and Yuki, 1992). Việc phát triển các giống lúa mới có năng suất và chất lượng cao 1
là thách thức đối với phương pháp chọn giống truyền thống. Vì vậy cần có những đột phá mới cho công tác chọn tạo giống bằng phương pháp hiện đại. Ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn giống (MAS) cho lai hồi giao (MABC) là phương pháp chuyển một gen mục tiêu từ giống cho gen (donor) sang giống nhận gen (recipient) trong khi vẫn giữ lại các đặc tính quan trọng của giống nhận thông qua lai hồi giao. Việc sử dụng các chỉ thị phân tử cho phép giải mã di truyền của con lai ở mỗi thế hệ, rút ngắn thời gian chọn tạo, do đó tăng hiệu quả chọn lọc gen trên một đơn vị thời gian (Hospital, 2003). MABC đã được sử dụng trong nhiều nghiên cứu tạo chọn giống lúa chất lượng cao trước đây (Hasan et al, 2015; Hồ Văn Được và ctv., 2016a, 2017; Nguyen Thị Lang and Bui Chi Buu, 2004). Xuất phát từ những vấn đề đặt ra, nghiên cứu được thực hiện nhằm khai thác phương pháp MABC trong lai tạo giống lúa có hàm lượng amylose thấp (≤20%), năng suất cao phù hợp với nhu cầu về giống lúa cũng như điều kiện canh tác của ĐBSCL hiện nay. 1.2 Mục tiêu nghiên cứu 1.2.1 Mục tiêu tổng quát Nghiên cứu, chọn tạo các dòng/giống lúa có phẩm chất tốt liên quan đến chỉ tiêu hàm lượng amylose thấp dựa trên sự kết hợp giữa phương pháp lai hồi giao và chọn giống bằng chỉ thị phân tử. 1.2.2 Mục tiêu nghiên cứu cụ thể Khai thác gen liên quan đến chỉ tiêu hàm lượng amylose thấp thông qua đa dạng nguồn vật liệu ban đầu từ bộ lúa địa phương và bộ lúa cao sản ngắn ngày. Ứng dụng MABC trong chọn lọc các quần thể lai hồi giao thông qua đánh giá kiểu hình và phân tích kiểu gen dựa trên việc xác định gen waxy trên nhiễm sắc thể số 6 và các gen liên quan năng suất và thành phần năng suất được đánh dấu trên cá thể cây mẹ. Đánh giá đa dạng di truyền trên quần thể con lai và chọn lọc các cá thể mang gen mục tiêu mong muốn thông qua xây dựng bản đồ GGT trên các quần thể NILs. Chọn lọc các dòng lúa triển vọng có tính trạng hàm lượng amylose thấp (≤20%) và năng suất cao (từ 7 - 8 tấn/ha vụ Đông xuân và 4 – 5 tấn/ha vụ Hè thu) nhằm phục vụ cho công tác chọn tạo giống lúa mới. 2