Chọn tạo giống lúa tính trạng hàm lượng amylose thấp bằng chỉ thị phân tử SSR trên quần thể lai hồi giao (Luận án tiến sĩ)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

HỒ VĂN ĐƯỢC

CHỌN TẠO GIỐNG LÚA HÀM LƯỢNG
AMYLOSE THẤP BẰNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ
SSR TRÊN QUẦN THỂ LAI HỒI GIAO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC
MÃ NGÀNH: 9 42 02 01

CẦN THƠ, 2018


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ

HỒ VĂN ĐƯỢC

CHỌN TẠO GIỐNG LÚA HÀM LƯỢNG
AMYLOSE THẤP BẰNG CHỈ THỊ PHÂN TỬ
SSR TRÊN QUẦN THỂ LAI HỒI GIAO

LUẬN ÁN TIẾN SĨ SINH HỌC
CHUYÊN NGÀNH: CÔNG NGHỆ SINH HỌC
MÃ NGÀNH: 9 42 02 01

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
GS.TS. NGUYỄN THỊ LANG

CẦN THƠ, 2018


i


LỜI CẢM ƠN
Tôi xin trân thành cảm ơn sâu sắc đến:
Giáo viên hướng dẫn đã dành nhiều thời gian quý báu, công sức và tận
tình chỉ dẫn tôi trong thời gian thực hiện luận án và theo học tại trường.
Quý Thầy Viện NC&PT Công nghệ Sinh học đã tư vấn, động viên, hỗ
trợ chuyên môn, giúp đỡ và tạo điều kiện thuận lợi nhất cho việc nghiên cứu
và học tập tại Viện.
Xin được gửi lời biết ơn sâu sắc đến Ban Lãnh đạo, Quý thầy cô, anh chị
em Bộ môn Di Truyền Chọn giống cây trồng Viện lúa Đồng Bằng Sông Cửu
Long; Ban lãnh đạo Viện NC&PT Công nghệ Sinh học trường Đại học Cần
Thơ; đã sắp xếp công việc cũng như tạo điều kiện thuận lợi về thời gian và cơ
sở vật chất để tôi có thể hoàn thành chương trình học tập và luận án đúng tiến
độ.
Cuối cùng, sự thành công của luận án không thể không kể đến sự đóng
góp không nhỏ của các thành viên trong gia đình, sự tạo điều kiện thuận lợi
của Lãnh đạo cơ quan và các đồng nghiệp cơ quan, những người luôn ủng hộ,
động viên và giúp tôi vượt qua rất nhiều khó khăn trong thời gian học tập.
Chân thành cám ơn./.

ii


TÓM TẮT

Gạo chất lượng cao đang là nhu cầu cấp thiết cho nội tiêu và xuất khẩu
của vùng đồng bằng Sông Cửu Long. Hàm lượng amylose là một tính trạng
quan trọng liên quan trực tiếp đến phẩm chất của hạt gạo. Nghiên cứu giống
lúa có hàm lượng amylose thấp thông qua sự kết hợp giữa phương pháp lai tạo
truyền thống và chọn lọc hiện đại bằng chỉ thị phân tử cho phép rút ngắn thời
gian và tăng hiệu quả tạo chọn giống lúa có chất lượng ngon dẻo. Trong
nghiên cứu này, vật liệu bố mẹ được đánh giá đầu tiên sử dụng phương pháp
phân tích kiểu hình dựa trên hàm lượng amylose và năng suất kết hợp đánh giá
kiểu gen với gen mục tiêu waxy. Các quần thể lai hồi giao được tạo ra từ các
bố mẹ được lựa chọn. Chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS) được ứng dụng
trong chọn lọc các tổ hợp lai với chỉ thị Wx cho gen mục tiêu, RM240,
RM162, RM256 và RM257 cho gen được đánh dấu trên các cá thể mẹ (gen tái
tổ hợp). Các cá thể/dòng phù hợp sẽ được chọn cho tự thụ đến thế hệ thứ hai
(F2). Ở thế hệ này, bản đồ GGT được thiết lập trên 12 nhiễm sắc thể để đánh
giá mối quan hệ di truyền của các cá thể chọn và qua đó tuyển lựa các cá thể
có nền tảng di truyền thích hợp nhất với mục tiêu chọn giống. Các cá thể triển
vọng nhất cuối cùng được chọn lọc dựa vào hàm lượng amylose thấp (~20%)
và năng suất cao (~7,0 tấn/ha) trên đồng ruộng. Kết quả chọn lọc vật liêu lai
cho thấy các giống bố cho gen (donor) thích hợp là Jasmine85, KDML105 và
OM7347, và các giống mẹ nhận gen (recipient) bao gồm OM6976, OM5930
và OM6073. Khi phân tích hệ số di truyền (h2BS) cũng như hiệu quả chọn lọc
(GA) ở thế hệ F2, chỉ có 3 tổ hợp lai OM6976/Jasmine85, OM6976/KDML105
và OM5930/OM7347 được đánh giá là có tiềm năng nhất để tiếp tục phát
triển. Ba tổ hợp lai hồi giao (OM6976/Jasmine85//OM6976,
OM6976/KDML105//OM6976 và OM5930/OM7347//OM5930) được chọn
lọc
đến thế
hệ
BC4. Ở
thế

hệ
BC4F1,
10
cá
thể
của tổ
hợp OM6976/Jasmine85//OM6976, 2 cá thể của tổ hợp
OM6976/KDML105//OM6976
và
1
cá
thể
của
tổ
hợp
OM5930/OM7347//OM5930 được chọn vì các dòng này vừa mang gen waxy
dị hợp tử và vừa mang 4 gen tái tổ hợp đồng hợp tử. Phân tích bản đồ GGT ở
thế hệ BC4F2 cho thấy tổ hợp OM6976/Jasmine85//OM6976 có 4 dòng
(BC4F2-1,
BC4F2-3,
BC4F2-20
và
BC4F2-25),
tổ
hợp
OM6976/KDML105//OM6976 có 1 dòng (BC4F2-44) và tổ hợp
OM5930/OM7347//OM5930 có 2 dòng (BC4F2-16 và BC4F2-40) mang gen
waxy đồng hợp và 100% đồng hợp tử gen tái tổ hợp trên cả 12 nhiễm sắc thể.
Ở thế hệ BC4F3, các dòng lúa trên tiếp tục được lựa chọn trên đồng ruộng,

iii


trong đó, các dòng lúa D75, D131, D142, D150, D296, D233, D230 và D397
là triển vọng nhất. Các dòng này có tiềm năng phát triển ở vùng đồng bằng
Sông Cửu Long cũng như là nguồn vật liệu quý cho các nghiên cứu tiếp theo.
Từ khóa: quần thể lai hồi giao, chọn giống nhờ chỉ thị phân tử (MAS), gen
waxy, hàm lượng amylose, năng suất

iv


SUMMARY
High quality rice is an imperative demand for domestic consumption and
export of the Mekong Delta. Amylose content is an important trait that directly
relates to the quality of rice grains. Research on the low amylose content in
rice through a combination of traditional crossing and modern selection
methods by molecular markers to shorten the time and increase the efficiency
of selecting good quality rice varieties. In this study, parent materials were
firstly evaluated through phenotypic analysis based on amylose content and
yield combined with genotypic analysis of the target gene “waxy”. Backcross
populations were generated from selected parents. Marker-assisted selection
(MAS) was applied in choosing individuals with Wx marker for the waxy
gene, and 4 markers, RM240, RM162, RM256 and RM257, for recombinant
genes. Selected individuals were selfed to the second generation (F2). In this
generation, the GGT map was established on 12 chromosomes to assess the
genetic relationships among selected individuals, and thereby candidating
individuals with the most genetic background to match the breeding objective.
Finally, the most elite individuals were selected based on low amylose content
(~ 20%) and high yield (~ 7.0 tons/ha) in the field. As a result, the suitable

donor genotypes were Jasmine85, KDML105 and OM7347, and recipient
genotypes included OM6976, OM5930 and OM6073. Based on heritability
(h2BS) as well as genetic advance (GA) in the F2 generation, three
hybridizations,
OM6976/Jasmine85,
OM6976/KDML105
and
OM5930/OM7347, were most potential to grow. The three backcross
populations (OM6976/Jasmine85//OM6976, OM6976/KDML105//OM6976
and OM5930/OM7347//OM5930) were selected untill to BC4 generation. In
the BC4F1 generation, 10 individuals of OM6976/Jasmine85/OM6976, 2
individuals of OM6976/KDML105//OM6976 and 1 individual of
OM5930/OM7347//OM5930 were selected because these lines carried the
heterozygote waxy gene and four homozygous recombinant genes. The
analysis of the GGT map at BC4F2 showed that the population of OM6976/
Jasmine85//OM6976 with 4 lines (BC4F2-1, BC4F2-3, BC4F2-20 and BC4F225), the population of OM6976/KDML105//OM6976 with 1 line (BC4F2-44),
and the population of OM5930/OM7347//OM5930 with (BC4F2-16 and
BC4F2-40) carried both of the target gene and 100% homozygous recombinant
genes in all 12 chromosomes. In the BC4F3 generation, the rice lines were
selected on the field, in which, the eight best lines were D75, D131, D142,
D150, D296, D233, D230 and D397. These rice lines were considered to be

v


ability to develop in the Mekong Delta as well as a valuable resource for
further research.
Key word: backcross population, MAS, waxy gene, amylose content, yield.

vi

MỤC LỤC
Trang
LỜI CAM ĐOAN…………………………………………………………..

i

LỜI CẢM ƠN………………………………………………………...

ii

TÓM TẮT…………………………………………………………….

iii

SUMMARY…………………………………………………………..

v

MỤC LỤC…………………………………………………………….

vii

DANH SÁCH BẢNG………………………………………………...

xii

DANH SÁCH HÌNH…………………………………………………

xiii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT………………………………….

xvi

Chương 1: GIỚI THIỆU…………………………………………….

1

1.1 Đặt vấn đề ………………………………………………………………

1

1.2 Mục tiêu nghiên cứu ……………………………………………………

2

1.2.1 Mục tiêu tổng quát …………………………………………………………..

2

1.2.2 Mục tiêu nghiên cứu cụ thể ……………………………………………….

2

1.3 Nội dung nghiên cứu ……………………………………………………

3

1.3.1 Nội dung 1: Đánh giá vật liệu bố mẹ sử dụng trong nghiên cứu chọn
tạo giống lúa phẩm chất cao có hàm lượng amylose
thấp……………………………………………………………………………………

3

1.3.2 Nội dung 2: Đánh giá hiệu quả di truyền của các tổ hợp lai…………..

3

1.3.3 Nội dung 3: Chọn tạo quần thể lai hồi giao có hàm lượng amylose
thấp thông qua MAS………………………………………………………………..

3

1.3.4 Nội dung 4: Chọn lọc các quần thể hồi giao BCnF2 thông qua lập bản
đồ GGT……………………………………………………………………………….

3

1.3.5 Nội dung 5: Đánh giá và chọn lọc cá thể có hàm lượng amylose và
năng suất cao trên các quần thể lai hồi giao BCnF3 ……………….................

3

1.4 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài ……………………………….

4

1.4.1 Ý nghĩa khoa học ……………………………………………......................

4

1.4.2 Ý nghĩa thực tiễn ……………………………………………......................

4

vii


1.5 Tính khoa học của đề tài …………………………………………..........

4

1.6 Những đóng góp mới của đề tài …………………………………...........

5

1.7 Tính ứng dụng của đề tài ………………………………………………..

5

1.8 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ………………………………………

5

Chương 2: TỔNG QUAN TÀI LIỆU ………………………………

6

2.1 Các chỉ tiêu phẩm chất của hạt gạo ……………………………………..

6

2.1.1 Hàm lượng amylose (AC) …………………………………………………..

6

2.1.2 Độ bền gel (GC) ……………………………………………………………..

7

2.1.3 Độ trở hồ (GT) ………………………………………………………………

8

2.2 Sơ lược về hàm lượng amylose …………………………………………

9

2.2.1 Sự hình thành tinh bột ở cây lúa ………………………………………….

9

2.2.2 Amylose và amylopectin……………………….. ………………………….

9

2.2.3 Cơ sở di truyền tính trạng hàm lượng amylose …………………………

11

2.3. Phương pháp lai hồi giao trong chọn tạo giống lúa……………………...

14

2.3.1 Một số khái niệm trong phương pháp lai hồi giao ……………………...

14

...2.3.2 Ưu điểm của phương pháp lai hồi giao …………………………..........

16

2.3.3 Ưu điểm của phương pháp lai hồi giao ………………………….............

16

2.4 Ứng dụng chỉ thị phân tử trong chọn tạo giống lúa …………………….

17

2.4.1 Sơ lược về phương pháp chọn lọc bằng chỉ thị phân tử ………….........

17

2.4.2 Một số thành tựu của chỉ thị SSR trong chọn giống lúa ……………......

18

2.5 Chọn tạo giống bằng phương pháp lai hồi giao kết hợp với chỉ thị phân
tử…………………………………………………………………………….

19

2.5.1 Các giả thuyết mô hình MAS ………………………………………………

19

2.5.2 Điều kiện để ứng dụng MAS ………………………………………………

20

2.5.3 Đối với các tính kháng sinh học ............................................................

22

2.5.4 Đối với các tính kháng phi sinh học ......................................................

23

2.5.5 Đối với các đặc tính nông học ..............................................................

23

2.6 Các kết quả nghiên cứu giống phẩm chất cao trong và ngoài nước ........

23

viii

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU………………………….. 26
3.1 Địa điểm và thời gian nghiên cứu …………………………………………... 26
3.2 Vật liệu nghiên cứu …………………………………………………………. 26
3.3 Phương pháp nghiên cứu ……………………………………………………. 27
3.3.1 Nội dung 1: Đánh giá vật liệu bố mẹ sử dụng trong nghiên cứu chọn tạo
giống lúa phẩm chất cao có hàm lượng amylose thấp ………………………….. 27
3.3.1.1 Đánh giá hàm lượng amylose ………………………………………………… 27
3.3.1.2 Đánh giá các đặc tính nông học, các thành phần năng suất và năng suất 27
3.3.1.3 Phân nhóm đa dạng di truyền kiểu hình ………………………...................

28

3.3.1.4 Đa dạng nguồn gen trên các giống lúa bố mẹ ……………………….......... 29
3.3.2 Nội dung 2: Đánh giá hiệu quả di truyền của các tổ hợp lai ……………… 31
3.3.2.1 Lai tạo lúa trong nhà lưới ……………………………………….................... 31
3.3.2.2 Đánh giá hiệu quả chọn lọc tính trạng mục tiêu dựa trên các quần thể
lai F2 ………………………………………………………………………………………. 33
3.3.3 Nội dung 3: Chọn tạo quần thể lai hồi giao có hàm lượng amylose thấp
thông qua MAS …………………………………………………………………. 33
3.3.4 Nội dung 4: Chọn lọc các quần thể hồi giao BCnF2 thông qua lập bản đồ
GGT ……………………………………………………………………………... 35
3.3.4.1 Kiểm tra kiểu gen của quần thể con lai trên 12 nhiễm sắc thể dựa trên
các chỉ thị phân tử đa hình giữa cây bố và mẹ ……………………………………… 35
3.3.4.2 Lập bản đồ GGT đánh giá sự di truyền của quần thể con lai, qua đó 35
chọn lọc các cá thể mang gen mục tiêu mong muốn ………..................................
3.3.5 Nội dung 5: Đánh giá và chọn lọc cá thể có hàm lượng amylose và năng 36
suất cao trên các quần thể lai hồi giao BCnF3 ……………………………………
3.3.5.1 Phương pháp bố trí thí nghiệm ………………………………………………. 36

3.3.5.2 Đánh giá kiểu hình và kiểu gen liên quan hàm lượng amylose trên quần
thể con lai ………………………………………………………………………………… 37
3.3.5.3 Đánh giá các thành phần năng suất và năng suất để chọn lọc các dòng
con lai ưu tú vừa có hàm lượng amylose thấp vừa có năng suất cao…………….. 40
3.3.6. Phương pháp xử lý số liệu ........................................................................... 40

ix


Chương 4. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN………………………………..........

41

4.1. Đánh giá vật liệu bố mẹ sử dụng trong nghiên cứu chọn tạo giống lúa phẩm
chất cao có hàm lượng amylose thấp ……………………………….................... 41
4.1.1 Đánh giá hàm lượng amylose trên bộ giống vật liệu lai ……………………. 41
4.1.2 Đánh giá đặc tính nông học trên bộ giống lúa vật liệu lai …………............ 42
4.1.3 Đánh giá các thành phần năng suất và năng suất trên bộ giống lúa vật
liệu lai …………………………………………………………………………................ 43
4.1.4 Phân nhóm đa dạng di truyền kiểu hình của bộ giống lúa vật liệu
lai……………………………………………………………………………………………….. 44
4.1.5 Đa dạng nguồn gen trên các giống lúa bố mẹ ………………………............. 48
4.2 Đánh giá hiệu quả di truyền của các tổ hợp lai ………………………..........

51

4.2.1Tạo các quần thể F1 ……………………………………………………………….

51

4.2.2 Đánh giá hiệu quả chọn lọc tính trạng mục tiêu dựa trên các quần thể lai
F2 ………………………………………………………………………........................... 51
4.3 Chọn tạo quần thể lai hồi giao có hàm lượng amylose thấp thông qua
MAS…………………………………………………………………................... 56
4.3.1 Kết quả lai tạo quần thể hồi giao OM6976/Jasmine85//OM6976 …………. 56
4.3.2 Kết quả lai tạo quần thể hồi giao OM6976/KDML//OM6976 ….................

64

4.3.3 Kết quả lai tạo quần thể hồi giao OM5930/OM7347//OM5930 …………… 67
4.4 Chọn lọc các quần thể hồi giao BC4F2 thông qua lập bản đồ GGT………….

69

4.4.1 Chọn lọc các cá thể BC4F2 của quần thể lai hồi giao OM6976/ Jasmine85//
OM6976 ………………………………………………………………………… 69
4.4.2 Chọn lọc các cá thể BC4F2 của quần thể lai hồi giao OM6976/
KDML105// OM6976 …………………………………………………………... 71
4.4.3 Chọn lọc các cá thể BC4F2 của quần thể lai hồi giao OM5930/ OM7347//
OM5930 ………………………………………………………............................ 72
4.5 Đánh giá và chọn lọc cá thể có hàm lượng amylose thấp và năng suất cao
trên các quần thể lai hồi giao BC4F3 ……………………………………………. 75
4.5.1 Đánh giá và chọn lọc cá thể có hàm lượng amylose thấp và năng suất cao
trên các
quần thể
lai
hồi giao BC4F3 của tổ
hợp 75
OM6976/Jasmine85//OM6976…………………………………………………..
x

4.5.2 Đánh giá và chọn lọc cá thể có hàm lượng amylose và năng suất cao trên
các
quần
thể
lai
hồi
giao
BC4F3
của
tổ
hợp
OM6976/KDML105//OM6976………………………………………………….

79

4.5.3 Đánh giá và chọn lọc cá thể có hàm lượng amylose và năng suất cao trên
các
quần
thể
lai
hồi
giao
BC4F3
của
tổ
hợp
OM5930/OM7347//OM5930……………………………………………………

84

4.6 Thảo luận…………………………………………………………………….

88

Chuơng 5: KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ ………………………………………………

93

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................

96

PHỤ LỤC……………………………………………………………………………… 109

xi


DANH SÁCH BẢNG
Trang
Bảng 2.1: Sự hiểu biết về Haplotype trong gạo dựa trên các đột biến gen Waxy……...

13

Bảng 2.2 Sự tương quan giữa số thế hệ BCnF1 với tỷ lệ kiểu gen của dòng triển
vọng (nhận gen mong muốn) được đưa vào con lai BCnF1…………………………….

21

Bảng 3.1: Các chỉ thị phân tử liên kết các gen liên quan đến năng suất và thành

26

phần năng suất trên các giống lúa bố mẹ
Bảng 3.2 Thành phần dung dịch đệm ly trích ADN và TE buffer (pH = 8) …………...

30

Bảng 3.3 Các thành phần của gel polyacrylamide và agarose được sử dụng……..........

31

Bảng 3.4 Thang điểm đánh giá nhiệt trở hồ theo tiêu chuẩn của IRRI ...........................

38

Bảng 3.5 Phân loại độ bền thể gel theo tiêu chuẩn SES (IRRI, 1996) …………………

39

Bảng 4.1 Kết quả đánh giá đa hình các chỉ thị phân tử liên kết các gen liên quan
đến năng suất và thành phần năng suất trên các giống lúa bố mẹ……………………..

50

Bảng 4.2 Số lượng các cá thể F1 của các quần thể lai được tạo ra……………………..

51

Bảng 4.3 Các thông số di truyền và hiệu quả chọn lọc của các tổ hợp lai …………….

55

Bảng 4.4 Số lượng cá thể chọn lọc qua các thế hệ F1 đến BC4F1 ....................................

57

Bảng 4.5 Số lượng cá thể chọn lọc qua các thế hệ F1 đến BC4F1 ………………………

66

Bảng 4.6 Số lượng cá thể chọn lọc qua các thế hệ F1 đến BC4F1 ………………....

68

Bảng 4.7 Phẩ m chấ t các dòng BC4F3 của quầ n thể OM6976/Jasmine85//OM6976
trong vu ̣Đông Xuân 2016-2017 ………………………………………………….........

76

Bảng 4.8 Năng suất và một số yếu tố cấu thành năng suất của các dòng BC4F3
trong vụ Đông Xuân 2016-2017 ……………………………………………………….
Bảng 4.9 Phẩ m chấ t các dòng BC4F3 của quầ n thể OM6976/KDML105//OM6976
trong vu ̣Đông Xuân 2016-2017 ………………………………………………….........

78

80

Bảng 4.10 Năng suất và một số yếu tố cấu thành năng suất của các dòng BC4F3
trong vụ Đông Xuân 2016-2017 ……………………………………………………….
Bảng 4.11 Phẩ m chấ t các dòng BC4F3 của quầ n thể OM5930/OM7347//OM5930
trong vu ̣Đông Xuân 2016-2017………………………………………………………..

83

85

Bảng 4.12 Năng suất và một số yếu tố cấu thành năng suất của các dòng BC4F3
trong vụ Đông Xuân 2016-2017 ……………………………………………………….
xii

87


Luận án đủ ở file: Luận án full