Xác định các gen alen đặc thù liên quan đến sự phát triển bộ rễ của các giống lúa Việt Nam (Luận án tiến sĩ)

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

PHÙNG THỊ PHƯƠNG NHUNG

XÁC ĐỊNH CÁC GEN - ALEN ĐẶC THÙ LIÊN QUAN
ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN BỘ RỄ CỦA
CÁC GIỐNG LÚA VIỆT NAM

LU N ỄN TI N Sƾ

NHÀ XU T B N H C VI N NỌNG NGHI P - 2019


H C VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM

PHÙNG TH PH

NG NHUNG

XÁC ĐỊNH CÁC GEN - ALEN ĐẶC THÙ
LIÊN QUAN ĐẾN SỰ PHÁT TRIỂN BỘ RỄ CỦA
CÁC GIỐNG LÚA VIỆT NAM

Chuyên ngành:
Mã số:

Di truyền và Chọn giống cây trồng
9 62 01 11

Người hướng dẫn khoa học: GS.TS. Đỗ Năng Vịnh

GS.TS. Pascal Gantet

NHÀ XU T B N H C VI N NỌNG NGHI P - 2019


L I CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan đơy lƠ công trình nghiên c u c a tôi, các kết qu nghiên
c u đ ợc trình bƠy trong luận án lƠ trung thực, khách quan vƠ ch a từng đ ợc sử
dụng để b o v b t kỳ h c v nƠo.
Tôi xin cam đoan rằng m i sự giúp đỡ cho vi c thực hi n luận án đƣ đ ợc
cám n, các thông tin trích dẫn trong luận án nƠy đều đ ợc ghi rõ nguồn gốc.
Hà Nội, ngày... tháng ... năm 2019
Tác gi lu n án

Phùng Th Ph

i

ng Nhung


L IC M

N

Tác gi luận án xin trơn tr ng c m n: H c Vi n Nông nghi p Vi t Nam,
Ban Qu n lý đƠo t o, Khoa Nông h c, Bộ môn Di truyền vƠ Ch n giống cơy
trồng, Phòng thí nghi m tr ng điểm Công ngh tế bƠo thực vật, Phòng thí nghi m
liên kết Vi t – Pháp (LMI – Rice) – Vi n Di truyền Nông nghi p, Trung tơm TƠi
nguyên di truyền thực vật (PRC- Vi t Nam), Trung tơm Hợp tác quốc tế nghiên

c u vƠ Phát triển nông nghi p bền vững (CIRAD - Pháp), đƣ t o điều ki n thuận
lợi cho tôi hoƠn thƠnh luận án nƠy.
Tôi xin c m n Ch

ng trình h c bổng GRiSP – IRRI, Trung tơm Hợp tác

quốc tế nghiên c u vƠ Phát triển nông nghi p bền vững (CIRAD - Pháp),Vi n
Nghiên c u vì sự Phát triển (IRD – Pháp), đề tƠi "Nghiên c u ch c năng gen quy
đ nh phát triển bộ r lúa, phục vụ ch n t o giống lúa ch u h n bằng công ngh
gen” thuộc "Ch ng trình tr ng điểm phát triển vƠ ng dụng công ngh sinh h c
trong lĩnh vực Nông nghi p vƠ PTNT đến năm 2020” - Bộ Nông nghi p vƠ Phát
triển nông thôn Vi t Nam, đƣ tƠi trợ kinh phí cho các phần nghiên c u c a tôi.
Đặc bi t tôi xin bƠy tỏ lòng biết n sơu sắc tới GS.TS. Đỗ Năng V nh,
GS.TS. Pascal Gantet, TS. Brigitte Courtois đƣ trực tiếp h ớng dẫn vƠ giúp đỡ
tận tình trong quá trình h c tập, nghiên c u để tôi hoƠn thƠnh luận án nƠy.
Tôi xin chơn thƠnh c m n: Các thầy cô, đồng nghi p đƣ quan tơm, giúp
đỡ, động viên vƠ đóng góp nhiều ý kiến cho vi c hoƠn thƠnh luận án nƠy; Các
cộng tác viên, kỹ thuật viên, t i Phòng thí nghi m tr ng điểm Công ngh tế bƠo
thực vật, Phòng thí nghi m liên kết Vi t- Pháp, Vi n Di truyền Nông nghi p; Bộ
môn Qu n lý Ngơn hƠng gen- Trung tơm TƠi nguyên di truyền thực vật; Phòng
Nghiên c u Di truyền – CIRAD – Pháp, đƣ giúp đỡ tôi trong quá trình lƠm thí
nghi m vƠ hoƠn thƠnh luận án nƠy; Các thƠnh viên trong gia đình, b n bè đƣ t o
điều ki n vƠ động viên tôi trong suốt quá trình thực hi n luận án nƠy.
Xin trơn tr ng c m n!
Hà Nội, ngày

tháng

năm 2019

Tác gi lu n án

Phùng Th Ph
ii

ng Nhung


M CL C
L i cam đoan .................................................................................................................... i
L i c m n ....................................................................................................................... ii
Mục lục ........................................................................................................................... iii
Danh mục chữ viết tắt ..................................................................................................... vi
Danh mục b ng ............................................................................................................... ix
Danh mục hình ..................................................................................................................x
Trích yếu luận án ........................................................................................................... xii
Thesis abstract............................................................................................................... xiv
Ph n 1. M đ u ...............................................................................................................1
1.1.

Tính c p thiết c a đề tƠi ........................................................................................1

1.2.

Mục tiêu nghiên c u c a đề tƠi .............................................................................3

1.3.

Ph m vi nghiên c u ..............................................................................................3

1.4.

Những đóng góp mới c a đề tƠi ............................................................................4

1.5.

Ý nghĩa khoa h c vƠ thực ti n c a đề tƠi ..............................................................5

Ph n 2. T ng quan tƠi li u .............................................................................................6
2.1.

Vai trò vƠ đặc điểm bộ r

2.1.1. Vai trò c a bộ r

lúa .............................................................................6

cơy lúa ....................................................................................6

2.1.2. Đặc điểm c u trúc c a bộ r lúa ............................................................................7
2.1.3. Đặc điểm phát triển c a bộ r lúa .......................................................................10
2.2.

QTLs vƠ Gen liên quan đến sự phát triển bộ r lúa ............................................12

2.2.1. Các QTLs liên quan đến sự phát triển bộ r lúa .................................................12
2.2.2. Các gen liên quan đến sự hình thƠnh vƠ phát triển bộ r lúa ..............................16
2.3.

Nguyên lý vƠ ng dụng c a GBS .......................................................................24

2.3.1. Ph

ng pháp gi i trình tự NGS – nền t ng c a GBS .........................................24

2.3.2. Nguyên lý c a ph

ng pháp GBS ......................................................................28

2.3.3. Các ng dụng c a GBS trong ch n giống cơy trồng ..........................................33
2.4.

Nguyên lý vƠ ng dụng c a GWAS ...................................................................35

2.4.1. Nguyên lý ............................................................................................................35
2.4.2. GWAS lƠ một công cụ mới hữu hi u..................................................................36
2.4.3. Các b ớc xơy dựng một nghiên c u GWAS ......................................................38
2.4.4. Ý nghĩa vƠ tiềm năng c a GWAS trong ch n t o giống lúa...............................42

iii


2.5.

Nguồn gen lúa vƠ tình hình nghiên c u r lúa

Vi t Nam ................................44

2.5.1. Nguồn gen lúa Vi t Nam ....................................................................................44
2.5.2. Tình hình nghiên c u đặc điểm bộ r lúa

Ph n 3. V t li u vƠ ph

Vi t Nam........................................45

ng pháp nghiên c u ............................................................48

3.1.

Đ a điểm nghiên c u ...........................................................................................48

3.2.

Th i gian nghiên c u ..........................................................................................48

3.3.

Vật li u nghiên c u .............................................................................................49

3.4.

Nội dung nghiên c u ...........................................................................................49

3.5.

Ph

ng pháp nghiên c u ....................................................................................51

3.5.1. Chiết tách ADN tổng số ......................................................................................51
3.5.2. Phơn tích đa d ng di truyền bằng ch th DArT ..................................................51

3.5.3. Phơn tích kiểu gen thông qua gi i trình tự (GBS) ...............................................54
3.5.4. Phơn tích c u trúc di truyền c a tập đoƠn mẫu giống nghiên c u ......................54
3.5.5. Xác đ nh m c độ phơn rƣ c a LD (Linkage Disequilibrium) .............................55
3.5.6. Đánh giá đặc điểm nông sinh h c .......................................................................56
3.5.7. Ph

ng pháp đánh giá kiểu hình bộ r ...............................................................57

3.5.8. Lập b n đồ liên kết (GWAS) ..............................................................................60
3.5.9. Ph

ng pháp xác đ nh các gen ng viên ............................................................61

Ph n 4. K t qu vƠ th o lu n .......................................................................................62
4.1.

Đặc điểm c a bộ s u tập giống lúa .....................................................................62

4.1.1. Đặc điểm thu đ ợc qua thông tin hồ s mẫu giống ............................................62
4.1.2. Đặc điểm nông sinh h c c b n ..........................................................................63
4.2.

Kết qu phơn tích đa d ng di truyền với ch th DArT .......................................68

4.2.1. Kết qu phơn tích đa hình vƠ c u trúc di truyền ......................................................68
4.2.2. Xơy dựng cơy phơn lo i cho các giống lúa nghiên c u ......................................69
4.3.

Kết qu phơn tích kiểu gen thông qua gi i trình tự (GBS –Genotyping by
sequencing) .........................................................................................................72

4.3.1. Kết qu phơn tích đa hình vƠ c u trúc di truyền với SNPs marker .....................72
4.3.2. Đặc điểm c a các mẫu giống lúa trong các phơn nhóm khác nhau ....................75
4.3.3. Kết qu phơn tích Linkage Disequilibrium (LD) ................................................82
4.4.

Kết qu đánh giá kiểu hình các tính tr ng liên quan đến sự phát triển bộ r
các mẫu giống nghiên c u ...............................................................................86

iv


4.4.1. Kết qu phơn tích ph

ng sai vƠ các thống kê c b n ........................................86

4.4.2. Kết qu phơn tích thƠnh phần chính....................................................................98
4.5.

Kết qu phơn tích liên kết toƠn h Gen (GWAS) .............................................101

4.5.1. Các QTLs liên kết với tính tr ng liên quan đến sự phát triển bộ r ..................101
4.5.2. Các gen ng viên liên quan đến đặc điểm phát triển bộ r ...............................114
4.5.3. Điểm đặc bi t c a vùng QTLs liên kết với NCR trên NST số 11 ....................120
Ph n 5. K t lu n vƠ ki n ngh ....................................................................................131
5.1.

Kết luận .............................................................................................................131

5.2.

Kiến ngh ...........................................................................................................132

Danh sách các công trình liên quan đến luận án ...........................................................133
TƠi li u tham kh o ........................................................................................................134
Phụ lục ..........................................................................................................................158

v


DANH M C CH

VI T T T

Ch vi t t t
ADN

Ch vi t đ y đ
Deoxyribonucleic acid

Ti ng Vi t
Axit deoxyribonucleic

AFLP

Amplified Fragment Length

Đa hình độ dƠi các đo n nhơn

Polymorphism

b n ch n l c

ANOVA

Analysis of Variance

Phơn tích ph

bp

Base pair

1bp = 1cặp nucleotide

CH

Central Highlands

Vùng Tơy Nguyên

Chr

Chromosome

Nhi m sắc thể

cM

Centimorgan

Xen-ti-mooc-gan

CRL1

Crown Root Less 1

Đột biến gơy m t r b t đ nh

ng sai

lúa
Discriminant Analysis of Principal

Phơn tích phơn bi t thƠnh phần

Components

chính

DArT

Driversity Array Technology

Công ngh đa d ng m ng

DEPTH

Deepest point reached by root

Độ ăn sơu c a r

DRP

Deep Root Propotion

Phần trăm khối l ợng khô c a

DAPC

phần r ăn sơu
DRW

Deep Root Weight

Khối l ợng khô phần r ăn sơu

DW0020

Dry Weight of root part in the 00-

Khối l ợng khô c a phần r từ

20 cm

0 đến 20 cm

Dry Weight of root part in the 20-

Khối l ợng khô c a phần r từ

40 cm

20 đến 40 cm

Dry Weight of root part in the 40-

Khối l ợng khô c a phần r từ

60 cm

40 đến 60 cm

Dry Weight of root part Below 60

Khối l ợng khô c a phần r dƠi

cm

h n 60 cm

DW2040

DW4060

DWB60

FYPP

Phytochrome associated

serine/threonine proteinphosphates

GA20oX

Gibberelic acid 20 oxidase

GBS

Genotyping By Sequencing

vi

Phơn tích kiểu gen thông qua


gi i trình tự
GLM

General Linear Model

Mô hình hồi quy tuyến tính

GWAS

Genome-wide Association Studies

Nghiên c u lập b n đồ liên kết
toƠn h gen

IAA

Auxin/ indole -3- acetic acid

Auxin

IR

Irrigated

Canh tác ch động t ới tiêu

kb

Kilo base pair

1kb =1000 bp

LBD

Lateral organ boundary domain

LD

Linkage Disequilibrium

Sự m t cơn bằng liên kết

LLGTH

Longest Leaf Length

Chiều dƠi thơn

MAF

Minor Allele Frequence

Alen có tần số nhỏ h n

Mb

Megabase pair

1Mb = 1000 kb

MIF

Mini Zinc Finger

MLM

Mix Linear Model

Mô hình hồi quy tuyến tính hỗn
hợp
Đồng bằng sông Cửu Long

MRD

Mekong River Delta

MRH

Morphogenesis of Root Hair

MRL

Maximum of Root Length

Chiều dƠi r tối đa

NCC

North Central Coast

Duyên h i Bắc Trung Bộ

NCR

Number of Crown Root

Số l ợng r b t đ nh

NE

Northeast

Vùng Đông Bắc Bộ

NGS

Next Generation Sequencing

Công ngh gi i trình tự thế h
tiếp theo

NILs

Near Isogenic Lines

Dòng đẳng gen

NR_T

Number of crown roor per Tiller

Số r b t đ nh trung bình/nhánh

NW

Northwest

Vùng Tơy Bắc Bộ

PCA

Principal Component Analysis

Phơn tích thƠnh phần chính

PCR

Polymerase Chain Reaction

Kỹ thuật nhơn b n ADN

PDW

Plant Dry Weight

Khối l ợng khô c a cơy

PHP

Hypertext Preprocesser

PIC

Polymorphism Information
Content

vii

HƠm l ợng thông tin đa hình


PIN

Pin- formed

PIP

Plasma membrane Intrinsic Protein

PLAT

Polycystin-1, Lipoxygenase,
Alpha-toxin and Triacylglycerol

QHB

Quiescent Center homobox

QTLs

Quantitative Trait Loci

Locus tính tr ng số l ợng

R_S

Root – Shoot ratio

Tỷ l khối l ợng khô giữa phần
r vƠ phần thơn cơy

Radnom Amplified Polymophism

Đa hình các đo n ADN đ ợc

DNA

nhơn b n ngẫu nhiên

RDW

Root Dry Weight

Khối l ợng khô c a phần r

RFLP

Restriction Fragment Length

Đa hình độ dƠi các đo n cắt giới

Polymorphism

h n

RAPD

RID

Root Initiation Defective

RILs

Recombinant Inbred Lines

Dòng tái tổ hợp

RL

Rainfed Lowland

Canh tác n ớc tr i

RR

Response Regulator

Yếu tố điểu ch nh ph n ng

RRD

Red River Delta

Đồng bằng chơu thổ sông Hồng

SCC

South Central Coast

Duyên h i Nam Trung Bộ

SCR

Scarecrow

SDW

Shoot Dry Weight

Khối l ợng khô phần thơn cơy

SE

Southeast

Vùng Đông Nam Bộ

SHR

Short Root

SNP

Single Nucleotide Polymorphism

SNX

Sorting nexin

SRP

Shallow Root Propotion

vùng th p

Đa hình nucleotide đ n
Phần trăm khối l ợng khô c a
phần r ăn nông

SSR

Simple Sequence Repeats

Đa hình các đo n lặp đ n gi n

THK

Root Thickness

Độ dƠy c a r

TIL

Number of Tiller

Số nhánh

UP

Upland

Canh tác n

WOX

WUCHEL-related

viii

ng rẫy


DANH M C B NG
Tên b ng

TT

Trang

3.1.

Các giống lúa đ ợc dùng để xơy dựng th vi n DArT markers .........................53

4.1.

Phơn nhóm mẫu giống theo th i gian sinh tr

4.2.

Phơn nhóm mẫu giống theo số nhánh hữu hi u ..................................................65

4.3.

Đặc điểm hình d ng h t c a các mẫu giống lúa Vi t Nam trong bộ s u tập

ng ..............................................64

giống nghiên c u ................................................................................................67
4.4.

Ch số FST giữa các nhóm phụ vƠ m c ý nghĩa P-value ......................................75

4.5.

Đặc điểm c a các phơn nhóm trong hai nhóm giống thuộc loƠi phụ indica
vƠ japonica ..........................................................................................................81

4.6.

Sự phơn rƣ c a LD trên 12 nhi m sắc thể trong nhóm giống indica vƠ
japonica ..............................................................................................................83

4.7.

Kết qu phơn tích ANOVA vƠ h số di truyền theo nghĩa rộng c a các tính
tr ng nghiên c u .................................................................................................87

4.8.

Các giá tr thống kê c b n c a các tính tr ng liên quan đến đặc điểm phát
triển bộ r

4.9.

các mẫu giống nghiên c u ..............................................................88

Giá tr thống kê c b n c a các tính tr ng nghiên c u theo 2 nhóm giống
indica (ind) vƠ japonica (jap) .............................................................................91

4.10. So sánh giá tr trung bình c a các tính tr ng giữa các phơn nhóm thuộc
nhóm giống indica vƠ japonica ..........................................................................94
4.11. H số t

ng quan giữa các tính tr ng theo dõi

c tập đoƠn vƠ riêng cho

từng nhóm giống indica vƠ japonica ..................................................................95
4.12. Danh sách các QTLs đƣ xác đ nh đ ợc với P-value < 1E-04

c tập đoƠn

vƠ hai nhóm giống indica vƠ japonica ..............................................................103
4.13. Các QTLs liên kết với nhiều h n một tính tr ng nghiên c u

c tập đoƠn

vƠ hai nhóm mẫu giống thuộc loƠi phụ indica vƠ japonica ..............................112
4.14. Danh sách các gen ng viên đƣ đ ợc khẳng đ nh về vai trò vƠ ch c năng
đối với sự phát triển bộ r .................................................................................116
4.15. Các giống lúa có kiểu hình t

ng ph n vƠ haplotype khác bi t t i vùng

QTLs liên kết chặt với tính tr ng NCR trên NST số 11 ...................................123

4.16. Danh sách các gen nằm trong vùng QTLs liên kết chặt với tính tr ng NCR
trên NST số 11 ..................................................................................................127

ix


DANH M C HỊNH
Tên hình

TT

Trang

2.1.

ThƠnh phần r c u trúc nên bộ r lúa ....................................................................8

2.2.

C u trúc xuyên tơm c a r lúa ..............................................................................9

2.3.

Tổ ch c mô theo chiều d c vƠ mô hình phơn chia tế bƠo

2.4.

Số l ợng QTLs liên kết với đặc điểm bộ r

r lúa ......................10

lúa trên các vùng nhi m

sắc thể .................................................................................................................14
2.5.

Các b ớc gi i trình tự theo ph

ng pháp Sanger (a) vƠ NGS (b) ......................27

2.6.

Các b ớc chính trong quá trình thực hi n GBS ..................................................29

2.7.

So sánh ph

3.1.

S đồ tổng quát quá trình thực hi n các nội dung nghiên c u............................50

3.2.

S đồ các b ớc thực hi n phơn tích đa d ng di truyền với DArT ......................52

3.3.

Các ch tiêu vƠ v trí thu thập số li u các tính tr ng liên quan đến sự phát

ng pháp xác đ nh QTLs truyền thống vƠ GWAS ..........................35

triển bộ r c a các giống nghiên c u ..................................................................59
4.1.

Đặc điểm phơn bố c a 214 mẫu giống lúa Vi t Nam sử dụng lƠm vật li u
nghiên c u...........................................................................................................63

4.2.

Biểu đồ tần số phơn bố mẫu giống lúa theo chiều cao cơy .................................66

4.3.

Tỷ l vƠ số l ợng các mẫu giống chia theo tính ch t nội nhũ ............................67

4.4.

ThƠnh phần genome c a các mẫu giống nghiên c u ..........................................69

4.5.

Cơy phơn lo i di truyền c a 270 mẫu giống với 241 DArT marker ...................70

4.6.

Phơn bố c a GBS marker trên 12 nhi m sắc thể vƠ ch số đa hình (PIC)
c a chúng trong ma trận haplotype chuẩn b cho GWAS...................................73

4.7.

Các phơn nhóm trong nhóm mẫu giống thuộc loƠi phụ indica ...........................77

4.8.

Các phơn nhóm trong nhóm mẫu giống thuộc loƠi phụ japonica .......................80

4.9.

Sự phơn rƣ LD theo kho ng cách vật lý giữa các cặp marker trên 12 NST
nhóm giống indica ..............................................................................................84

4.10. Sự phơn rƣ LD theo kho ng cách vật lý giữa các cặp marker trên 12 NST
nhóm giống japonica ..........................................................................................85
4.11. Hình nh biểu di n mối t

ng quan giữa thơn vƠ r c a các mẫu giống

trong tập đoƠn sử dụng phần mềm RASTA ........................................................89
4.12. Tần số phơn bố c a một số tính tr ng nghiên c u trong hai nhóm loƠi phụ
indica vƠ japonica ...............................................................................................93

x


4.13. Vòng tròn t

ng quan xơy dựng bằng phơn tích thƠnh phần chính (PCA)

cho các tính tr ng nghiên c u .............................................................................99

4.14. Phơn bố c a các giống lúa trong tập đoƠn nghiên c u trên mặt phẳng PCA
dựa trên dữ li u kiểu hình c a các tính tr ng nghiên c u .................................100
4.15. Hình biểu di n QQ-Plot cho c tập đoƠn vƠ hai nhóm giống thuộc loƠi phụ
indica vƠ japonica .............................................................................................102
4.16. Manhattan Plot c a tính tr ng số l ợng r (NCR)

c tập đoƠn vƠ hai

nhóm mẫu giống thuộc loƠi phụ indica vƠ japonica .........................................108
4.17. Manhattan Plot c a tính tr ng độ dƠy r (THK)

c tập đoƠn vƠ hai nhóm

mẫu giống thuộc loƠi phụ indica vƠ japonica ...................................................109
4.18. Tỷ l các d ng alen

các v trí đánh d u xung quanh q45 ...............................122

xi


TRệCH Y U LU N ỄN
Tên Tác gi : Phùng Th Ph ng Nhung
Tên Lu n án: “Xác đ nh các gen-alen đặc thù liên quan đến sự phát triển bộ r c a các
giống lúa Vi t Nam”
Chuyên ngƠnh: Di truyền vƠ Ch n giống cơy trồng
Mƣ s : 9 62 01 11
Tên c s đƠo t o: H c vi n Nông nghi p Vi t Nam
M c đích vƠ đ i t ng nghiên c u c a lu n án
Mục đích nghiên cứu

- Lựa ch n các mẫu giống phù hợp để phát triển bộ dữ li u kiểu gen vƠ dữ li u
kiểu hình phục vụ cho các nghiên c u GWAS thông qua hh o sát sự đa d ng về đặc
điểm nông sinh h c c b n vƠ di truyền c a một tập đoƠn các mẫu giống lúa Vi t Nam,.
- Xơy dựng bộ dữ li u kiểu gen (haplotype) vƠ kiểu hình c a các tính tr ng chính
liên quan đến sự phát triển bộ r c a các mẫu giống đ ợc ch n, lƠm c s cho nghiên
c u GWAS.
- Sử dụng ph ng pháp GWAS để lập b n đồ liên kết toƠn h gen, từ đó xác đ nh
các QTLs vƠ các gen ng viên liên quan đến sự phát triển bộ r c a một tập đoƠn giống
lúa Vi t Nam.
Đối t ợng nghiên cứu
Đề tƠi đƣ khai thác sự đa d ng di truyền c a lúa Vi t Nam từ đó xác đ nh các
QTLs/ gen ng viên liên quan đến sự phát triển bộ r bằng ph ng pháp lập b n đồ liên
kết toƠn h gen (GWAS – Genome wide Association Studies).
Ph ng pháp nghiên c u
- Các nội dung c a đề tƠi đƣ sử dụng nhiều ph ng pháp nghiên c u mới trong
phơn tích đa d ng di truyền vƠ phơn tích h gen nh : ph ng pháp phơn tích đa d ng với
ch th DArT, ph ng pháp phơn tích kiểu gen thông qua gi i trình tự (GBS), ph ng
pháp lập b n đồ liên kết toƠn h gen (GWAS). Các thí nghi m đánh giá đặc điểm nông
sinh h c c b n sử dụng ph ng pháp chuẩn c a IRRI (2002). Thí nghi m đánh giá
kiểu hình bộ r sử dụng ph ng pháp ống r c i tiến, cơy lúa 6 tuần tuổi.
- Các phần mềm đ ợc sử dụng trong nghiên c u gồm: DArTsoft 7.4, DArWin 5,
STRUCTURE; BEAGLE; TASSEL; R; RASTA; vƠ các phần mền hỗ trợ phơn tích
thống kê SAS 9.2; R; XLstat, Excel.
K t qu chính vƠ k t lu n
Ý nghĩa khoa học và thực tiễn
- Đề tƠi đƣ khám phá ra các QTLs/ gen ng viên liên kết với các tính tr ng chính
đóng vai trò quan tr ng trong sự phát triển bộ r
một tập đoƠn nguồn gen lúa Vi t
Nam. Kết qu nƠy lƠ c s thúc đẩy các nghiên c u tiếp theo nhằm lƠm rõ m ng l ới

xii


các gen liên quan đến quá trình điều khiển sự phát sinh, phát triển bộ r
lúa. H n nữa,
sự thƠnh công c a nghiên c u nƠy cho th y kh năng kết hợp hi u qu các kỹ thuật phơn
tích h gen hi n đ i trong phơn tích h gen cơy trồng, góp phần thúc đẩy sự hiểu biết các
yếu tố di truyền liên quan đến các tính tr ng quan tơm, đặc bi t có ý nghĩa cho c i tiến
giống cơy trồng, nh t lƠ trong bối c nh nh h ng sơu sắc vƠ ph c t p c a BĐKH.
- Các kết qu trung gian c a đề tƠi nh : thông tin về đặc điểm nông sinh h c c
b n, đặc điểm đa d ng di truyền vƠ c u trúc quần thể, đặc điểm phát triển bộ r r t đa
d ng c a các mẫu giống nghiên c u, lƠ các c s dữ li u có tính tham kh o cao trong
các ch ng trình ch n t o giống lúa Vi t Nam, đặc bi t lƠ các ch ng trình ch n t o
c i tiến bộ r lúa. Mặt khác bộ dữ li u đa hình kiểu gen với 25971 SNPs phơn bố trong
toƠn h gen đƣ đ ợc công bố có thể đ ợc tiếp tục sử dụng để phát triển các nghiên c u
GWAS liên quan đến các tính tr ng nông sinh h c quan tr ng khác.
Kết luận
1) Đề tƠi đƣ đánh giá đ ợc sự đa d ng về đặc điểm hình thái vƠ đặc điểm nông
sinh h c c b n c a 270 mẫu giống lúa, trong đó có 214 mẫu giống lúa Vi t Nam. Đồng
th i đánh giá đ ợc sự đa d ng di truyền c a các mẫu giống lúa trên thông qua sử dụng
241 ch th DArT. Từ kết qu đó xơy dựng đ ợc cơy phơn lo i di truyền có c u trúc
l ỡng cực, phơn các mẫu giống nghiên c u thƠnh các nhóm loƠi phụ khác nhau.
2) Kết qu về phơn tích kiểu gen thông qua gi i trình tự (GBS) đƣ xơy dựng đ ợc
bộ dữ li u haplotype với 25971 ch th cho đa hình cao, hƠm l ợng thông tin đa hình
(PIC) trung bình đ t 32,0%. Sử dụng số l ợng lớn các ch th SNPs trong bộ dữ li u nƠy
để phơn tích c u trúc vƠ đa d ng di truyền c a nhóm giống indica, japonica Vi t Nam
cho th y 114 mẫu giống lúa indica Vi t Nam đ ợc phơn thƠnh 6 phơn nhóm từ I1 đến
I6, 62 mẫu giống japonica Vi t Nam đ ợc phơn thƠnh 4 phơn nhóm từ J1 đến J4 với
những đặc điểm đặc tr ng riêng.
3) Kết qu đánh giá kiểu hình bộ r đƣ xơy dựng đ ợc bộ dữ li u kiểu hình r gồm

18 tính tr ng c a 194 mẫu giống lúa. Các mẫu giống đa d ng về đặc điểm hình thái vƠ
c u trúc bộ r , đặc bi t lƠ các tính tr ng số l ợng r , độ dƠy r , khối l ợng khô c a r
các tầng đ t khác nhau, độ dƠi r . Đặc bi t đƣ xác đ nh đ ợc một số giống lúa có bộ r
dƠi vƠ dƠy thuộc phơn nhóm I3 có ý nghĩa trong ch n giống nh : Blề Blậu Chớ (G205),
Tẻ n ng (G153), Khẩu Năm Rinh (G189), Khẩu Pe L nh (G155).
4) Sử dụng ph ng pháp GWAS để lập b n đồ liên kết toƠn h gen, nghiên c u đƣ
cung c p một danh sách gồm 88 QTLs liên kết với 18 tính tr ng nghiên c u, trong đó có
28 QTLs đồng th i liên kết với nhiều h n một tính tr ng, 33 QTLs nằm trong vùng trình
tự c a gen ch c năng, 1 vùng QTLs liên kết chặt với tính tr ng số l ợng r (NCR) trên
NST số 11, vƠ 1 vùng QTLs liên kết chặt với độ dƠy r (THK) trên NST số 2. Căn c v
trí c a QTLs, xác đ nh đ ợc 889 gen ng viên, trong đó có 407 gen đƣ đ ợc xác đ nh vƠ
phơn nhóm ch c năng gi đ nh, 24 gen trong số nƠy đƣ có các công bố ch ng minh ch c
năng hóa sinh vƠ sinh h c liên quan đến sự phát triển bộ r .

xiii


THESIS ABSTRACT

PhD. Candidate: Phung Thi Phuong Nhung
Thesis title: Identification of new genes and alleles associated with root development in
a core collection of rice varieties in Vietnam
Major: Genetic and Plant breeding
Code: 9.62.01.11
Education organization: Vietnam National University of Agriculture (VNUA)
Research Objectives
The development of Genome-wide Association studies (GWAS) in crops has
made it possible to mine interesting alleles hidden in gene bank resources. However,
only a small fraction of the rice genetic diversity of any given country have been
exploited in the studies with worldwide sampling conducted to date. The thesis had

been researched to development of a panel of rice varieties from Vietnam for GWAS
purposes to identify some new QTLs and candidate genes associated with root
development.
Materials and Methods
The panel, initially composed of 270 accessions, was characterized for simple
agronomic traits (maturity class, grain shape and endosperm type) commonly used to
classify rice varieties. We first genotyped the panel using Diversity Array Technology
(DArT) markers (6144 clones). We analyzed the panel structure, identified two
subpanels corresponding to the indica and japonica sub-species and selected around 200
non-redundant accessions for Genotyping By Sequencing (GBS) (with 50000 marker).
A matrix adapted for GWAS was built by eliminating the markers with a minor allele
frequency below 5% and imputing the missing data. The panel of 200 rice varieties was
phenotyped under greenhouse conditions for several root traits in an experimental
design with 3 replicates. The results were submitted to association mapping using a
mixed model involving structure and kinship to enable the identification of significant
associations. The analyses were conducted successively on the whole panel (185
accession) and on its indica (115 accessions) and japonica (64 accessions) subpanel.
Main findings and Conclusions
Scientific and practical significance
The publicly available panel constitutes an imprortant resource giving access to
original allelic diversity. It will be use for GWAS on root, panicle traits, grain and yield
traits, or abiotic stress adaption.
Some of the major QTLs we detected through this Genome-wide Association
Study contain promising candidate genes encoding regulatory elements of known key

xiv


regulators of root formation and development.
In rice breeding, major QTLs and candidate SNPs, candidate genes associated

with such agronomy traits, identified though GWAS in this thesis research (after
confirmed by functional studies and validations), have been deployed to enhance
adaption and productivity of rice in future.
Conclusions
1) The rice varieties studied showed a strong diversity of basic agronomic traits
such as tree height, flowering time, branching and effective branching, growth time,
grain shape, endosperm characteristics. The 270 rice varieties exhibited genetic
diversity with bipolar structure, mainly indica (168 germplasms), and japonica (88
germplasms), the remaining are Aus/Boros and Sadri/Basmati.
2) Results of GBS analysis produced a set of genetic data consisting of a
polymorphic matrix of 25971 marker species with nearly 200 rice varieties in Vietnam,
the PIC of these markers is 32% in average. Results of population structure analysis
with SNP marker showed indica group was divided into 6 sub-populations (from I1 to
I6) and japonica was divided into 4 sub-populations (from J1 to J4). Each group has its
own unique characteristics of basic agronomic traits, ecological regions and source of
collection.
3) The phenotypic assessment results provided a set of phenotypic data of 18
traits directly or indirectly related to rice root development in 194 rice varieties. The
mean comparisons showed that subpopulations I3 and I6 in the indica subpanel and
subpopulations J1 and J3 in the japonica subpanel had the deepest and thickest roots
while subpopulations I1 and I4 as well as J2 and J4 registered the poorest performances
in this respect. The indica types from group I3 constitute interesting donors of deep and
thick root that may be used as parents in crosses in root breeding programes, example:
Ble Blau Cho (G205), Te Nuong (G153), Khau Nam Rinh (G189), Khau Pe Lanh
(G155).
4) Identified 88 QTLs at a high level for 18 traits. Identify two strong QTLs
related to root numbers (NCR) on chromosome 11 and related to root thickness (THK)
on chromosome 2. Based on the location of QTLs, in LD was calculated, 899 candidate
genes were identified in the high confidence region of 88 QTLs, 33 QTLs in genes with
predicted functions, 407 genes were identified function in hypothetical, 24 genes were

identified whose reported biological function in consistent with the associated
phenotype, the rice gene or its predicted Arabidopsis ortholog.

xv


PH N 1. M

Đ U

1.1. TệNH C P THI T C A Đ TĨI
Lúa (Oryza sativa L.) lƠ cơy l ng thực chính nuôi sống h n một nửa dơn
số thế giới. Tổng di n tích gieo trồng c a lúa trên toƠn thế giới trong 10 năm gần
đơy dao động trong kho ng 156 đến 161,7 tri u hecta (STATISTAT, 2018). Cơy
lúa đ ợc gieo trồng nhiều quốc gia trên thế giới với nhiều h sinh thái khác
nhau (t ới tiêu, n ớc tr i đồng bằng, ngập n ớc, n ng rẫy vùng cao). So với
các cơy trồng khác, cơy lúa có nhu cầu n ớc lớn h n. Sự thích nghi với các chế
độ th y văn khác nhau tr thƠnh một trong những đặc điểm c a giống tích lũy
qua quá trình thuần hóa vƠ ch n l c tự nhiên. NgƠy nay, tr ớc những di n biến
ph c t p khó kiểm soát c a Biến đổi khí hậu, các cơy trồng đặc bi t lƠ cơy lúa
đang đ ng tr ớc nguy c b tổn h i nghiêm tr ng về năng su t vƠ s n l ợng do
những nh h ng c a h n, mặn, vƠ ngập lụt kéo dƠi. Bộ r đóng vai trò quan
tr ng trong đ i sống cơy lúa, giúp cơy bám vƠo đ t, hút n ớc, dinh d ỡng vƠ
nhiều ho t động trao đổi ch t khác nh h ng trực tiếp đến kh năng sinh tr ng,
phát triển, năng su t, đặc bi t lƠ khi cơy gặp các điều ki n ngo i c nh b t lợi. Một
bộ r có kh năng ăn sơu, r dƠy vƠ kh năng phơn nhánh rộng có thể giúp cơy
lúa khai thác đ ợc n ớc từ những lớp đ t sơu h n trong điều hi n h n hán (Fukai
and Cooper, 1995; Gowda et al., 2011). Bộ r ho t động tốt h n trong điều ki n
ngập n ớc sẽ giúp tăng kh năng chống ch u vƠ duy trì năng su t lúa trong điều
ki n ngập lụt (Bailey-Serres and Voesenek, 2010). T o ra những giống lúa có

kiểu hình bộ r phù hợp với mỗi điều ki n gieo trồng lƠ mục tiêu c a các nhƠ
ch n t o giống lúa trong bối c nh di n biến ph c t p c a Biến đổi khí hậu toƠn
cầu nh ng r t khó thực hi n vì những h n chế trong quan sát trực tiếp bộ r . Hiểu
biết về các yếu tố di truyền có liên quan đến các đặc điểm phát triển vƠ thích nghi
c a bộ r lƠ c s để phát triển vƠ ng dụng ph

ng pháp ch n l c phơn tử trong

các nghiên c u ch n t o, c i tiến bộ r lúa.
Trong những năm gần đơy nghiên c u về r cơy trồng nói chung vƠ lúa nói
riêng ngƠy cƠng đ ợc quan tơm. Nhiều ph ng pháp khác nhau đƣ đ ợc sử dụng
để khám phá các yếu tố di truyền liên quan đến bộ r lúa, nh ph ng pháp gơy
đột biến (Guiderdoni and Gantet 2012; Lorieux et al., 2012; Wei et al., 2013),
ph ng pháp phơn tích s n phẩm phiên mƣ (transcriptomic) (Takehisa et al.,
2012), ph ng pháp xác đ nh QTLs sử dụng các quần thể lập b n đồ (Champoux
1


et al., 1995; Kamoshita et al., 2008; Khowaja et al., 2009). Nhiều gen liên quan
đến đặc điểm hình thái vƠ ch c năng sinh lý c a r đƣ đ ợc xác đ nh, m ra c
hội để c i tiến năng su t lúa (Coudert et al., 2010; Orman-Ligeza et al., 2013;
Mai et al., 2014; Wu and Cheng, 2014). HƠng trăm QTLs liên quan đến các tính
tr ng bộ r lúa đƣ đ ợc công bố trên các quần thể lập b n đồ khác nhau (Courtois
et al., 2009). Tuy nhiên, h n chế c b n c a các QTLs đ ợc thiết lập bằng các
quần thể lập b n đồ lƠ độ dƠi c a đo n NST mang QTLs/gen ng viên có kích
th ớc r t lớn (Courtois et al., 2009). Mặt khác, số l ợng alen đ ợc đánh giá trong
mỗi nghiên c u xác đ nh QTLs sử dụng quần thể lập b n đồ r t h n chế, th i
gian nghiên c u kéo dƠi (Buckler and Thornsberry, 2002).
Ph ng pháp GWAS (Genome-wide Association Studies) xu t hi n lần đầu
tiên trong một nghiên c u di truyền ng i (Hirschhorn and Daly, 2005) sau sự

ki n gi i trình tự h gen ng i thƠnh công. GWAS nhanh chóng đ ợc đ a vƠo
các nghiên c u thực vật, đặc bi t lƠ các cơy mô hình nh Arabidopsis (Atwell
et al., 2010). B n ch t c a GWAS lƠ thiết lập mối quan h thống kê liên kết giữa
sự dao động c a các tính tr ng đ nh l ợng ph c t p với các kiểu gen trong quần
thể (Nordborg and Weigel, 2008). Bằng vi c sử dụng số l ợng ch th lớn, mật độ
cao, bao ph toƠn h gen vƠ các quần thể tự nhiên có sự suy gi m liên kết m t
cơn bằng một cách nhanh chóng, GWAS đƣ m nh mẽ c i tiến độ phơn gi i t i
mỗi v trí QTLs xuống còn từ 1 đến vƠi chục kilo-base thay vì đ ợc tính bằng
mega-base trong các nghiên c u tr ớc đó (Buckler and Thornsberry, 2002; Zhu
et al., 2008). Những QTLs đầu tiên liên quan đến sự phát triển c a bộ r lúa đ ợc
xác đ nh bằng ph ng pháp GWAS đƣ đ ợc công bố trên các t p chí uy tín
(Clark et al., 2013; Courtois et al., 2013), cho th y tiềm năng ng dụng c a
ph ng pháp nƠy trong nghiên c u di truyền các tính tr ng liên quan đến sự phát
triển bộ r

lúa.

Sự tiến bộ vƠ ngƠy cƠng hoƠn thi n c a công ngh phơn tích genome thông
l ợng cao, sự phát triển các h thống ph ng pháp luận vƠ phần mềm phơn tích,
lƠ điều ki n thúc đẩy ngƠy cƠng nhiều các nhƠ khoa h c lựa ch n sử dụng GWAS
trong các nghiên c u c a mình (Zhu et al., 2008). Các bộ dữ li u kiểu gen đ i
di n cho sự đa d ng c a về đ a lý c a Oryza đƣ đ ợc xơy dựng (Tung et al.,
2010; Courtois et al., 2013) vƠ đ ợc sử dụng trong GWAS với các tính tr ng r
lúa (Famoso et al., 2011; Courtois et al., 2013). Mặc dù h đƣ sử dụng quần thể
có kích th ớc khá lớn (từ 200 đến 400 mẫu giống), nh ng vẫn ch khai thác đ ợc

2


một phần nhỏ sự đa d ng c a lúa trên thế giới.

Nền văn minh Vi t Nam gắn liền với cơy lúa n ớc. Các giống lúa đ a
ph ng Vi t Nam khá đa d ng (ĐoƠn Thanh Quỳnh vƠ cs., 2016). Tuy ch a ph n
ánh hết sự đa d ng c a lúa trên thế giới nh ng những nguồn gen đ a ph ng,
đáng chú ý lƠ từ những vùng có điều ki n đ a lý, sinh thái khác nhau có thể mang
các tính tr ng, các QTLs, các gen có ý nghĩa quyết đ nh trong các tính tr ng nông
h c quan tr ng cần đ ợc khám phá, khai thác (Myint et al., 2012; Radanielina et
al., 2013). Đơy lƠ nguồn tƠi nguyên quý giá để xác đ nh các yếu tố di truyền kiểm
soát sự phát triển bộ r vƠ kh năng chống ch u với các stress phi sinh h c cơy
lúa. Xác đ nh các QTLs/gen ng viên liên quan đến sự phát triển r
các giống
lúa Vi t Nam sẽ cung c p nền t ng quan tr ng để lƠm sáng tỏ c chế phơn tử về
sự phát triển bộ r vƠ t o điều ki n để c i tiến kh năng chống ch u với các điều
ki n ngo i c nh b t lợi lúa.
1.2. M C TIểU NGHIểN C U C A Đ TĨI
- Lựa ch n các mẫu giống phù hợp để phát triển bộ dữ li u kiểu gen vƠ dữ
li u kiểu hình phục vụ cho các nghiên c u GWAS thông qua hh o sát sự đa d ng
về đặc điểm nông sinh h c c b n vƠ di truyền c a một tập đoƠn các mẫu giống
lúa Vi t Nam.
- Xơy dựng bộ dữ li u kiểu gen (haplotype) c a tập đoƠn mẫu giống đ ợc
ch n, lƠm c s dữ li u để phát triển các nghiên c u GWAS với các tính tr ng
quan tơm.
- Xơy dựng bộ dữ li u kiểu hình c a một số tính tr ng chính liên quan đến
sự phát triển bộ r c a các mẫu giống lúa đ ợc ch n, lƠm c s cho nghiên c u
GWAS để xác đ nh các QTLs/gen ng viên liên quan đến sự phát triển bộ r c a
lúa Vi t Nam.
- Sử dụng ph ng pháp GWAS để lập b n đồ liên kết toƠn h gen, từ đó
xác đ nh các QTLs vƠ gen ng viên liên quan đến sự phát triển bộ r c a các
giống lúa Vi t Nam.
1.3. PH M VI NGHIểN C U
- Nghiên c u đ ợc thực hi n trên c s một tập đoƠn gồm 214 mẫu giống

lúa đ ợc thu thập từ nhiều vùng c a Vi t Nam, 33 mẫu giống lúa đối ch ng đ i
di n cho đa d ng c a Oryza sativa trên thế giới do CIRAD cung c p vƠ 23 mẫu
giống khác đ ợc cung c p b i Vi n Di truyền Nông nghi p. Các mẫu giống đƣ
3


đ ợc đánh giá về các đặc điểm nông sinh h c c b n vƠ đa d ng di truyền bằng
ch th DArT. Kết qu nƠy lƠ c s để lựa ch n các mẫu giống cho thiết lập dữ
li u kiểu gen vƠ kiểu hình để phục vụ phát triển các nghiên c u GWAS.
- Một tập đoƠn gồm 200 mẫu giống lúa đ ợc ch n đƣ đ ợc phơn tích kiểu
gen bằng 50000 ch th SNPs, sử dụng ph ng pháp phơn tích kiểu gen thông qua
gi i trình tự GBS, vƠ đ ợc đánh giá biểu hi n c a 18 tính tr ng chính liên quan
đến sự phát triển bộ r .
- Phơn tích GWAS đ ợc tiến hƠnh đồng th i trên 3 ma trận dữ li u cho t t
c tập đoƠn (185 mẫu giống x 21623 marker), nhóm giống indica (115 mẫu giống
x 13842 marker), nhóm giống japonica (64 mẫu giống x 8821 marker).
- Kết qu nghiên c u giới h n m c xác đ nh đ ợc các QTLs/gen ng viên
liên quan đến sự phát triển bộ r c a các mẫu giống lúa Vi t Nam trong tập đoƠn
nghiên c u.
1.4. NH NG ĐịNG GịP M I C A Đ TĨI
- Đƣ kh o sát vƠ đánh giá một cách có h thống các đặc điểm nông sinh h c
c b n c a tập đoƠn 270 giống lúa, trong đó có 214 giống lúa Vi t Nam.
- Đƣ xác đ nh đ ợc m c độ đa d ng di truyền vƠ cơy phơn lo i c a một tập
hợp nguồn gen lúa Vi t Nam bằng một l ợng lớn ch th hi n đ i nh DArT vƠ
SNPs marker.
- Sử dụng ph ng pháp GBS xơy dựng đ ợc bộ dữ li u kiểu gen với 25971
SNPs marker, bao ph toƠn h gen với mật độ cao, lƠ c s để phát triển nghiên
c u GWAS với các mục tiêu khác nhau (năng su t, c u trúc bông, kh năng
chống ch u với sơu b nh vƠ điều ki n b t lợi) trên tập đoƠn lúa nghiên c u.
- Luận án đƣ cung c p một bộ dữ li u gồm các thông số, thông tin c a các

tính tr ng chính liên quan đến sự phát triển bộ c a h n 190 mẫu giống lúa Vi t
Nam.
- Kết qu lập b n đồ liên kết toƠn h gen (GWAS) cung c p một danh sách
gồm 88 QTLs liên kết với 18 tính tr ng theo dõi, trong đó có 33 QTLs nằm trong
vùng mƣ hóa gen ch c năng, 1 vùng QTLs liên kết chặt với tính tr ng số l ợng r
(NCR) NST số 11 vƠ 1 vùng QTLs liên kết chặt với tính tr ng độ dƠy r (THK)
NST số 2. Xác đ nh đ ợc 889 gen ng viên, trong đó có 407 gen đƣ đ ợc xác
đ nh vƠ phơn nhóm ch c năng gi đ nh, 24 gen trong đó đƣ có những công bố
ch ng minh ch c năng hóa sinh vƠ sinh h c liên quan đến sự phát triển bộ r .

4


1.5. ụ NGHƾA KHOA H C VĨ TH C TI N C A Đ TĨI
- Những đóng góp về đặc điểm nông sinh h c c b n, đặc điểm phát triển
bộ r , đa d ng di truyền c a các giống lúa trong luận án sẽ m rộng vƠ nơng cao
những hiểu biết về sự đa d ng c a nguồn gen lúa Vi t Nam cũng nh thế giới. LƠ
c s để lựa ch n vật li u cho các ch

ng trình ch n t o giống lúa.

- Bộ dữ li u kiểu gen gồm h n 25000 SNPs marker đ ợc đăng t i trên trang
TropGenDB lƠ nguồn dữ li u m , có thể đ ợc cung c p cho các nhƠ khoa h c
khác để tiếp tục phát triển các nghiên c u GWAS trên tập đoƠn nghiên c u với
nhiều mục tiêu khác nh : xác đ nh các QTLs liên quan đến kh năng chống ch u,
năng su t, ch t l ợng, c u trúc bông,…vv.
- Dữ li u thông tin về đặc điểm bộ r có ý nghĩa tham kh o vƠ lƠ c s lựa
ch n vật li u cho các ch

ng trình lai t o giống c i tiến tính tr ng bộ r

lúa.

- Kết qu c a luận án cung c p một danh sách các QTLs/gen ng viên có
liên quan đến sự phát triển bộ r
các giống lúa Vi t Nam, bổ sung thêm thông
tin hữu ích vƠ chi tiết giúp các nhƠ khoa h c quan tơm nghiên c u di truyền bộ r
lúa Vi t Nam vƠ trên thế giới có hiểu biết toƠn di n, chính xác vƠ đầy đ h n
về m ng l ới các gen liên quan. Đặc bi t, những đặc điểm riêng bi t c a các
giống lúa Vi t Nam có thể mang đến những phát hi n mới, đặc tr ng, mƠ các
nghiên c u sử dụng các nguồn vật li u lúa khác trên thế giới không thể tìm th y.
- Nhìn chung, luận án cung c p một mô hình áp dụng những công ngh , kỹ
thuật hi n đ i trong phơn tích genome để đ a vƠo khai thác đa d ng nguồn gen
lúa Vi t Nam, lƠm rõ mối quan h giữa kiểu gen vƠ kiểu hình, nhằm khai thác
các gen/alen đặc thù ẩn trong nguồn gen đó. Kết qu c a luận án m ra con
đ ng triển v ng trong khai thác genome để ng dụng vƠo các ch ng trình ch n
giống phơn tử t o ra các giống lúa có bộ r thích hợp lƠm tăng kh năng thích
ng với các điều ki n ngo i c nh b t lợi.

5


PH N 2. T NG QUAN TĨI LI U
2.1. VAI TRọ VĨ Đ C ĐI M B
2.1.1. Vai trò c a b r

LÖA

R

cơy lúa

Bộ r lƠ c quan đặc bi t quan tr ng với cơy lúa, có ch c năng bám giữ
giúp cho cơy đ ng vững vƠ khai thác, vận chuyển n ớc, ch t dinh d ỡng cung
c p cho cơy trong quá trình quang hợp. NgoƠi ra, bộ r còn có các ch c năng th
c p khác nh dẫn truyền, tổng hợp các ch t điều hòa sinh tr ng, ch t dự trữ
trong cơy. Sự tổng hợp các ch t hữu c nƠy r t quan tr ng đối với quá trình sinh
tr ng vƠ phát triển cơy lúa. Vi c gi i phóng các ch t hữu c từ r có thể lƠm
thay đổi các đặc tính vật lý, hóa h c vƠ sinh hóa c a đ t bên trong vùng r (Wu
and Cheng, 2014). Bộ r r t nh y c m, nó c m nhận vƠ ph n ng l i với các
stress phi sinh h c vƠ sinh h c, vƠ giao tiếp với các bộ phận trên mặt đ t thông
qua các kênh tín hi u b i các hoocmon (Bailey-Serres and Voesenek, 2010;
Parent et al., 2010; Zhao et al., 2012; Hong et al., 2013; Sun et al., 2014). Bộ r
còn góp phần điều ch nh độ dẫn khí, đồng th i nh h ng đến t thế c a l ỡi lá
vƠ hi u su t quang hợp d ới sự tác động c a đi n tr đ t, dinh d ỡng, các điều
ki n b t lợi nh h n hoặc mặn (Wu and Cheng, 2014).
Với vai trò khai thác n ớc vƠ các ch t dinh d ỡng cần thiết cho sự sinh
tr ng phát triển c a toƠn bộ cơy, đặc điểm c u trúc vƠ ho t động c a bộ r có
tính quyết đ nh đến toƠn bộ quá trình sinh tr ng phát triển vƠ năng su t c a các
giống lúa. Bộ r có thể có nhiều c chế khác nhau để tác động vƠo quá trình hình
thƠnh, tích lũy vƠ duy trì năng su t cơy lúa, nh t lƠ khi đối mặt với các yếu tố
b t lợi (Yang et al., 2012; Jeong et al., 2013; Ju et al., 2015). Mặt khác, nhiều
nhƠ khoa h c cũng cho rằng cơy lúa có bộ r ăn sơu h n, số l ợng r b t đ nh
nhiều h n, đ ng kính r lớn h n, vƠ kh năng phơn nhánh tốt h n có thể có kh
năng chống ch u tốt h n với điều ki n h n hán do kh năng khai thác n ớc c a
chúng đ ợc tăng lên (Fukai and Cooper, 1995; Gowda et al., 2011).
Tầm quan tr ng c a bộ r trong đ i sống cơy lúa đ ợc nhìn nhận toƠn di n
trong nhiều nghiên c u, nhiều khía c nh khác nhau. Các kết qu đƣ công bố lƠ
c s để khẳng đ nh không thể bỏ qua các tính tr ng liên quan đến bộ r trong
các nghiên c u ch n t o giống lúa, đặc bi t lƠ trong các ch ng trình ch n t o

giống lúa chống ch u với các stress sinh h c vƠ phi sinh h c hi n nay.

6


2.1.2. Đ c đi m c u trúc c a b r lúa
Bộ r lúa mang những đặc điểm điển hình c a bộ r chùm

các cơy ngũ

cốc một lá mầm (Coudert et al., 2010). Đặc điểm hình thái h c, gi i phẫu h c,
quá trình hình thƠnh vƠ phát triển bộ r lúa đƣ đ ợc nhiều nhƠ khoa h c nghiên
c u từ nhiều năm nay. Theo mô t c a Reboillat et al. (2009), bộ r lúa đ ợc
thiết lập ch yếu từ 5 lo i r chính gồm: r mầm (radicle – ra), r b t đ nh m c
trong giai đo n n y mầm (embryonic crown root – ecr), r b t đ nh hình thƠnh từ
đốt thơn đầu tiên trên mặt đ t c a cơy lúa sau khi quá trình n y mầm kết thúc
(crown root – cr), r bên lớn vƠ r bên nhỏ. R b t đ nh m c trong giai đo n n y
mầm (ecr) lƠ các r b t đ nh phát sinh trong kho ng th i gian cơy lúa xu t hi n lá
thật th nh t vƠ lá thật th 2, t c lƠ sau n y mầm từ 2-3 ngƠy. R bên lớn (lager
lateral root – llr) đ ợc hình thƠnh từ r chính, có đ

ng kính nhỏ h n, nh ng có

c u t o gi i phẫu gần giống r chính. R bên nhỏ (small lateral root –slr) có
đ

ng kính r t m nh, chiều dƠi ngắn h n. Hình 2.1 mô t cụ thể từng lo i r c u

trúc nên một bộ r

cơy lúa.

R b t đ nh phơn hóa
nh phần trụ bì

thơn từ vòng mô phơn sinh có đặc điểm t

ng tự

r lúa (Itoh et al., 2005; Coudert et al., 2013a). Các r bên phơn

hóa từ trụ bì r (pericycle) vƠ một phần từ nội bì (Rebouillat et al., 2009; OrmanLigeza et al., 2013). C u trúc đồng tơm c a r lúa (Hình 2.2) tính từ tơm ra ngoƠi
gồm các lo i mô sau: phần trung trụ gồm xylem, ploem, trụ bì, nội bì
(endoderm); lớp vỏ (mesodermis), gồm các tế bƠo mô khí (aerenchyma); lớp
c

ng mô (sclerenchyma); ngo i bì; biểu bì (Rebouillat et al., 2009). C u trúc

xuyên tơm nƠy đ m b o r lúa có thể phát triển tốt trong c điều ki n h o khí vƠ
yếm khí. Đặc bi t, các mô khí có kh năng trao đổi khí với thơn cơy lúa khi cơy
sinh tr

ng vƠ phát triển trong điều ki n yếm khí. NgoƠi ra,

r có một vùng nằm

phần đầu c a chóp

trung tơm c a mô phơn sinh r đ ợc g i lƠ QC (Quiescent

Center), đơy lƠ một vùng tế bƠo đặc bi t (Hình 2.3), chúng phơn chia r t chậm
hoặc không phơn chia, nh ng sẽ khôi phục tr ng thái ho t động vƠ d ch chuyển
theo d ng đ

ng kinh tuyến khi các tế bƠo xung quanh chúng b tổn th

ng

(Coudert et al., 2010). Đặc điểm, ch c năng vƠ ho t động c a các lo i mô nƠy đƣ
đ ợc mô t vƠ ch ng minh trong nhiều nghiên c u, vƠ đ ợc tổng hợp b i
Rebouillat et al. (2009).
7


Chú thích: (a) Hình thái bộ r lúa

giai đo n 1 tuần sau n y mầm c a giống lúa Nipponbare. (b)

Hình thái bộ r lúa 40 ngƠy sau n y mầm. (c) Hình nh c a một r b t đ nh cơy lúa 40 ngƠy sau n y
mầm. Các ký hi u: ra – r mầm, ecr – r b t đ nh xu t hi n trong giai đo n n y mầm, cr- r b t đ nh, llr –
r bên lớn, slr – r bên nhỏ. Tỷ l kích th ớc: (a) t ng đ
đ ng 1cm.

ng 1cm, (b) t

ng đ

ng 5cm, (c) t

ng

Hình 2.1. ThƠnh ph n r c u trúc nên b r lúa
Nguồn: Rebouillat et al. (2009)

8