Xác định gen thơm và sự biểu hiện hương thơm của các dòng đột biến phát sinh từ giống lúa tám dự và tám thơm đột biến

Sử dụng các chỉ thị phân tử SSR liên kết với locus kiểm soát hương thơm ở lúa (BADH2) để kiểm tra gen thơm của 24 dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Dự, 22 dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Thơm Đột Biến và 2 giống gốc.

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Nơng nghiệp Việt Nam - Số 2(99)/2019 XÁC ĐỊNH GEN THƠM VÀ SỰ BIỂU HIỆN HƯƠNG THƠM CỦA CÁC DÒNG ĐỘT BIẾN PHÁT SINH TỪ GIỐNG LÚA TÁM DỰ VÀ TÁM THƠM ĐỘT BIẾN Nguyễn Xn Dũng1, Nguyễn Văn Tiếp1, Nguyễn Minh Cơng2 TĨM TẮT Sử dụng thị phân tử SSR liên kết với locus kiểm soát hương thơm lúa (BADH2) để kiểm tra gen thơm 24 dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Dự, 22 dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Thơm Đột Biến giống gốc Kết cho thấy: giống gốc 44/46 dòng đột biến mang cặp gen lặn kiểm sốt hương thơm fgrfgr (trừ dịng đột biến TD38 TD39) cho gạo thơm mức độ khác (từ thơm đậm đến thơm nhẹ) Cùng giống gốc dòng đột biến mang cặp gen lặn fgrfgr gieo trồng tỉnh thành phố khác cho mức độ hương thơm khác (ở Hải Hậu - Nam Định có số hương thơm cao nhất) Gạo vụ Mùa thơm gạo vụ Xuân; gạo từ lúa thu hoạch chín 80% thơm từ lúa thu hoạch chín tồn phần (100%) Các dịng đột biến TD4, TD9, TD22 TD27 cho gạo thơm đậm so với giống gốc gieo trồng số địa điểm; dịng ĐB5, ĐB7, ĐB18 có hương thơm tương tự giống gốc Từ khóa: Gen thơm (fgrfgr), dòng đột biến, giống lúa đặc sản, vụ Xuân, vụ Mùa I ĐẶT VẤN ĐỀ II VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU Thuật ngữ “gen thơm” lúa nhiều năm sử dụng chưa thống Bradbury cộng tác viên (2005) số tác giả đặt tên gen thơm BADH2 locus mã hóa phân tử protein gồm 503 amino axít, tạo enzyme BADH2 (Betaine Aldehyde Deydrogenase Homologue 2) có hoạt tính ức chế tổng hợp 2AP làm cho lúa không thơm Ngược lại, đột biến lặn phát sinh gen (làm xuất alen lặn fgr kiểu gen đồng hợp lặn fgr fgr) làm chức nói cho gạo thơm Một số tác giả khác đặt tên cho gen thơm fgr (fragrance) - dựa kiểu hình kiểm sốt locus BADH2 Kết xác định trình tự nucleotit gen (hay giải trình tự nucleotit gen) Gaur cộng tác viên (2016) cho thấy fgr BADH2 thực chất gen Vì vậy, cơng trình cơng bố gần sử dụng thuật ngữ “gen thơm” fgr - kiểu gen fgr fgr kiểm soát hương thơm Các giống lúa dịng đột biến có kiểu gen fgr fgr thường cho gạo thơm Tuy nhiên, kết nghiên cứu Phan Hữu Tôn Tống Văn Hải (2010) cho thấy giống lúa cho gạo thơm mang cặp gen lặn fgr fgr số giống mang cặp gen lại không cho gạo thơm 2.1 Vật liệu nghiên cứu Sử dụng 24 dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Dự, 22 dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Thơm Đột Biến hệ thứ giống gốc Các dịng đột biến nói tạo chiếu xạ tia gamma (Co60) vào hạt lúa nảy mầm thời điểm 69 h kể từ ngâm hạt cho hút nước bão hòa khoảng nhiệt độ 30 - 32oC 36 h, tiếp đem ủ khoảng nhiệt độ nói Sử dụng thị fgr gồm mồi: EAP, IFAP, ESP INSP để xác định có mặt gen thơm dịng đột biến giống gốc Để góp phần làm sáng tỏ chế di truyền kiểm soát hương thơm biểu gen thơm điều kiện gieo trồng, mùa vụ thời điểm khác q trình chín hạt thóc, nghiên cứu “Xác định gen thơm biểu hương thơm dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Dự Tám Thơm Đột Biến” tiến hành Bảng Tên trình tự mồi xác định gen thơm Tên mồi ESP IFAP INSP EAP Trình tự 5’-TTGTTTGGAGCTTGCTGATG-3’; 5’-CATAGGAGCAGCTGAAATATATACC-3’ 5’-CTGGTAAAAAGATTATGGCTTCA-3’ 5’-AGTGCTTTA CAAGTCCCGC-3’ 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp xác định gen thơm a) Tách chiết AND tổng số Mẫu dòng đột biến giống gốc thu thập tách chiết ADN tổng số theo phương pháp CTAB Obara Kako (1998) có cải tiến - Chuẩn bị sẵn dung dịch đệm chiết CTAB 600C Nghiền khoảng 0,3 gam mẫu chày cối sứ vô trùng nitơ lỏng đến thành dạng bột mịn, sau hồ tan 800 ml CTAB buffer 60 ml SDS 10% Trung tâm Chuyển giao Công nghệ Khuyến nông, VAAS; Trường Đại học Sư phạm Hà Nội 10 Tạp chí Khoa học Công nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 2(99)/2019 Ủ mẫu 650C bể ổn nhiệt, khoảng 60 phút Bổ sung hỗn hợp CHCl3-IsoA (24 : 1) với tỷ lệ : thể tích so với dịch mẫu, lắc nhẹ thành dạng nhũ sữa Ly tâm 12000 vòng/phút 10 phút nhiệt độ phịng, hút dung dịch phía chuyển sang ống Tiếp tục chiết lần hỗn hợp CHCl3-IsoA (24 : 1) Thu dịch chiết chứa ADN, tủa ADN ethanol làm lạnh để –200C Ly tâm thu tủa 14000 vòng/phút 15 phút 40C, rửa tủa etanol 70%, ly tâm thu tủa, làm khơ hồ tan đệm TE Độ tinh nồng độ ADN tổng số kiểm tra cách điện di gel agarose 1% với lader lADN 25 mg/ml - Kỹ thuật PCR: Phản ứng PCR tiến hành máy Veriti 96 well Thermal cycler, tổng thể tích phản ứng 15 µl, bao gồm: µl ADN; 0.15 µM mồi; 0.2 mM dNTPs; 1X dịch đệm PCR; 2.5 mM MgCl2 0.25 đơn vị Taq polymerase Điều kiện phản ứng PCR: + Bước 1: Nhiệt độ 95oC, thời gian phút, số chu kỳ: + Bước 2: Nhiệt độ 94oC, thời gian 15 giây; Nhiệt độ 55oC, thời gian 30 giây; Nhiệt độ 72oC, thời gian phút, số chu kỳ: 35 + Bước 3: Nhiệt độ 72oC, thời gian phút, số chu kỳ: Giữ mẫu 40C Sản phẩm PCR kiểm tra gel agarose 3% b) Điện di gel agarose Theo phương pháp Khoa Genome Thực vật, Trường Đại học Công nghệ Texas, Mỹ (2002) có cải tiến Chuẩn bị gel agarose: - Bột agarose (3%) hòa tan dung dịch đệm TBE 0.5X Đun sôi dung dịch agarose lị vi sóng, đưa khoảng 500C, sau bổ sung Ethidium bromide (EtBr) với nồng độ 0.5 µg/ml Rót hỗn hợp gel agarose EtBr vào khay gel cắm lược - Tra sản phẩm PCR - Chạy điện di với dung dịch đệm TBE 0.5X với điều kiện 100 mA Rửa gel H2O đặt gel vào máy soi UV chụp ảnh c) Điện di kiểm tra sản phẩm PCR gel polyacrylamide Sản phẩm PCR điện di gel polyacrylamide 6,0% phát tia cực tím phương pháp nhuộm ethidium bromide + Gel polyacrylamide bao gồm thành phần sau (bản gel có kích thước 30 cm ˟ cm): 22,2 ml nước cất khử ion; 1,5 ml TBE 10X; ml dung dịch acrylamide 40%; 300 µl dung dịch APS 10%; 25µl dung dịch TEMED; 30 ml tổng thể tích gel + Trộn hỗn hợp dung dịch dùng xilanh bơm vào hai kính Sau 30 phút, gel polyme hố hồn tồn, điện di sản phẩm PCR với thang marker FX174 điều kiện 150V 2.2.2 Phương pháp nghiên cứu biểu hương thơm Hương thơm đánh giá theo phương pháp Sood Siding (1978), Nguyễn Thị Lang Bùi Chí Bửu (2004) cụ thể hóa sau: dịng/ giống lấy 15 hạt, bóc vỏ trấu nghiền nhỏ, sau đặt đĩa petri Cho vào hộp 0,5 ml dung dịch KOH 1,7% đậy nắp hộp, đặt điều kiện 300C 30 phút Sau đó, mở hộp đánh giá hương thơm theo cảm quang Chỉ số hương thơm mẫu trung bình cộng kết đánh giá người Để tăng khả xác định độ khác biệt dòng với với giống gốc, nhóm tác giả chi tiết hóa thang đánh giá hương thơm hạt gạo lật “Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia khảo nghiệm tính khác biệt, tính đồng tính ổn định giống lúa” - QCVN01-65:2011/ BNNPTNN với gồm mức (không thơm thơm nhẹ - điểm 1; thơm nhẹ - điểm 2; thơm điểm 3) cụ thể sau: - không thơm; < thơm nhẹ < 3; ≤ thơm nhẹ < 6; ≤ thơm < 8; ≤ thơm đậm ≤ 10 2.2.3 Phương pháp xử lý số liệu - Kết xác định gen thơm đọc trực tiếp băng điện di đối chiếu với đối chứng dương băng điện di giống Basmati có cặp gen đồng hợp tử lặn gen fgr; alen lặn fgr có băng với kích thước tương đương 257bp, cịn alen trội FGR có băng với ích thước tương đương 355bp Kết đọc băng mã hóa ký hiệu sau: Ký hiệu - băng có kích thước tương đương 257bp hay có gen lặn fgr Ký hiệu + băng có kích thước tương đương 355bp hay có gen trội FGR Nên -/- ký hiệu cặp gen lặn fgr fgr; +/+: ký kiệu cặp gen trội FGR FGR; +/-: ký hiệu cặp gen dị hợp tử FGR fgr 11 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Nơng nghiệp Việt Nam - Số 2(99)/2019 - Kết xác định biểu hương thơm: điểm hương thơm điểm trung bình người đánh giá hương thơm 2.3 Thời gian địa điểm nghiên cứu - Thời gian nghiên cứu: 1/2017 - 12/2017 - Địa điểm nghiên cứu: Thí nghiệm xác định gen thơm thực Bộ môn Di truyền học, Trường đại học Sư phạm Hà Nội Các dòng/giống nghiên cứu gieo trồng địa điểm thuộc tỉnh, thành phố: huyện Hữu Lũng - Lạng Sơn; Việt Yên - Bắc Giang; Sơn Dương - Tuyên Quang; Thanh Trì - Hà Nội; Hải Hậu - Nam Định Hậu Lộc - Thanh Hóa để xác định biểu hương thơm III KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1 Kết kiểm tra gene thơm fgr Bradbury cộng tác viên (2005) chứng minh rằng: Phản ứng PCR với mồi EAP ASP khuếch đại đoạn AND gồm 577bp giống lúa thơm đoạn AND gồm 585bp lúa không thơm; mồi IFAP INSP khuếch đại đoạn 257bp giống lúa thơm 355bp lúa không thơm Bảng Kết xác định gen thơm fgr các dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Dự và Tám Thơm Đột Biến STT Tên dòng/ giớng Gen fgr Biểu hiện STT Tên dịng/ giớng Gen fgr Biểu hiện TD -/- Thơm TTĐB -/- Thơm TD2 -/- Thơm ĐB1 -/- Thơm TD4 -/- Thơm ĐB2 -/- Thơm TD5 -/- Thơm ĐB5 -/- Thơm TD7 -/- Thơm ĐB6 -/- Thơm TD9 -/- Thơm ĐB7 -/- Thơm TD13 -/- Thơm ĐB9 -/- Thơm TD15 -/- Thơm ĐB13 -/- Thơm TD19 -/- Thơm ĐB14 -/- Thơm 10 TD20 -/- Thơm 10 ĐB17 -/- Thơm 11 TD22 -/- Thơm 11 ĐB18 -/- Thơm 12 TD23 -/- Thơm 12 ĐB21 -/- Thơm 13 TD26 -/- Thơm 13 ĐB22 -/- Thơm 14 TD27 -/- Thơm 14 ĐB24 -/- Thơm 15 TD28 -/- Thơm 15 ĐB26 -/- Thơm 16 TD29 -/- Thơm 16 ĐB27 -/- Thơm 17 TD30 -/- Thơm 17 ĐB28 -/- Thơm 18 TD35 -/- Thơm 18 ĐB31 -/- Thơm 19 TD36 -/- Thơm 19 ĐB33 -/- Thơm 20 TD37 -/- Thơm 20 ĐB34 -/- Thơm 21 TD38 +/+ Không thơm 21 ĐB39 -/- Thơm 22 TD39 +/+ Không thơm 22 ĐB42 -/- Thơm 23 TD45 -/- Thơm 23 ĐB49 -/- Thơm 24 TD46 -/- Thơm 25 TD47 -/- Thơm Ghi chú: TD: giống lúa Tám Dự; TD2, TD4, … dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Dự; TTĐB: Tám Thơm Đột Biến; ĐB1, ĐB2, ĐB5,… dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Thơm Đột Biến; Trạng thái gen: (-/-): đồng hợp lặn; (+/+): đồng hợp trội 12 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Nơng nghiệp Việt Nam - Số 2(99)/2019 Thực phản ứng PCR với mồi: EAP, ASP, IFAP INSP để kiểm tra có mặt gen thơm dịng đột biến giống gốc Sử dụng giống lúa Basmati làm đối chứng dương, điện di sản phẩm PCR giống thu băng ADN có kích thước tương đương 257bp khoảng 580bp, nghĩa giống lúa Basmati mang kiểu gen đồng hợp tử lặn (fgrfgr) Kết phù hợp với kết nghiên cứu Bradbury cộng tác viên (2005) Bốn mồi nói sử dụng để kiểm tra gen thơm dòng đột biến, giống gốc thu ảnh điện di rõ nét (Hình 1) Đối chiếu với kết thu đối chứng dương (giống lúa Basmati), nhận thấy: hầu hết dòng đột biến (44/46 dòng) giống gốc xuất băng ADN với kích thước tương đương 257bp (Hình 1), chứng tỏ giống gốc dòng đột biến đồng hợp tử lặn gen kiểm soát hương thơm (fgrfgr) Băng kích thước 355bp (đồng hợp tử trội) thấy dịng TD38 TD39 Hình Ảnh điện di sản phẩm PCR với mồi kiểm tra gen thơm Ghi chú: TD1 hình biểu thị TD Phan Hữu Tôn Tống Văn Hải (2010) nghiên cứu xác định gen thơm (fgr) tập đồn giống lúa có khơng có hương thơm kết luận: “các giống lúa có hương thơm mang cặp gen lặn (fgrfgr) kiểm soát hương thơm; nhiên số giống mang cặp gen nói trên, khơng có khơng thơm” Vì vậy, cần nghiên cứu biểu hương thơm dòng đột biến thuộc tập đoàn 3.2 Sự biểu hương thơm dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Dự Tám Thơm Đột Biến 3.2.1 Sự biểu hương thơm dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Dự Kết xác định biểu hương thơm dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Dự trình bày bảng Số liệu trình bày bảng cho thấy: Các dịng TD5, TD19, TD22 TD27 cho gạo có hương thơm tương tự so với giống gốc Ở số địa điểm gieo trồng, dịng đột biến nói đặc biệt dịng TD5 TD22 cịn có số hương thơm cao so với giống gốc Kết phù hợp với kết luận Sompong cộng tác viên (2017) cho “xử lý hạt thóc giai đoạn nảy mầm chiếu xạ tia gamma làm tăng đáng kể hương thơm dòng đột biến” Mức độ biểu hương thơm từ gạo dòng TD7, TD13, TD29, TD35, TD36 TD47 khác gieo trồng địa điểm khác nhau, nghĩa thơm địa điểm thơm nhẹ thơm nhẹ địa điểm khác như: dịng TD13, TD27, TD36 có hương thơm đặc trưng Nam Định Thanh Hóa, thơm nhẹ Hà Nội, Lạng Sơn Tuyên Quang thơm nhẹ gieo trồng Bắc Giang Các dòng TD35 TD49 biểu thơm Nam Định, thơm Thanh Hóa Hà Nội, thơm nhẹ nhẹ gieo trồng Tuyên Quang, Lạng Sơn Bắc Giang 13 Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Nông nghiệp Việt Nam - Số 2(99)/2019 Bảng Biểu hương thơm hạt dòng đột biến phát sinh từ giống lúa Tám Dự Sự biểu hương thơm địa điểm thời gian chín khác Nam Định Thanh Hóa Hà Nội Tuyên Quang Lạng Sơn Bắc Giang 80% 100% 80% 100% 80% 100% 80% 100% 80% 100% 80% 100% X 7,4 6,5 7,2 6,6 7,0 6,5 6,9 6,2 7,0 6,3 6,6 6,0 TD M 7,8 6,9 7,5 6,8 7,3 6,8 7,2 6,6 7,1 6,6 6,9 6,5 X 3,1 2,2 3,0 1,9 2,0 0,7 1,5 0,6 1,4 0,5 1,3 0,3 TD2 M 4,1 3,5 3,3 2,1 3,2 1,4 2,1 1,4 2,4 0,9 1,8 0,7 X 4,2 2,3 2,2 1,1 2,5 1,3 2,1 1,5 4,2 2,8 1,2 0,8 TD4 M 5,8 2,8 3,1 2,6 4,0 3,2 4,3 3,4 5,0 4,3 3,1 1,5 X 8,6 8,2 8,2 8,0 8,2 7,9 7,9 7,7 7,8 7,3 6,9 6,7 TD5 M 9,2 8,9 8,6 8,6 8,5 8,2 8,4 8,0 8,4 8,1 7,5 7,3 X 6,1 6,1 6,1 5,4 3,1 2,8 2,3 1,4 2,3 1,6 1,2 0,9 TD7 M 7,3 6,5 7,5 6,6 4,0 3,7 3,2 2,9 2,7 2,3 2,5 1,9 X 0,8 0,1 0,9 0,5 1,4 0,3 1,2 0,4 1,6 0,5 1,1 0,5 TD9 M 1,7 0,9 2,5 1,6 2,1 1,1 2,7 1,3 1,8 0,9 1,8 0,9 X 1,0 0,5 1,1 0,8 2,1 1,2 2,1 0,6 2,2 1,1 1,3 0,9 TD13 M 2,1 0,7 2,3 1,8 3,1 2,0 3,0 2,4 2,6 1,5 1,5 1,1 X 1,0 0,5 1,1 0,3 2,1 1,2 1,1 0,7 0,9 0,3 0,8 0,4 TD15 M 2,1 1,1 1,7 0,7 2,5 1,7 19 1,2 1,4 0,8 1,2 0,7 X 7,0 6,6 6,4 6,1 6,2 5,5 6,7 6,2 6,3 6,0 6,3 5,4 TD19 M 7,6 7,0 7,7 6,9 7,2 6,7 7,3 6,9 7,0 6,4 6,8 6,3 X 1,5 0,7 1,3 0,3 1,5 0,4 0,7 0,2 1,5 0,3 0,9 0,3 10 TD20 M 1,9 1,1 2,0 0,8 1,7 0,7 1,8 0,5 1,9 1,1 1,3 0,9 X 8,5 7,9 8,3 7,8 8,0 7,8 7,8 7,5 7,5 7,1 7,7 7,0 11 TD22 M 9,0 8,6 8,8 8,4 8,7 8,2 8,3 8,0 8,1 7,6 8,2 7,5 X 1,4 0,4 0,9 0,2 0,7 0,2 1,5 0,6 2,1 1,2 1,1 0,6 12 TD23 M 1,6 0,6 1,3 0,4 1,7 0,8 1,8 0,9 2,5 1,7 1,3 0,8 X 4,4 3,8 4,1 3,7 3,6 3,1 1,2 0,6 0,7 0,1 0,9 0,2 13 TD26 M 5,7 5,1 5,5 4,9 4,5 4,1 2,3 1,7 1,1 0,5 1,2 0,5 X 6,7 6,3 6,3 6,0 6,7 6,4 6,7 6,1 6,7 60 6,0 5,3 14 TD27 M 7,3 6,8 7,0 6,5 7,4 7,0 7,3 6,7 7,3 6,5 6,6 6,0 X 1,2 0,3 1,3 0,6 1,1 0,7 0,9 0,5 1,4 0,4 1,1 0,3 15 TD28 M 1,7 1,1 2,0 1,6 1,8 1,3 1,3 1,1 1,6 0,7 1,2 0,5 X 6,8 6,1 6,4 5,8 3,1 2,9 3,3 2,1 2,3 2,1 2,1 0,9 16 TD29 M 7,5 6,9 7,2 6,9 4,5 3,4 3,8 3,1 3,4 3,0 2,5 2,3 X 0,8 0,4 1,1 0,6 0,9 0,2 1,5 0,2 1,3 0,5 1,3 0,3 17 TD30 M 1,3 0,7 1,5 0,9 1,3 0,4 1,8 0,6 1,7 1,1 1,7 0,7 X 6,7 6,1 4,0 3,5 3,2 2,1 1,8 1,2 1,7 0,7 1,5 0,5 18 TD35 M 7,5 6,9 5,5 4,1 3,7 3,3 2,8 3,0 2,1 1,3 2,1 1,3 X 1,1 0,5 1,1 0,9 2,4 1,8 2,1 0,7 2,2 0,7 1,3 0,9 19 TD36 M 2,1 0,9 2,1 1,2 3,1 2,3 2,0 1,4 2,6 1,5 1,5 1,8 X 1,0 0,5 0,9 0,5 1,5 0,6 0,5 0,1 0,7 0,1 1,5 0,7 20 TD37 M 2,1 1,4 1,7 1,1 1,8 0,9 0,9 0,3 1,0 0,4 1,9 1,4 X 0 0 0 0 0 0 21 TD38 M 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 22 TD39 M 0 0 0 0 0 0 X 3,4 2,8 1,4 0,7 2,6 1,1 1,2 0,4 0,7 0,3 0,8 0,2 23 TD45 M 4,8 3,2 2,5 1,5 3,5 2,0 1,8 1,2 1,5 1,1 1,3 0,6 X 4,5 3,7 4,2 2,3 2,6 1,4 3,9 3,4 1,7 0,6 2,9 1,3 24 TD46 M 5,6 4,9 5,3 3,0 3,7 2,7 4,8 4,1 2,4 1,8 3,3 2,6 X 6,1 6,0 4,4 3,7 3,5 3,3 2,2 1,1 0,7 1,1 0,8 0,5 25 TD47 M 7,3 6,7 5,7 5,1 4,6 4,1 2,7 2,5 1,3 2,5 1,9 1,1 Ghi chú: Hương thơm: 0: không thơm; 0