tạo giống lúa chịu hạn bằng phương pháp dấu chuẩn phân tử

BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM VIỆN LÚA ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG CHƯƠNG TRÌNH TRỌNG ĐIỂM PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG LĨNH VỰC NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN **************** BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI TẠO GIỐNG LÚA CHỊU HẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẤU CHUẨN PHÂN TỬ MÃ SỐ ĐỀ TÀI Cơ quan chủ trì đề tài: Viện lúa Đồng bằng sông Cửu long Chủ nhiệm đề tài: GS.TS. Nguyễn Thị Lang 7834 07/4/2010 Hà Nội - 2010 BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM VIỆN LÚA ĐỒNG BẰNG SÔNG CỬU LONG CHƯƠNG TRÌNH TRỌNG ĐIỂM PHÁT TRIỂN VÀ ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ SINH HỌC TRONG LĨNH VỰC NÔNG NGHIỆP VÀ PHÁT TRIỂN NÔNG THÔN BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI TẠO GIỐNG LÚA CHỊU HẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẤU CHUẨN PHÂN TỬ MÃ SỐ ĐỀ TÀI Chủ nhiệm đề tài: Cơ quan chủ trì đề tài (ký tên) (ký tên và đóng dấu) GS.TS. Nguyễn Thị Lang TS. Lê Văn Bảnh Ban chủ nhiệm chương trình Bộ Khoa học và Công nghệ (ký tên) (ký tên và đóng dấu khi gửi lưu trữ) Hà N ộ i - 2010 i MỤC LỤC MỞ ĐẤU 1 Chương 1: GIỚI THIỆU 1 1.1. Đặt vấn đề 1 1.2. Mục tiêu đề tài 2 1.2.1. Mục tiêu tổng quát 2 1.2.2. Mục tiêu cụ thể 2 1.3. Sản phẩm của đề tài cần đạt 3 1.4. Nội dung nghiên cứu 3 Chươ ng 2: TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 4 2.1. Sơ lược về cây lúa 4 2.2. Các phương pháp chọn tạo giống (Jennings và ctv, 1979) 4 2.2.1. Chọn giống bằng cách trồng dồn 4 2.2.2. Chọn tạo giống theo phả hệ 5 2.2.3. Phương pháp hồi giao (Backcross-BC) 6 2.2.4. Chọn giống bằng chỉ thị phân tử (MAS) 7 2.3. Nguyên tắc cơ bản và ứng dụng PCR (Lang và ctv, 2005) 8 2.4. Chỉ thị phân tử SSR (Simple Sequence Repeat hoặ c Microsatellites) 11 2.5. Xác định tính trạng thành phần trong chống chịu hạn 12 2.6. Những chỉ thị phân tử và bản đồ QTL tính chống chịu hạn 15 2.7. Bản đồ QTL các tính trạng quan trọng của lúa chống chịu điều kiện khô hạn 17 2.7.1. Bản đồ QTL đối với tính trạng rễ lúa 17 2.7.2. Bản đồ QTL đối với tính trạng điều tiết áp suất th ẩm thấu 20 2.7.3. Bản đồ QTL năng suất và thành phần năng suất dưới điều kiện khô hạn21 2.8. Chuyển nạp gen mục tiêu 22 2.9. Cơ chế truyền tính hiệu 24 2.10. Gen và khám phá lộ trình thông qua genome học chức năng 25 ii 2.11. Chuyển nạp Trehalose vào trong cây lúa (Oryza sativa L.) 28 2.12. Ứng dụng MAS trong chọn giống 31 CHƯƠNG 3: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP 35 3.1. Vật liệu 35 3.2. Phương pháp 36 3.2.1. Tạo quần thể lai F2 và BC1F1 36 3.2.2. Phân tích kiểu hình 37 3.2.3. Đánh giá kiểu gen 43 3.2.4. Ước đoán sự liên kết khô hạn của quần thể BC 1 F 1 49 3.3. Giải mã DNA theo phương pháp của Lang 2007 và dùng máy A3130/3130 50 3.4. Thiết kế primers 50 3.5. Tuyển gen khô hạn 50 3.6. Phân tích và xử lý số liệu 51 3.6.1. Phân tích kết quả PCR bằng phần mềm NTSYS-pc (Rolfh) 51 3.6.2. Phân tích số liệu tương tác kiểu gen và môi trường 52 3.7. Địa điểm nghiên cứu 55 Chương 4: Kết quả và Thảo luận 56 4.1. Nghiên cứu vật liệu lai 56 4.1.1. Nghiên cứu vật liệu lai bộ du nhập từ Viện lúa Quốc Tế 56 4.1.2. Nghiên cứu vật liệu lai từ các giống cao sản tại Viện lúa lai tạo 76 4.1.3. Nghiên cứu vật liệu lai từ lúa mùa 80 4.2. Đa dạng hóa nguồn gen 85 4.2.1. Phân nhóm kiểu hình trên bộ lowland 86 4.2.2. Phân nhóm kiểu hình trên bộ Upland 89 4.2.3. Phân nhóm kiểu hình trên bộ lúa cao sản 90 4.2.4. Phân nhóm kiểu hình trên bộ lúa mùa địa phương 91 iii 4.2.5. So sánh sự biến động một số tính trạng nông học của các giống kháng khô hạn với cao sản và lúa mùa địa phương trong điều kiện khô hạn 93 4.2.6. Đánh giá kiểu gen 94 4.2.7. Kiểm tra mức độ chính xác giữa việc đánh giá giống theo kiểu hình và dựa vào chỉ thị phân tử 96 4.3. Tạo dòng con lai chống chịu khô hạn 98 4.3.1. Các cặp lai thu được thông qua phương pháp lai đơn 98 4.3.2. Đánh giá khả năng chịu hạn của thế hệ con lai F1 và F2 99 4.3.3. Đánh giá F2 của tổ hợp OM6468/BP225D-TB-6-8 101 4.3.4. Năng suất và thành phân năng suất 103 4.3.5. Đánh giá F2 của tổ hợp OM4102/IR78933-B-24-B-B-4 106 4.3.6. Đánh giá F2 của tổ hợp lai OM4495/IR65191-3B-2-2-2-2 111 4.3.7. Kết qua lai tạo thông qua phương pháp lai Diallel 115 4.3.8. Kết quả tạo các quần thể hồi giao chuyển gen khô hạn cho các giống ngắn ngày 117 4.4. Cơ chế của gene kháng khô hạn 132 4.4.1. Sự thay đổi độ sâu và chiề u dài của rễ 132 4.4.2. Cơ chế nở hoa của các giống chống chịu khô hạn 147 4.5. Nghiên cứu thiết lập bản đồ chống chịu khô hạn 149 4.5.1. Đánh giá tính chống chịu khô hạn trên bố mẹ 149 .5.2. Phân tích cấp độ chống chịu khô hạn trên các cặp lai BC (backcross) .150 4.5.3. Thiết lập bản đồ gen khô hạn bằng SSR chỉ thị phân tử 154 4.5.4. Phân tích QTL khô hạn 154 4.5.5. Quy trình xây dựng bản đồ QTL liên kết với gen khô hạn 165 4.6. So sánh b ản đồ trên các nhiễm sắc thể 166 4.7. Tuyển gen khô hạn 168 4.7.1. Thiết lập BAC thư viện 169 4.7.2. Chứng minh và phân tích BAC clones 169 iv 4.7.3.Thiết kế primer 171 4.8. Đánh giá kiểu gen của các con lai và lựa chọn dòng chống chịu khô hạn175 4.8.1. Chọn lọc gia phả 176 4.8.2. Kết quả đánh giá sàng lọc cây mang gen kháng từ các quần thể cận giao mang gen khô hạn 177 4.8.3. Liên kết gen và số vị trí của chỉ thị phân tử 182 4.8.4. Sản phẩm phản ứng PCR với chỉ thị phân tử RM38 184 4.8.5. Kết quả đánh giá sàng lọc cây mang gen kháng từ các quần thể hồi giao mang gen khô hạn 186 4.8.6. Kết quả đánh giá và sàng lọc PCR trên các tổ hợp BC2 trên hai tổ hợp OM 1490/WAB881 SG9, OMCS2000/IR 81025-B-116 và OM1490/WAB880-1-38-18-20-P1 187 4.8.7. Kết quả xét nghiệm PCR sàng lọc cây mang gen kháng khô hạn BC4F2193 4.8.8. Mối quan hệ giữa chọn giống cổ điển và chọn giống nhờ chỉ thị phân tử196 4.9. Đánh giá các dòng triển vọng 198 4.9.1. Giới thiệu một số giống đầu dòng hồi giao có triển vọng 198 4.9.2. Các tổ hợp thuộc bộ giống lúa chỉ thị khô hạ n 203 4.9.3. Đánh giá các dòng khô hạn 207 4.9.4. Thanh lọc vật liệu khô hạn ở ngoài đồng từ giai đoạn trổ đến thu hoạch211 4.9.5. So sánh các dòng triển vọng trong vụ Đông xuân 2008 215 4.10. Kết quả khảo nghiệm quốc gia vụ Hè Thu 2009 219 4.10.1 Khảo nghiệm năng suất 219 4.10.2. Phản ứng sâu bệnh trên giống lúa OM 6840 219 4.10.3. Phẩm chất gạo của giống OM 6840 221 4.10.4. Phẩm chất gạo của giống OM 6840 và OM 6162 223 5. So sánh kế hoạch đề tài vớ i kết quả thực hiện đề tài 224 5.1. Sản phẩm về giống đề tài yêu cầu 224 5.2. Sản phẩm về số liệu khoa học 224 v 5.3. Sản phẩm khoa học 225 5.4. Đào tạo thạc sĩ 225 5.5. Hiệu quả của đề tài 225 Kết luận và kiến nghị 226 TÀI LIỆU THAM KHẢO 230 vi LIỆT KÊ TỪ VIẾT TẮT Viết tắc Đầy đủ ABA Abscisic acid ASI Anthesis to silking interval BC BAC BLAST Backcross Bacterial Artificial Chromosome Basic Local Alignment Search Tool CC Chiều cao cây CDR Chiều dài rễ CDR/CDT Chiều dài rễ/chiều dài thân CDT Chiều dài thân CL Cấp độ cuộn lá (héo lá) CLRRI Viện lúa đồng bằng sông Cửu Long. CNSH Công nghệ sinh học ĐBSCL Đồng bằng sông Cửu Long ĐBSH Đồng bằng sông Hồng HC/B Hạt chắc /bông HL/B Hạt lép /bông IRRI International rice research instute KL Cấp độ khô lá KNTT Khả năng th ụ tinh KT Không trổ KTT Không trổ thoát KH Kiểu hình cây LNTT Lượng nước trong thân MAB marker-assisted backcrossing MAS Marker Assisted Selection vii NS Năng suất NT Ngày trổ OA Osmotic adjustment PCR Polymerase chain reaction PPDK pyruvate orthophosphate dikinase QTL Quantitative trait loci – QTLs SB/b Số bông/bụi SC Số chồi SH/B Số hạt/bông SOD superoxide dismutata SSD single seed descent SSR Simple Sequence repeat TL1000 Trọng lượng 1000 hạt TLB Trọng lượng bông TLKT Trọng lượng khô thân TLTT Trọng lượng tươi thân YAC Yeast artificial chromosome viii DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: Các vị trí tính trạng số lượng (QTL) liên quan đến tính chống chịu khô hạn của một số loài cây trồng (Reddy và ctv, 1999) 14 Bảng 2.2: Các dòng đơn bội kép (DH) được chọn lọc để lai hồi giao (Shen và ctv, 1999) 18 Bảng 2.3: Những QTL đối với hình thái rễ lúa (Shen và ctv, 1999) 19 Bảng 2.4: Sự biểu hiện của các gen mục tiêu liên quan đến tính chống chịu khô hạn, trong cây lúa chuyển gen (Redd và ctv, 1999) 23 Bảng 3.1: Danh sách các giống dùng để lai 35 Bảng 3.2: Quy trình sản xu ất giống chống chịu khô hạn 37 Bảng 4.1: Các đặc điểm sinh trưởng của các giống kháng khô hạn 58 Bảng 4.2: Các đặc tính nông học của bộ giống kháng khô hạn 1 (tt) 1 (Xem bảng đầy đủ các giống 62 Bảng 4.3: Năng suất và thành phần năng suất của bộ giống khô hạn 65 Bảng 4.4: Các đặc tính nông học của bộ giống kháng khô hạn Upland 71 Bảng 4.5: Các đặc tính nông học củ a bộ giống kháng khô hạn Upland 72 Bảng 4.6: Năng suất và thành phần năng suất của các giống thuộc bộ kháng khô hạn 74 Bảng 4.7: Năng suất và thành phần năng suất của các giống thuộc bộ kháng khô 75 Bảng 4.8: Các đặc điểm sinh trưởng của các giống cao sản 77 Bảng 4.9: Các đặc tính sinh học của các giống cao sản 79 Bả ng 4.10: Các đặc điểm sinh trưởng của các giống lúa mùa địa phương 81 Bảng 4.11: Các đặc điểm sinh trưởng của các giống lúa mùa địa phương 83 Bảng 4.12: Sự liên quan giữa kiểu gen và kiểu hình của một số dòng lúa với sự kháng khô hạn 97 Bảng 4.13: Tỷ lệ kháng khô hạn ở các tổ hợp lúa lai ở thế hệ F1 100 [...]... mẫn cảm với điều kiện khô hạn Hạt lúa thường trổ không thoát cổ bông hoặc trổ nhưng bị lép thất thoát năng suất Vì thế, chúng tôi đã thực hiện đề tài Tạo giống lúa chịu hạn bằng phương pháp dấu chuẩn phân tử nhằm giới thiệu và đồng thời áp dụng những phương pháp đánh giá mới nhanh và tiện lợi nhờ vào kỹ thuật phân tử, làm cơ sở cho việc phát triển các giống lúa chống chịu khô hạn đáp ứng nhu cầu thực... (backcross) tạo dòng lúa mang gen chịu hạn từ các giống lúa: OMCS2000, OM4495, OM1490, WAB880-1-38-18-20P1-HB và WAB881 SG9 - Xác định lúa lai BC1F1 mang gen chịu hạn bằng phương pháp phân tích kiểu hình và đánh giá kiểu gen - Xác định chỉ thị phân tử liên kết với QTL điều khiển chống chịu khô hạn, tập trung chủ yếu trên nhiễm sắc thể số 9 - Chọn được dòng lúa mang gen chịu hạn thông qua phương pháp hồi... quát - Chọn tạo giống lúa chống chịu khô hạn trên cơ sở bản đồ di truyền QTL và dấu chuẩn phân tử 1.2.2 Mục tiêu cụ thể - Xác định vật liệu lai mang gen chịu hạn từ tập đoàn giống mùa cao sản và kháng khô hạn tại ngân hàng gen của Viện Lúa Đồng Bằng Sông Cửu Long bằng phương pháp phân tích kiểu hình và đánh giá kiểu gen - Xác định tính đa hình DNA của vật liệu lai trong ngân hàng gen của Viện Lúa ĐBSCL... giống thuộc bộ giống lúachỉ thị khô hạn 210 Bảng 4.60: Bảng phân tích Anova các đặc tính sinh học của các giống thuộc bộ giống lúa chỉ thị khô hạn từ giai đoạn trổ đến thu hoạch .212 Bảng 4.61: Các đặc tính sinh học của các giống thuộc bộ giống lúa chỉ thị khô hạn từ giai đoạn trổ đến thu hoạch 213 Bảng 4.62: Các đặc tính sinh học của các giống thuộc bộ giống lúa chỉ thị khô hạn. .. hợp thuộc bộ giống lúa chỉ thị khô hạn 204 Bảng 4.56: Các đặc tính sinh học ở giai đoạn mạ của các tổ hợp thuộc bộ giống lúa chỉ thị khô hạn 205 Bảng 4.57: Bảng phân tích Anova Các đặc tính sinh học ở giai đoạn mạ của các giống thuộc bộ giống lúa chỉ thị khô hạn 207 xi Bảng 4.58: Các đặc tính sinh học ở giai đoạn mạ của các giống thuộc bộ giống lúa chỉ thị khô hạn 208... hoặc không cải tiến phương pháp trồng dồn thông thường Phương pháp trồng dồn không giới hạn được coi như vô hiệu quả nếu muốn tìm những dạng cây có tiềm năng năng suất cao trong tổ hợp phân ly mạnh về kiểu hình 2.2.2 Chọn tạo giống theo phả hệ Phương pháp tuyển chọn theo phả hệ được sử dụng rộng rãi và thành công nhất trong việc cải tiến giống lúa Tuy nhiên tuyển chọn theo phương 5 pháp này cũng có những... ngay từ trong sổ ghi để khỏi mất thời gian 2.2.3 Phương pháp hồi giao (Backcross-BC) Đây là phương pháp chưa được các nhà chọn tạo giống lúa sử dụng rộng rãi Trong phương pháp hồi giao một tính trạng được chuyển sang một giống cải tiến bằng cách được sử dụng lại làm cây cha mẹ để lai lại nhiều lần Sự bất lợi chủ yếu của phương pháp hồi giao là không có giống duy nhất nào lý tưởng đến nổi nó chỉ cần cải... thị phân tử DNA và bản đồ QTL tính chống chịu hạn Những chỉ thị phân tử DNA được định nghĩa như những cột mốc trên đường thẳng, chúng được xem xét ở mức độ phân tử DNA, hoặc nhiễm sắc thể mà những khác nhau về di truyền có thể tìm thấy nhờ nhiều công cụ xét nghiệm có tính chất phân tử (Li, 1999)[44] Bửu và Lang (2002)[2] những loại chỉ thị phân tử chính thường được sử dụng là: + RFLP là chỉ thị phân tử. .. Hình 4.3: Giống không kháng khô hạn 59 Hình 4.4: Phân nhóm kiểu hình của các giống kháng khô hạn dựa trên các tính trạng nông học trong điều kiện khô hạn bằng phần mền NTSYS pc 2.1 86 Hình 4.5: Cây phân nhóm kiểu hình của các giống trong bộ kháng khô hạn 1 dựa vào các tính trạng nông học và năng suất trong điều kiện khô hạn bằng phần mềm NTSYSpc 2.1 88 xiv Hình 4.6: Cây phân nhóm... cần đạt Sản phẩm về giống Đánh giá các dòng triển vọng chống chịu khô hạn: 1-2 dòng Sản phẩm về số liệu khoa học: 1 bản đồ QTL chống chịu khô hạn, 1 Trình tự DNA của 1 gen (1 chỉ thị phân tử) Sản phẩm khoa học: 5 báo cáo Đào tạo thạc sĩ: 1 thạc sĩ, 2 kỹ sư 1.4 Nội dung nghiên cứu Nghiên cứu vật liệu lai Đa dạng di truyền Tạo dòng con lai chống chịu khô hạn Cơ chế của gene kháng khô hạn Nghiên cứu thiết . KẾT QUẢ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI TẠO GIỐNG LÚA CHỊU HẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẤU CHUẨN PHÂN TỬ MÃ SỐ ĐỀ TÀI Cơ quan chủ trì đề tài: Viện lúa Đồng bằng sông Cửu long Chủ nhiệm đề tài:. HỌC CÔNG NGHỆ ĐỀ TÀI TẠO GIỐNG LÚA CHỊU HẠN BẰNG PHƯƠNG PHÁP DẤU CHUẨN PHÂN TỬ MÃ SỐ ĐỀ TÀI Chủ nhiệm đề tài: Cơ quan chủ trì đề tài (ký tên) (ký tên và đóng dấu) GS.TS Sơ lược về cây lúa 4 2.2. Các phương pháp chọn tạo giống (Jennings và ctv, 1979) 4 2.2.1. Chọn giống bằng cách trồng dồn 4 2.2.2. Chọn tạo giống theo phả hệ 5 2.2.3. Phương pháp hồi giao (Backcross-BC)