Phân tích hệ gen về tính trạng năng suất của 8 nhóm dòng ngô thế hệ F23 trong điều kiện hạn và tưới đủ

Bài viết Phân tích hệ gen về tính trạng năng suất của 8 nhóm dòng ngô thế hệ F23 trong điều kiện hạn và tưới đủ tiến hành phân tích kiểu gen và sử dụng 39.846 SNP cho 8 nhóm dòng BP đã xác định được 15 vùng gen quan trọng quy định về năng suất hạt liên kết với 15 chỉ thị phân tử (SNP) trên các nhiễm sắc thể số 3,4,5,6,7,8,9,10 phù hợp ứng dụng chỉ thị phân tử trong chương trình chọn giống ngô chịu hạn. Mời bạn tham khảo chi tiết.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Nơng nghiệp Việt Nam - Số 3(100)/2019 PHÂN TÍCH HỆ GEN V̀ TÍNH TRẠNG NĂNG SÚT CỦA NHĨM DỊNG NGƠ THẾ HỆ F2:3 TRONG ĐÌU KIỆN HẠN VÀ TƯỚI ĐỦ Đỗ Văn Dũng1, hayil Vinayan Madhumal2, Gajanan Saykhedkar2, Raman Babu2, Đặng Ngọc Hạ1, Lê Q Kha3, Nguyễn Chí hành1, Zaidi Pervez Haider2 TĨM TẮT Kết đánh giá sút nh́m dòng BP gồm 790 dòng hệ F2:3 đồng ruộng đìu kiện hạn tưới đủ cho th́y sút nh́m dòng đạt từ 0,74 - 1,37 t́n/ha/hạn 1,21 - 2,51 t́n/ha/tưới đủ, giảm 22,0% - 48,6 Nh́m dòng BP2, BP6, BP7 BP8 ć phương sai kiểu gen đìu kiện hạn từ 0,10 - 0,23 ć hệ số di truỳn từ 0,55 - 0,69, cao nh́m dòng khác, chứng tỏ ć nhìu hội chọn lọc gia đình F2:3 tốt phù hợp với mục tiêu làm dòng hệ phục vụ chọn tạo giống ngơ lai chịu hạn Qua phân tích kiểu gen sử dụng 39.846 SNP cho nh́m dòng BP xác định 15 vùng gen quan trọng quy định v̀ sút hạt liên kết với 15 thị phân tử (SNP) nhiễm sắc thể số 3; 4; 5; 6; 7; 8; 9; 10 phù hợp ứng dụng thị phân tử chương trình chọn giống ngơ chịu hạn Từ khóa: Cây ngơ, tưới đủ, hạn, hệ gene, SNP I ĐẶT VẤN ĐỀ 2.2 Phương pháp nghiên cứu Cải tiến nguồn vật liệu ưu tiên hàng đầu chương trình chọn tạo giống qua chu kỳ chọn tạo khả chống chịu, sút cải thiện (Arnel et al., 2010) Công việc chọn lọc cường độ cao giai đoạn sớm (F2, F2:3) chu kỳ cải tiến vật liệu ć ý nghĩa quan trọng, nhằm chọn vật liệu cải tiến tốt (Klaus Koehler, 2014) Trong nghiên cứu này, lai truỳn dịng ngơ chịu hạn (cây cho Donor) sang dịng ưu tú CIMMYT để tạo nh́m dòng BP (theo cặp bố - mẹ, Bi-parental: BP) hệ F2:3 Qua đánh giá kiểu hình, kiểu gen mơi trường hạn - tưới đủ; đồng thời ứng dụng kỹ thuật dùng thị phân tử (SNP) ć liên kết đa hình để phân tích hệ gen (GWAS: Genome wide association study) để xác định vùng gen quy định khả chịu hạn phục vụ nghiên cứu chọn tạo giống ngô chịu hạn Kết xác định SNP liên kết với gen quy định tính trạng quan tâm, qua tần số allelel biến động so với phần lớn nh́m khác (Arthur Kortecorresponding and Ashley Farlow, 2013) 2.2.1 Đánh giá kiểu hình điều kiện đồng ruộng II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU hí nghiệm đìu kiện đồng ruộng thiết kế theo mơ hình vuông latinh (Alpha lattice) đìu kiện hạn tưới đủ chi tiết bảng Mật độ khoảng cách: dài hàng m, hàng cách hàng 75 cm, cách 25 cm Bảng Quản lý chế độ tưới nước giai đoạn sinh trưởng phát triển Các giai đoạn ST-PT Điều kiện tưới đủ* Quản lý giai đoạn gây hạn* Gieo   V2 - V3   V5 - V6  Không tưới V8 to V9  Không tưới VT (tung ph́n)  Khơng tưới R1 (phun râu)  Khơng tưới R3 (Chín sữa)  Khơng tưới R4 (chín sáp)  $  Tưới cần  Tưới cần R5 (Đá) Chín sinh lý 2.1 Vật liệu nghiên cứu Ghi chú: *, : Tưới đủ, theo điều kiện độ ẩm đất thực tế; $: tiếp tục tưới; ST-PT: sinh trưởng - phát triển Ĺy mẫu nh́m dòng BP gồm 790 gia đình F2:3 phát triển từ dịng mẹ chịu hạn với dòng ưu tú (chia làm nh́m ưu lai gọi nh́m A nh́m B) CIMMYT10 Ć 871 SNP đa hình xác định (Bảng 2) Trong khoảng thời gian gây hạn, độ ̉m đ́t theo dõi hàng tuần thiết bị khối (block) toàn cánh đồng, độ sâu - 20 cm, 40 cm, 60 cm 100 cm Khi độ ̉m độ sâu 40 - 60 cm (vùng rễ hoạt động) đạt 20% A0 điểm héo vĩnh Viện Nghiên cứu Ngô; Trung tâm cải tiến Ngơ Lúa mì quốc tế Ấn Độ (CIMMYT Int.) Viện Khoa học Kỹ thuật Nơng nghiệp mìn Nam 22 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 3(100)/2019 viễn, tiến hành tưới phục hồi Ở đìu kiện tưới đủ: Chu kỳ - 11 ngày tiến hành tưới đủ ̉m Những thử nghiệm mô tả Zaidi (2000), Zaidi and Singh (2005) Zaidi (2012) 2.2.2 Đánh giá kiểu gen Các mẫu tách triết DNA Ấn Độ, sau đ́ gửi sang Phịng thí nghiệm (KBiosciences) tập đồn LGC Nước Anh để phân tích kiểu gen qua 1.250 thị phân tử (SNP) T́t 1.250 SNP tập hợp 1.536 SNP xác định từ (Yan et al., 2010) DNA chiết xút từ non 10 cây/gia đình F2:3của nh́m dịng tái tổ hợp (RIL) theo quy trình CIMMYT (2005), Zeleke cộng tác viên (2007) Sau kiểm tra định lượng DNA nh́m dịng (790 gia đình F2:3) từ báo cáo K Biosciences cho CIMMYT, kết xác định 871 SNP đa hình phân bố đ̀u hệ gen nh́m dòng F2:3 (Bảng 2) tổng số 1.186 SNP đa hình 10 dịng bố mẹ Bảng Chi tiết dòng, nh́m dòng F2:3 phân phối marker Dòng bố, mẹ P1-nh́m A P2-nh́m A P3-nh́m A P4-nh́m A P5-nh́m B P6-nh́m B P7-nh́m B P8-nh́m B P9-dòng mẹ chịu hạn P10-dòng mẹ chịu hạn Cộng Nhóm dịng BP1 BP2 BP3 BP4 BP5 BP6 BP7 BP8 *Cặp lai P9 P9 P9 P9 P10 P10 P10 P10 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 Số gia đình F2:3/nhóm dịng 121 117 82 103 103 105 61 98 790 Số marker đa hình 107 140 75 159 63 209 118 Khoảng cách liên kết (cm) 781,77 726,58 561,92 880,57 385,73 1.142,42 1.039,81 0,00 Khoảng cách TB marker (cm) 7,31 5,19 7,49 5,54 6,12 5,47 8,81 0,00 871 Ghi chú: BP1 - BP8: Nhóm dịng phát triển từ cặp lai (BP: Bi-parent); *P9 P10: dòng mẹ chịu hạn; P1 đến P8: dịng ưu tú Phân tích tồn hệ gen (GWAS) nh́m dòng BP dựa liệu kiểu gen kiểu hình v̀ đặc điểm sút sử dụng mơ hình 55 K (56.110 SNPs) GBS v2.7 (954.179 SNPs) để tận dụng ưu riêng chúng Đánh giá kiểu gen qua 55 K MaizeSNP50 từ Illumina (2014) Các vị trí marker theo đánh giá trình tự kiểu gen (Genotyping bysequencing - GBS) sử dụng 55K SNPs ĺy từ nguồn Panzea_2.7GBS (Ensembl, 2014) Dựa ước lượng tiêu chủn, yêu cầu > 0,85 cho 55 K > 0,3 cho GBS tần số allele tối thiểu (MAF) > 0,05 cho 55 K > 0,02 cho GBS, kết chọn 39.846 SNP từ chip 55K 435.975 SNP từ GBS 2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu a) Phân tích kiểu hình Phân tích phương sai (ANOVA) kiểu gen, kiểu hình (σ2g σ2p) hệ số di truỳn (h2) tính tốn theo Lush J L A E Molln (1942) sử dụng phần m̀m GenStat ver12, METAR 2.1 Sử dụng mơ hình REML (Multivariate Restricted Maximum Likelihood) tính tốn theo PROC MIXED phần m̀m SAS ver9.2 ASYCOV để tính tốn phương sai di truỳn hiệp phương sai đặc điểm (Gonzalo et al., 2006) b) Lập đồ hệ gen (GWAS) Sử dụng mơ hình hỗn hợp cộng tính nhìu vị trí locus (Multi-locus mixed additive model - MLMM) với cách tiếp cận phía trước phía sau locus theo bước để chọn SNP hiệp phương sai cố định sử dụng (Seguraf et al., 2012) Ma trận mẫu cá thể/gia đình tính dựa nhận biết khoảng cách đơn vị (Irritable bowel syndrome - IBS) SNP bao hàm hiệu ứng ngẫu nhiên mơ hình hỗn hợp Phân tích thực với SNP phần m̀m Variation Suite ver8.3.4 (Golden Helix Inc, 2015) Các thành phần liệu (PC) xử lý theo công thức: y = Xβ + Zu + e Trong đó: y vector PC1, PC2 PC3; β vector hiệu ứng cố định cho allele SNP để kiểm tra liên kết; u vector hiệu 23 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 3(100)/2019 ứng đa hình ngẫu nhiên e vector số dư ngẫu nhiên; X ma trận liên quan đến quan sát ảnh hưởng SNP với phần tử mã hoá 0, allelel đồng hợp tử, allele dị hợp tử allele đồng hợp tử thay Z ma trận liên quan quan sát đến hiệu ứng ngẫu nhiên đa gen Hệ số quan hệ gen cá thể j k ước tính sau: nØ (xij _ 2pi) (xik _ 2pi) 2pi (1 _ 2pi) nØ i=1 Trong đó: nφ số SNP (39.846 SNP); xij xik số (0, 2) allele liên quan cho SNP thứ i cá thể thứ j thứ k tương ứng, pi tần số allele liên quan (VanRaden, 2008) 2.3 hời gian địa điểm nghiên cứu hí nghiệm thực Viện Nghiên cứu Cây trồng cho vùng bán khô hạn (ICRISAT), Hyderabad, Ấn Độ vụ hạn 2012/2013 - 2013/2014 III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết đánh giá kiểu hình Năng sút (GY) nh́m dịng đìu kiện hạn biến động từ 0,74 - 1,37 t́n/ha, đ́ nh́m A từ 1,29 - 1,37 t́n/ha, nh́m B từ 0,74 - 1,28 t́n/ha (Bảng 3) Nhìn chung sút đìu kiện hạn so với đìu kiện tưới đủ suy giảm đáng kể từ 20% - 48% nh́m dòng, đ́ BP1, BP3 BP5 giảm 20 -23%, BP4, BP6, BP8 giảm 38% - 47% Sự suy giảm quan sát th́y bố mẹ hai đìu kiện hạn - tưới đủ biến động từ 10% - 51% Đồng thời nhận th́y biến động sút đáng kể gia đình F2:3 (các gia đình F2:3 / nh́m dịng, bảng 1) nh́m dòng cặp bố mẹ (BP) đìu kiện hạn tưới đủ, đồng thời ć gia đình F2:3 ć sút sút cao số th́p dòng bố mẹ, cho th́y phân ly alen quy định tính chịu hạn không chịu hạn thừa hưởng di truỳn từ dòng bố mẹ Trong đìu kiện hạn, hệ số di truỳn (h2) đạt từ th́p đến trung bình, cụ thể h2 từ 0,2 đến 0,6 đìu kiện tưới đủ h2 đạt giá trị từ trung bình đến cao (h2 từ 0,4 - 0,8), cho th́y mối quan hệ giá trị kiểu hình giá trị di truỳn tích cực nh́m dịng nghiên cứu Phương sai kiểu gen ( ) v̀ GY đìu kiện hạn biến động từ 0,02 - 0,23 đìu kiện tưới đủ từ 0,27 - 0,65, cho th́y sai khác kiểu gen v̀ sút Bên cạnh đ́, phương sai kiểu gen với môi trường ( ) ć giá trị từ 0,01 - 012 rằng, biến động tính trạng đặc trưng tác động cộng gen, thể 24 đ́ng ǵp khả chịu hạn, di truỳn từ dòng bố mẹ Kết phân tích tương quan di truỳn sút nh́m dòng (BP1 đến BP8) cho th́y ć tương quan thuận đìu kiện hạn hán tưới đủ, từ 0,49 - 0,67 (P