Nghiên cứu di truyền hàm lượng Protein cao ở lúa : Luận văn ThS. Sinh học: 60 42 70

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU DI TRUYỀN HÀM LƯỢNG PROTEIN CAO Ở LÚA LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC Hà Nội – 2011 ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN - NGUYỄN THỊ THU HƯƠNG NGHIÊN CỨU DI TRUYỀN HÀM LƯỢNG PROTEIN CAO Ở LÚA Chuyên ngành: Di truyền học Mã số: 60 42 70 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS LÃ TUẤN NGHĨA Hà Nội - 2011 Luận văn thạc sĩ khoa học MỤC LỤC Trang LỜI CẢM ƠN Danh mục hình ảnh , bảng biểu Danh mục từ viết tắt ĐẶT VẤN ĐỀ CHƢƠNG TỔNG QUAN TÀI LỆU 1.1 Chất lƣợng lúa gạo thị trƣờng lúa gạo 1.1.1 Phẩm chất xay chà 11 1.1.2 Phẩm chất cơm 11 1.1.3 Lúa gạo thực phẩm toàn cầu 12 1.1.4 Các loại lúa gạo thị trƣờng 12 1.2 Chất lƣợng dinh dƣỡng lúa gạo 13 1.2.1 Hàm lƣợng Protein lúa gạo 13 1.2.2 Ảnh hƣởng yếu tố giống đến hàm lƣợng Protein 14 1.2.3 Ảnh hƣởng phân bón đến hàm lƣợng Protein 15 1.2.4 Ảnh hƣởng điều kiện ngoại cảnh đến đời sống lúa 16 1.3 Nghiên cứu di truyền số lƣợng liên quan đến hàm lƣợng Protein hạt lúa 17 1.3.1 Gen qui định hàm lƣợng Protein lúa 17 1.3.2 Hiệu gen qui định tính trạng hàm lƣợng Protein lúa 18 1.3.3 Tính trạng GPC ( Grain Protein Conten) lúa 21 1.4 Chỉ thị phân tử ứng dụng nghiên cứu di truyền hàm lƣợng Protein lúa 23 1.4.1 Chỉ thị phân tử 23 1.4.1.1 Chỉ thị RAPD 24 1.4.1.2 Chỉ thị AFLP 24 1.4.1.3 Chỉ thị SSR 25 1.4.2 Ứng dụng thị phân tử nghiên cứu chất lƣợng 25 1.4.2.1 Bản đồ di truyền tính trở hồ 26 1.4.2.2 Bản đồ di truyền hàm lƣợng Amylose 27 Nguyễn Thị Thu Hương -2- Luận văn thạc sĩ khoa học 1.4.2.3 Bản đồ di truyền hàm lƣợng protein 27 1.4.2.4 Bản đồ di truyền tính trạng mùi thơm 28 1.5.Một số kết nghiên cứu di truyền hàm lƣợng protein 30 CHƢƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 35 2.1 Vật liệu nghiên cứu 35 2.2 Phƣơng pháp nghiên cứu 40 2.2.1 Xác định hàm lƣợng Protein thành phần acid amine hạt gạo 40 2.2.2 Đánh giá liện quan mức độ phân tử bố, mẹ lai 42 2.2.3 Phƣơng pháp nghiên cứu di truyền số lƣợng liên quan đến hàm lƣợng Protein lúa 45 CHƢƠNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 50 3.1 Acid amine Protein bố mẹ lai 50 3.2 Sự liên quan di truyền mức độ phân tử bố, mẹ lai 52 3.3 Nghiên cứu di truyền số lƣợng liên quan đến hàm lƣợng Protein cao lúa 55 3.3.1 Phân tích hiệu gen tham gia qui định hàm lƣợng Protein lúa 55 3.3.2 Phân tích tham số di truyền tính trạng GPC 59 3.3.3 Các kiểu tác động gen lên hàm lƣợng Protein hạt lúa 65 Tƣơng quan số biểu hình thái với hàm lƣợng Protein hạt lúa 67 3.5 Tƣơng quan số tính trạng chất lƣợng khác với hàm lƣợng Protein 72 hạt lúa 3.6 Xác định số chọn lọc chọn tạo giống lúa có hàm lƣơng Protein cao 76 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 80 Kết luận 79 Đề nghị 80 TÀI LIỆU THAM KHẢO 82 A Tài liệu Tiếng Việt 81 B Tài liệu Tiếng Anh 83 Nguyễn Thị Thu Hương -3- Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC HÌNH ẢNH, BẢNG BIỂU Hình Trang Hình ảnh nhận dạng ADN mồi SSR 38 2.2 Cấu trúc hình thể tƣơng đồng di truyền giống lúa 39 3.1 Hình ảnh ADN bố mẹ lai sử dụng thị SSR(locus RM 5625) 52 3.2 Hình ảnh ADN bố mẹ lai sử dụng thị SSR (locus 53 RM 4499) 3.3 Hình ảnh ADN bố mẹ lai sử dụng thị SSR (locus 53 RM 6836) Bảng 2.1 Danh sách mồi SSR 35 2.2 Mô ̣t số đă ̣c tin ́ h nông ho ̣c của các giố ng lúa sƣ̉ du ̣ng nghiên cƣ́u 37 Hệ số tƣơng đồng di truyền giống lúa bố mẹ 39 Các tổ hợp lai giống lúa sử dụng nghiên cứu 40 3.1 Thành phần hàm lƣợng acid amine protein giống bố, mẹ 51 hạt F2 (% so với protein) 3.2 Ma trận tƣơng đồng giống lúa đem phân tích sử dụng SSR 52 3.3 Hàm lƣợng protein biến động qua hệ tố hợp lai 56 3.4 Mức độ trội gen qui định hàm lƣợng Protein cao giống lúa 58 3.5 Phƣơng sai thành phần quần thể bố, mẹ F2 59 3.6 Phƣơng sai chung quần thể bố, mẹ F2 60 3.7 Phân tích phƣơng sai nhân tố 62 3.8 Phƣơng sai hai nhân tố ( chiều cao cây, thời gian sinh trƣởng) ảnh 63 hƣởng tới hàm lƣợng Protein 3.9 Bảng phân tích phƣơng sai ba nhân tố (chiều cao, thời gian sinh 64 trƣởng, trọng lƣơng 1000 hạt) ảnh hƣởng tới hàm lƣợng Protein 3.10 Hàm lƣợng Protein biến động di truyền hệ 66 3.11 Thiết lập hệ số di truyền tổ hợp lai 67 3.12 Một vài tính trạng nơng học lúa F2 bố, mẹ 70 Nguyễn Thị Thu Hương -4- Luận văn thạc sĩ khoa học 3.13 Hệ số tƣơng quan Protein vài đặc điểm hình thái 71 3.14 Hàm lƣợng Protein tổng số vài dòng/giống lúa nghiên cứu 73 3.15 Hệ số tƣơng quan hàm lƣợng Protein Amylose tổng số bố, mẹ 74 3.16 Hệ số tƣơng quan hàm lƣợng Protein Amylose tổng số lai F1 75 3.17 Hệ số tƣơng quan hàm lƣợng Protein Amylose tổng số 75 lai F2 3.18 Hệ số tƣơng quan hàm lƣợng Protein Amylose tổng số 75 lai BC1 F1 3.19 Tiêu chuẩn chọn lọc, tính trạng giống tham gia thí nghiệm 76 3.20 Tiêu chuẩn chọn lọc, tính trạng giống tham gia thí nghiệm 77 3.21.Chỉ số chọn lọc giống phù hợp với mục tiêu chọn lọc 78 3.22 Chỉ số chọn lọc giống phù hợp với mục tiêu chọn lọc 78 Nguyễn Thị Thu Hương -5- Luận văn thạc sĩ khoa học DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT AE : (Additive interaction effect): Ảnh hƣởng tƣơng tác cộng tính AFLP : (Amplified Frament length polymorphism): Đa hình chiều dài đoạn ADN đƣợc nhân chọn lọc BC : (Backcross): Lai ngƣợc Bp : Base pair Cs., : Cộng CTAB : Cetytrimethyl Amonium Bromide dNTP : Deoxyribonucleotide EDTA : Ethylenediaminetetraacetic acid GPC : Grain Protein Content Kb : Kilo base MAS : (Marker Assitsed Selection): Chọn lọc có trợ giúp thị phân tử QTLs : (Quantitative Trait Loci) : Locut kiểm sốt tính trạng số lƣợng RAPD : (Random Amplyfied polymorphic DNA): Đa hình chiều dài đoạn ADN đƣợc nhân ngẫu nhiên RFLP : (Restriction Fragment Length Polymorphism): đa hình chiều dài đoạn phân cắt TBE : Tris-Boric Acid and EDTA TE : Tris-EDTA Nguyễn Thị Thu Hương -6- Luận văn thạc sĩ khoa học ĐẶT VẤN ĐỀ Tính cấp thiết ý nghĩa đề tài: Lúa gạo loại lƣơng thực quan trọng giới nói chung Việt Nam nói riêng Lúa gạo đƣợc trồng rộng khắp 112 nƣớc giới; nguồn cung cấp lƣơng thực chủ yếu 54% dân số giới (Nguyễn Minh Công cs., 2004) Ở số nƣớc nhƣ Ấn Độ, Trung Quốc, Indonesia, Nhật Bản, Việt Nam, lúa gạo lƣơng thực Về mặt diện tích gieo trồng, lúa gạo lƣơng thực có diện tích lớn thứ hai đứng sau lúa mì; Về sản lƣợng hàng năm, lúa gạo đứng thứ ba sau lúa mì ngơ (Nguyễn Minh Công cs., 2004) Về giá trị kinh tế, lúa gạo nguồn thu nhập nơng dân nhiều nơi giới mặt hàng xuất quan trọng số quốc gia có Việt Nam (hàng năm Việt Nam xuất khoảng 4,5 triệu gạo sang thị trƣờng khác giới) Vì việc đầu tƣ nghiên cứu nhằm nâng cao suất,chất lƣợng lúa gạo Việt Nam ln đƣợc Chính phủ quan tâm,đặc biệt chất lƣợng gạo xuất vấn đề thách thức nhà chọn giống nhiều năm qua Ở Việt Nam năm gần đây,việc chọn tạo giống lúa đƣợc đẩy mạnh, nhiều giống lúa suất, chất lƣợng đƣợc tạo chuyển giao vào sản xuất Tuy nhiên ,về chất lƣợng gạo nói chung chƣa đƣợc cải thiện rõ rệt Để đánh giá chất lƣợng dinh dƣỡng lúa gạo có nhiều tiêu khác nhau, tiêu quan trọng hàm lƣợng Protein hạt gạo Protein là nguồ n cung cấp dinh dƣỡng và lƣơ ̣ng chủ yếu hàng ngày ; Là loại hợp chất hữu rấ t quan trọng và thiếu đố i với mỡi thể sống ; cung cấp từ 10 đến 15% lƣợng sống giúp thể sinh trƣởng phát triển tốt Theo tính tốn, thể trƣởng thành nam giới lƣợng protein thiết yếu ngày cần khoảng 55,5g phụ nữ 45g So với loại trồng khác nuôi sống ngƣời, lúa loại trồng có hàm lƣợng protein thấp (6-12%) Ở Việt Nam , các giố ng lúa đƣơ ̣c trồ ng và sƣ̉ du ̣ng phổ biế n Khang dân 18, Q5, CR203.v.v lại giống lúa có hàm lƣơ ̣ng protein mức thấp , trung bin ̀ h đạt khoảng 7% (các giống đƣợc cho có hàm lƣợng protein cao có hàm lƣợng Nguyễn Thị Thu Hương -7- Luận văn thạc sĩ khoa học trung bình đạt từ đến 10%) (Vũ Tuyên Hoàng cs., 2005).Vì việc “Nghiên cứu di truyền hàm lƣợng protein cao lúa” việc làm cần thiết góp phần cung cấp thông tin,cơ sở liệu phục vụ cho việc tuyển chọn vật liệu lai tạo nhằm chọn giống lúa chất lƣợng cao phục vụ sản xuất Mục tiêu nghiên cứu: -Phân tích xác định đƣợc di truyền hàm lƣợng protein hạt lúa - Phân tích hiệu gen tham gia qui định hàm lƣợng protein lúa -Phân tích tham số di truyền tính trạng GPC số giống lúa trồng Việt Nam -Xác định số chọn lọc chọn giống lúa có hàm lƣợng protein caonhằm định hƣớng chọn giống lúa chất lƣợng gạo tốt phục vụ sản xuất Nội dung nghiên cứu đề tài: Nội dung 1: Phân tích thành phần hàm lƣợng acid amin protein bố mẹ lai Nội dung : Đánh giá sƣ̣ liên quan di truyề n ở mƣ́c đô ̣ phân tƣ̉ giƣ̃a bố me ̣ và lai Nội dung : Nghiên cƣ́u di truyề n số lƣơ ng̣ liên quan đế n hàm lƣơ ̣ng protein cao ở lúa Nội dung : Nghiên cứu tƣơng quan số biểu hinh thái với hàm lƣợng protein hạt lúa Nội dung : Nghiên cứu tƣơng quan giƣ̃a mô ̣t số tính tra ̣ng chấ t lƣơ ̣ng khác với hàm lƣơ ̣ng protein hạt lúa Nội dung : Xác định số chọn lọc chọn giống lúa có hàm lƣợng protein cao Phạm vi nghiên cứu Nghiên cứu giống lúa:Khang dân 18, Q5, P1, P4, P6, P290, AC5 quần thể lai F1, F2, BC Thời gian nghiên cứu: năm Nguyễn Thị Thu Hương -8- Luận văn thạc sĩ khoa học Chƣơng TỔNG QUAN TÀI LIỆU 1.1 CHẤT LƢỢNG LÚA GẠO VÀ THỊ TRƢỜNG LÚA GẠO Lúa gạo (Oryza sativa L.) lƣơng thực quan trọng bữa ăn hàng ngày nhiều dân tộc giới Ở Châu Á, lúa gạo nguồn cung cấp calor chủ yếu, đóng góp 56,2% lƣợng 42,9% lƣợng protein hàng ngày thể sống Đối với ngƣời nghèo, lúa gạo đặc biệt quan trọng 70% lƣợng lƣợng protein thể hàng ngày lấy từ bữa ăn (Flinn cs., 1985) Chất lƣợng lúa gạo khái niệm quan trọng gây nhiều tranh cãi nội dung tiêu chuẩn đánh giá cụ thể Do khái niệm chất lƣợng liên quan đến nhiều yếu tố: độ ẩm, độ hạt, tỷ lệ gạo gẫy, hình dạng hạt, chiều dài hạt, chiều rộng hạt, Mỗi quốc gia khác lại có tiêu chuẩn đánh giá hệ thống kiểm tra chất lƣợng riêng biệt hệ thống đánh giá Các tiêu chuẩn đánh giá thƣờng không thống quốc gia (Vũ Tuyên Hoàng cs., 2005) Tuy nhiên, tùy theo truyền thống ẩm thực thu nhập quốc gia, phận dân cƣ khác mà yêu cầu chất lƣợng lúa gạo khác (Vũ Tuyên Hoàng cs., 2005) Theo nghiên cứu Kaosa Juliano (1990) cho thấy: thị trƣờng Hồng Kông loại gạo hạt dài, tỉ lệ gạo nguyên cao, cơm mềm đƣợc bán với giá cao Tại Rome (Italia) loại gạo Japonica lại đƣợc ƣa chuộng Trái lại khách hàng khu vực Tây Á lại ƣa chuộng gạo đục cứng cơm Ngƣời Nhật Bản lại ƣa chuộng hạt gạo trịn, mềm ƣớt, thật trắng khơng có mùi thơm; ngƣời Thái Lan lại thích hạt gạo dài cơm khơ Những nơi mà gạo đóng vai trị nguồn lƣơng thực thứ yếu nhƣ Châu Âu, nhu cầu lại chủ yếu loại gạo có chất lƣợng cao: gạo 5-10% đƣợc tiêu thụ Tây Âu, gạo 10-13% đƣợc tiêu thụ nhiều nƣớc Đông Âu Các loại gạo hạt dài, chất lƣợng trung bình chủ yếu đƣợc xuất từ nƣớc Thái Lan, Miến Điện, Trung Quốc Việt Nam; loại gạo thƣờng có tỷ lệ từ Nguyễn Thị Thu Hương -9- Luận văn thạc sĩ khoa học Hệ số tƣơng quan dịng cột ghi giao dòng cộHệ số tƣơng quan âm (0) thể mối tƣơng quan đồng biến Các hệ số tƣơng quan có giá trị tuyệt đối xấp xỉ 0,75 trở lên thể mối tƣơng quan tuyến tính biến, ngƣợc lại hai biến có mối tƣơng quan phi tuyến tính (mối tƣơng quan khơng chặt) Bảng 3.14 Hàm lượng protein tổng số vài dòng/giống lúa nghiên cứu KD18 Q5 P1 P4 P6 P290 AC5 KD 18 x P1 KD 18 x P4 KD18 x P6 KD18xP290 KD18 xAC5 Q5 x P1 Q5 x P4 Q5 x P6 Q5 x P290 Q5 x AC5 KD 18 x P1 KD 18 x P4 KD18 x P6 KD18xP290 KD18 xAC5 Q5 x P1 Q5 x P4 Q5 x P6 Q5 x P290 Q5 x AC5 BC1 (KD 18 x P1) Cá c câ y B C1 Các F2 Các F1 Các bố, mẹ Giống lúa Nguyễn Thị Thu Hương Hàm lƣợng Protein (% chất khô) 7.00 6,80 10,50 11,00 10,5 10,00 9,50 8,85 9,10 8,85 8,60 8,35 8,95 8,92 8,70 8,60 8,25 8,85 9,22 8,95 8,05 9,15 8,65 8,77 8,85 8,15 8,95 8,95 72 Hàm lƣợng Amylose (% chất khô) 22,50 24,01 20,65 19,95 21,00 20,50 18,50 21,75 21,50 20,50 21,58 21,78 22,33 22,53 22,51 22,26 21,26 21,70 21,45 20,30 21,59 21,68 22,30 22,52 22,51 22,16 21,20 21,50 Luận văn thạc sĩ khoa học Hàm lƣợng Protein Hàm lƣợng Amylose (% chất khô) (% chất khô) BC1 (KD 18 x P4) 9,80 21,67 BC1 (KD18 x P6) 8,90 22,30 BC1 (KD18xP290) 8,90 22,50 BC1 (KD18 xAC5) 8,55 22,55 BC1 (Q5 x P1) 9,00 22,26 BC1 (Q5 x P4) 8,95 21,21 BC1 (Q5 x P6) 8,95 22,19 BC1 (Q5 x P290) 8,70 21,21 BC1 (Q5 x AC5) 8,35 21,25 Qua bảng 3.14, ta thấy, giống lúa nghiên cứu (giống có hàm lƣợng protein cao Giống lúa thấp, với lai) có hàm lƣợng amylose mức trung bình (thuộc nhóm 20-25%), Với giống bố, mẹ giống có hàm lƣợng protein thấp lại có hàm lƣợng cao (Bảng 3.5.1) Đối với lai, có hàm lƣợng amylose mức trung gian bố mẹ Điều ta kết luận có cá thể lai có hàm lƣợng amylose thấp bố mẹ, giúp chọn tạo đƣợc giống có hàm lƣợng amylose theo mong muốn Mối tƣơng quan hàm lƣợng protein hàm lƣợng amylsoe hệ */ Bố mẹ Bảng 3.15 Hệ số tương quan hàm lượng protein và amylose tổng số bố, mẹ Hàm lượng Protein Hàm lƣợng Protein Hàm lƣợng Amylose Hàm lượng Amylose -0.76167 Qua bảng 3.15 ta thấy hệ số tƣơng quan hàm lƣợng protein hàm lƣợng amylose tƣơng quan nghịch biến (hệ số tƣơng quan là: -0.76167) Trị tuyệt đối giá trị tƣơng quan (bảng 3.15.) >0,75, mối quan hệ hàm lƣợng protein tổng số hàm lƣợng amylose tuyến tính Nguyễn Thị Thu Hương 73 Luận văn thạc sĩ khoa học Điều giúp ta kết luận: Giữa hàm lƣợng amylose tổng số hàm lƣợng protein tổng số có mối quan hệ tuyến tính nghịch (mối quan hệ chặt), hàm lƣợng protein hạt tăng lên hàm lƣợng amylose hạt giảm */ Thế hệ F1 Bảng 3.16 Hệ số tương quan hàm lượng protein và amylose tổng số lai F1 Hàm lượng Hàm lượng Protein Amylose Hàm lƣợng Protein Hàm lƣợng Amylose -0.126817 Qua bảng 3.16 ta thấy hệ số tƣơng quan hàm lƣợng protein hàm lƣợng amylose nghịch biến (hệ số tƣơng quan là: -0.126817) Trị tuyệt đối giá trị tƣơng quan (bảng 3.16) F crit (1.778927)), Hàm lƣợng protein thời gian sinh trƣởng, chiều cao cây, có mối tƣơng quan đồng biến (Hệ số tƣơng quan tƣơng ứng là: 0.557957, 0.084649, >0) Hàm lƣợng protein với khối lƣợng 1000 hạt, chiều dài, rộng địng có mối tƣơng quan nghịch biến (hệ số tƣơng quan tƣơng ứng là: - Nguyễn Thị Thu Hương 79 Luận văn thạc sĩ khoa học 0.468259, -0.70611, -0.56156