Luận án Tiến sĩ Nghiên cứu chức năng của QTL9 liên quan đến cấu trúc bông, phục vụ chọn tạo giống lúa năng suất cao ở Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO / BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM PHẠM THỊ MAI NGHIÊN CỨU CHỨC NĂNG CỦA QTL9 LIÊN QUAN ĐẾN CẤU TRÚC BÔNG, PHỤC VỤ CHỌN TẠO GIỐNG LÚA NĂNG SUẤT CAO Ở VIỆT NAM LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Hà Nội, 2022 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM PHẠM THỊ MAI NGHIÊN CỨU CHỨC NĂNG CỦA QTL9 LIÊN QUAN ĐẾN CẤU TRÚC BÔNG PHỤC VỤ CHỌN TẠO GIỐNG LÚA NĂNG SUẤT CAO Ở VIỆT NAM Chuyên ngành: Công nghệ sinh học Mã số: 94 20 201 LUẬN ÁN TIẾN SĨ NÔNG NGHIỆP Người hướng dẫn khoa học: TS Khổng Ngân Giang GS.TSKH Trần Duy Quý Hà Nội, 2022 i LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan cơng trình nghiên cứu tơi nhóm tác giả, kết nghiên cứu trình bày luận án trung thực, khách quan chưa để bảo vệ học vị Tôi xin cam đoan giúp đỡ cho việc thực luận án cám ơn, thơng tin trích dẫn luận án có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Phạm Thị Mai ii LỜI CẢM ƠN Để hồn thành luận án, tơi nhận quan tâm, giúp đỡ nhiệt tình từ Thầy, Cô giáo, tập thể, cá nhân bạn bè, đồng nghiệp gia đình Tơi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới TS Khổng Ngân Giang ln tận tình hướng dẫn, cung cấp tài liệu tạo điều kiện tốt cho quán trình học tập, nghiên cứu thực đề tài GS.TSKH Trần Duy Quý giúp đỡ, cung cấp kiến thức quý báu cho q trình hồn thành luận án Tơi xin chân thành cảm ơn quan tâm tạo điều kiện Lãnh đạo Viện Di truyền Nơng nghiệp, Phịng Thí nghiệm Trọng điểm Công nghệ tế bào thực vật giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho trình học tập, triển khai đề tài Tơi xin chân thành cảm ơn tập thể Thầy, Cô cán công tác Ban Đào tạo Sau đại học – Viện Khoa học Nông nghiệp Việt Nam giảng dạy tạo điều kiện thuận lợi cho suốt q trình học tập Viện Tơi xin chân thành cảm ơn ThS Lê Thị Như, ThS Trần Vũ Hằng, ThS Vũ Thị Nhiên (Viện Di truyền Nông nghiệp), TS Stefan Juannic (Viện Nghiên cứu Phát triển IRD - Pháp) giúp đỡ, động viên đồng hành tơi q trình thực luận án Để hồn thành luận án, khơng thể thiếu động viên, khuyến khích, tạo điều kiện gia đình, nguồn động lực lớn giúp tơi hồn thành luận án Tôi xin chân thành cảm ơn! Hà Nội, ngày tháng năm 2022 Tác giả Phạm Thị Mai iii MỤC LỤC Lời cam đoan i Lời cảm ơn ii Mục lục iii Danh mục ký hiệu chữ viết tắt vi Danh mục bảng viii Danh mục hình ix Mở đầu 1 Tính cấp thiết luận án Mục tiêu luận án Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu đề tài Tính đóng góp luận án Chƣơng I Tổng quan tài liệu sở khoa học đề tài 1.1 Tầm quan trọng lúa 1.2 Tính trạng suất yếu tố cấu thành suất lúa 1.3 QTL lập QTL 10 1.4 Các QTL liên kết với tính trạng suất yếu tố cấu thành suất lúa 12 1.5 Các quần thể lập đồ QTL liên quan đến tính trạng suất lúa14 1.6 Cấu trúc bơng lúa QTL/gen liên quan đến cấu trúc lúa 19 1.7 Chỉ thị phân tử CAPS ứng dụng nghiên cứu lập đồ QTL liên quan đến tính trạng suất lúa 24 1.8 Đa hình nucleotit đơn (Single Nucleotide Polymorphism - SNP) 26 1.9 Tìm kiếm SNPs vùng genom mục tiêu công nghệ chụp gen kết hợp với giải trình tự hệ 28 iv 1.10 Nghiên cứu liên kết toàn hệ gen (GWAS), tiềm ứng dụng nghiên cứu tính trạng nơng học phức tạp lúa 30 1.11 Haplotype phương pháp phân tích haplotype 34 Chƣơng II Vật liệu, nội dung phƣơng pháp nghiên cứu 36 2.1 Vật liệu thiết bị nghiên cứu 36 2.2 Địa điểm thời gian nghiên cứu 39 2.3 Nội dung nghiên cứu 39 2.4 Phương pháp nghiên cứu 40 2.4.1 Phân tích haplotype vùng QTL9 tập đoàn lúa sử dụng nghiên cứu GWAS xác định giống lúa bố mẹ để tạo quần thể lai F1 40 2.4.2 Phương pháp tạo quần thể lai 41 2.4.3 Chọn lọc F1 thị phân tử SSR 42 2.4.4 Xác định SNPs vùng QTL9 giống bố mẹ phương pháp chụp gen (Gene capture) kết hợp với giải trình tự hệ 43 2.4.5 Phát triển thị phân tử CAPS 48 2.4.6 Chọn lọc F2 mang QTL9 đồng hợp thuộc hai haplotype bố mẹ thị phân tử CAPS 49 2.4.7 Phương pháp bố trí thí nghiệm tiêu theo dõi đồng ruộng 50 Chƣơng III Kết nghiên cứu thảo luận 54 3.1 Chọn lọc cặp lai bố mẹ lai tạo quần thể F1 54 3.1.1 Phân tích haplotype vùng QTL9 tập đoàn lúa sử dụng nghiên cứu GWAS, chọn lọc giống lúa bố mẹ làm vật liệu lai tạo 54 3.1.2 Tạo quần thể lai F1 chọn lọc F1 thị phân tử SSR 60 v 3.2 Phát triển thị phân tử CAPS để chọn lọc F2 mang QTL9 đồng hợp thuộc hai haplotype bố mẹ 69 3.2.1 Xác định SNPs vùng QTL9 hai giống bố mẹ để phát triển thị phân tử CAPS 69 3.2.2 Phát triển thị phân tử CAPS 83 3.3 Chọn lọc F2 mang QTL9 đồng hợp thuộc hai haplotype bố mẹ thị phân tử CAPS 86 3.3.1 Xác định thị phân tử CAPS cho đa hình hai giống lúa bố mẹ 86 3.3.2 Chọn lọc F2 đồng hợp tử mang QTL9 bố mẹ thị phân tử CAPS 91 3.4 Phân tích kiểu hình cấu trúc bơng hai quần thể F3 thuộc hai haplotype bố mẹ 97 Kết luận kiến nghị 112 Kết luận 112 Kiến nghị 113 Danh mục cơng trình cơng bố liên quan đến luận án 114 Tài liệu tham khảo 115 Phụ lục vi DANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT Thứ tự Chữ viết tắt Nghĩa chữ viết tắt AFLP (Amplified Fragment Đa hình chiều dài đoạn nhân Length Polymorphism) khuếch đại BILs (Backcross Recombinant Quần thể lai trở lại cận giao tái tổ hợp Inbred Lines) Bp (Base pair) CAPS (Cleaved Cặp bazơ nitơ amplified Đa hình khuếch đại đoạn phân cắt polymorphic sequences) DHs (Doubled haploids) Đơn bội kép DNA Deoxyribonucleic acid GBS (Genotyping by Xác định kiểu gen giải trình tự sequencing) GWAS (Genome wide Nghiên cứu liên kết toàn hệ gen association study) H1 Haplotype 10 H2 Haplotype 11 Kb Kilo bazơ nitơ 12 LD (Linkage Disequilibrium) Mất cân di truyền liên kết 13 MAS (Marker assisted Chọn lọc nhờ thị phân tử selection) 14 NGS (Next genration Giải trình tự hệ sequencing) 15 NST Nhiễm sắc thể 16 PBintL (Primary branch Khoảng cách gié cấp internode average lenghth) vii Thứ tự Chữ viết tắt Nghĩa chữ viết tắt 17 PBN (Primary branch number) Số gié cấp một/bông 18 PBL (Primary branch length) Chiều dài gié cấp 19 PCR (Polymerase chain Phản ứng chuỗi polymerase reaction) 20 QTL (Quantitive trait loci) Lơ-cut tính trạng số lượng 21 RAPD (Random Amplified Đa hình khuếch đại đoạn ngẫu Polymorphic DNA) nhiên DNA RFLP (Restriction Fragment Đa hình chiều dài đoạn cắt giới hạn 22 Length Polymorphism) 23 RILs (Recombinant Inbred Dòng lai cận giao tái tổ hợp Lines) 24 RL (Rachis length) Chiều dài 25 SBN (Secondary branch Số gié cấp hai/bông number) 26 SBintL (Secondary branch Khoảng cách gié cấp hai internode average lenghth) 27 SBL (Secondary branch Chiều dài gié cấp hai length) 28 SNP (Single nucleotide Đa hình nucletotide đơn polymorphism) 29 SpN (Spikelet number) 30 SSR (Simple Sequence Repeat) Lặp lại trình tự đơn giản 31 TBN (Tertiary branch number) Số hạt/bông Số gié cấp ba/bông viii DANH MỤC BẢNG Bảng 2.1 Tên bảng Trang Một số số cấu trúc suất giống lúa sử dụng làm bố mẹ để tạo quần thể lai F1 37 2.2 Danh sách 12 thị phân tử SSR sử dụng để chọn lọc F1 38 3.1 Danh sách giống lúa thuộc haplotype trình tự 55 haplotype 3.2 Các cặp lai tiến hành từ giống bố mẹ 3.3 Kết gióng hàng 70 3.4 Kết tìm sàng lọc biến thể 72 3.5 Phân loại biến thể vùng exon 73 3.6 Chú giải biến thể đồng nghĩa hai haplotype 74 3.7 Chú giải biến thể sai nghĩa hai haplotype 76 3.8 Chú giải biến thể đột biến khung đọc hai haplotype 79 3.9 Chú giải biến thể ba mã hóa 80 3.10 Chú giải biến thể thêm ba mã mở đầu thêm ba mã 60 kết thúc 81 3.11 Danh sách SNP nằm vị trí cắt enzyme giới hạn 82 3.12 Danh sách 12 thị phân tử CAPS trình tự mồi 84 3.13 Trình tự vị trí cắt kích thước sản phẩm cắt 85 enzyme giới hạn sử dụng để cắt thị phân tử CAPS 3.14 Danh sách F2 đồng hợp tử xác định thị phân tử CAPS 1, CAPS 5, CAPS 11……………………… 95 Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 14/06/2018 17:14:00 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 15/06/2018 17:11:10 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 14/06/2018 15:21:46 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 18/06/2018 17:53:18 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 18/06/2018 17:53:18 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 18/06/2018 17:53:18 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 18/06/2018 17:53:18 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 18/06/2018 11:40:24 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 18/06/2018 11:40:24 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 18/06/2018 11:40:24 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 18/06/2018 11:40:24 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 18/06/2018 17:43:10 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 18/06/2018 17:43:10 Page: Figure: Generated by QIAxcel ScreenGel 1.5.0 18/06/2018 17:43:10 Page: PHỤ LỤC SƠ ĐỒ BỐ TRÍ THÍ NGHIỆM ĐỒNG RNG VỤ XN NĂM 2019, TẠI XÃ ĐƠNG LA, HỒI ĐỨC, HÀ NỘI 0,5 B1 G6_29 G6_20 G6_44 G189_13 G6_22 G6_10 G189_34 G189_16 G6_31 G6_13 G6_1 G189_15 G189_14 G189_32 G189_29 G189_3 G189_21 G189_48 G189_30 G189_22 0,5 B2 G6_25 G189_43 G6_15 G189_47 G6_21 G6_39 G6_35 G6_19 G6_26 G189_6 G189_33 G189_5 G6_27 G6_30 G6_28 G6_47 G189_28 G189_12 G6_12 G189_41 0,5 B3 G189_24 G189_46 G189_19 G189_11 G6_4 G189_18 G6_38 G6_43 G189_10 G6_36 G189_39 G189_1 G189_42 G6_37 G6_5 G6_46 G6_18 G6_14 G6_2 G189_17 0,5 B4 G6_32 G6_34 G189_26 G6_17 G6_6 G189_49 G189_8 G6_11 G189_37 G6_41 G6_33 G6_23 G189_31 G189_40 G6_0 G6_16 G6_40 G189_7 G6_24 G6_8 0,5 B5 G189_27 G6_45 G189_9 G189_4 G6_48 G189_36 G6_42 G189_20 G189_38 G189_25 G6_3 G6_49 G189_2 G6_7 G189_23 G189_44 G189_35 G189_0 G6_9 G189_45 0,5