Tên đề tài: “Đặc điểm di truyền của hai gen liên quan đến tính trạng hàm lượng amylose và bạc bụng trên tập đoàn giống lúa hạt trung bình”

Tác giả: Bùi Phước Tâm, Khóa: 2019

Ngành: Công nghệ sinh học; Mã số: 62420201. Nhóm ngành: Khoa học sự sống

Người hướng dẫn chính: TS. Nguyễn Thị Pha - Trường Đại học Cần Thơ

Người hướng dẫn phụ: TS. Phạm Thị Bé Tư - Trường Đại học Cần Thơ

1. Tóm tắt nội dung luận án

Hạt gạo trung bình có chất lượng cao đang là nhu cầu thiết yếu trong cơ cấu sản xuất lúa gạo của đồng bằng Sông Cửu Long. Hàm lượng amylose (AC) và tỉ lệ bạc bụng (PC) là hai trong số các chỉ tiêu phẩm chất được quan tâm nhiều nhất. Nền tảng di truyền của hai tính trạng này là cơ sở nâng cao chất lượng và giá trị của hạt gạo. Vì vậy, luận án được thực hiện nhằm khảo sát đặc điểm di truyền của các gen liên quan đến AC và PC trên tập đoàn giống lúa hạt trung bình,  phục vụ cho công tác lai tạo và chọn lọc giống lúa hạt trung bình có chất lượng tốt. Luận án đã đánh giá AC và PC cũng như mối tương quan của hai tính trạng này với các tính trạng nông học và phẩm chất khác trên tập đoàn giống hạt trung bình. Sau đó, các SNP và gen ứng viên liên quan đến hai tính trạng được khảo sát bằng phương pháp nghiên cứu liên kết trên toàn hệ gen (GWAS) và các cơ sở dữ liệu cây lúa. Dựa trên chỉ thị phân tử được chọn lọc từ các cặp mồi (primer) được thiết kế, chọn giống lúa hạt trung bình có hàm lượng amylose thấp và ít bạc bụng đã được thực hiện. Kết quả cho thấy các giống lúa hạt trung bình thuộc nhiều phân nhóm lúa khác nhau, chẳng hạn như indica, aus và tropical japonica. Các giống lúa này được đánh giá với gen GS3 qui định kích thước hạt và cho sản phẩm băng hình PCR ở vị trí 150 bp và 360 bp. Đặc tính nông học và phẩm chất của tập đoàn giống lúa biến thiên đa dạng. Trên các giống lúa hạt trung bình, AC và PC tương quan thấp với các tính trạng nông học, kích thước và hình dạng hạt gạo. Tuy nhiên, AC và PC tương quan nghịch và tương quan chặt lần lượt với độ bền thể gel (r = -0,85) và tỉ lệ gạo nguyên (r = -0,75). Nghiên cứu GWAS cho tính trạng AC đã xác định được chín SNP và tần số alen thay thế của các SNP khác nhau từ 0,94 đến 56,60%. Đối với tính trạng PC, đã xác định được 17 SNP và tần số alen thay thế của các SNP thay đổi từ 4,38 đến 58,79%. Thông qua kết hợp các cơ sở dữ liệu Rice SNP-Seek (IRRI), RiceFREND và ePlant, hai gen qui định hàm lượng amylose (LOC_Os02g01610 và LOC_Os12g06250) và hai gen qui định tỉ lệ bạc bụng (LOC_Os02g12580 và LOC_Os11g07840) được xác định. Các gen này có chức năng được dự đoán có liên quan đến quá trình trưởng thành của hạt lúa và sự hình thành tinh bột của hạt gạo. Chọn dòng thuần nhờ chỉ thị phân tử (MAS) với hai chỉ thị phân tử được thiết kế AC02-Ex4 và PC02-Ex6 trên tổ hợp lai ML202/M-202 đã chọn  được hai dòng lúa TH-40-1-3-6-1-1 và TH-70-3-1-6-1-1 có triển vọng với hàm lượng amylose thấp hơn 20% và tỉ lệ bạc bụng thấp hơn 1%.

2. Những kết quả mới của luận án

Luận án sử dụng bộ vật liệu lúa có tính đa dạng di truyền phong phú với 44.100 SNP. Đối tượng nghiên cứu là nhóm lúa có chiều dài hạt trung bình thay vì nhóm hạt gạo dài (indica) đang là xu hướng thị trường hiện nay.

 Phương pháp GWAS được sử dụng thay vì nghiên cứu bản đồ QTL dựa trên hai bố mẹ (bi-parental mapping) để tìm kiếm các SNP liên quan tính trạng mục tiêu, điều này giúp tiếp cận nguồn gen rộng lớn hơn, rút ngắn thời gian, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả chọn lọc gen.

Các SNP, gen ứng viên và chỉ thị phân tử liên quan đến hàm lượng amylose và tỉ lệ bạc bụng được xác định là cơ sở cho các nghiên cứu chuyên sâu trên đối tượng hạt lúa có kích cỡ trung bình.

3. Các ứng dụng/khả năng ứng dụng trong thực tiễn, các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu

Các ứng dụng/khả năng ứng dụng trong thực tiễn:

Việc hiểu rõ các gen kiểm soát hàm lượng amylose và hiện tượng bạc bụng giúp các nhà chọn giống phát triển các giống lúa có chất lượng gạo tốt hơn.

Nghiên cứu kết hợp phương pháp truyền thống và hiện đại, ứng dụng các cơ sở dữ liệu cây lúa có sẵn đang là cách tiếp cận hiệu quả trong nghiên cứu di truyền và chọn giống hiện nay.

Bằng cách chọn lọc và lai tạo các giống lúa có hàm lượng amylose thấp và ít bạc bụng, nông dân có thể trồng được các giống lúa có giá trị cao hơn trên thị trường. Điều này giúp tăng lợi nhuận và nâng cao chất lượng cuộc sống cho người trồng lúa.

Sản phẩm hạt gạo trung bình có chất lượng tốt cũng góp phần làm đa dạng cơ cấu giống của Việt Nam nói chung và ĐBSCL nói riêng, phục vụ nội tiêu và xuất khẩu.

Các vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu:

Khai thác dữ liệu SNP liên quan phẩm chất hạt như hàm lượng amylose, tỉ lệ bạc bụng, độ bền thể gel và nhiệt hóa hồ trên tập đoàn giống lúa hạt trung bình trong các nghiên cứu chuyên sâu hơn. Việc chọn lọc gen ứng viên dựa trên cơ sở dữ liệu Rice SNP-Seek (IRRI), do đó, khả năng nhiều gen tiềm ẩn vẫn chưa được phát hiện. Vì vậy, các dữ liệu gen rộng lớn hơn nên được cập nhật để xác định thêm các gen mục tiêu.

Khai thác dữ liệu của các chỉ tiêu phẩm chất khác có tương quan với hàm lượng amylose (như độ bền thể gel và nhiệt hóa hồ) và tỉ lệ bạc bụng (như tỉ lệ gạo nguyên) trên tập đoàn giống lúa hạt trung bình.

Hai dòng lúa hạt trung bình triển vọng với hàm lượng amylose thấp và ít bạc bụng (TH-40-1-3-6-1-1 và TH-70-3-1-6-1-1) của tổ hợp lai ML202/M-202 cần được tiếp tục đánh giá và phát triển.

Các kết quả của luận án là nguồn tham khảo cho các nghiên cứu có liên quan.

Thesis title: Genetic characteristics of two genes related to amylose content and percentage of chalkiness in medium-grain rice

Major: Biotechnology                                           Code: 9420201

Full name of PhD student: Bui Phuoc Tam        Year: 2019 - 1

Scientific supervisor: Dr. Nguyen Thi Pha and Dr. Pham Thi Be Tu

Educational institution: Can Tho University

1. Content of thesis summary

High-quality medium-grain rice is an essential demand in the rice production structure of the Mekong Delta. Amylose content (AC) and percentage of chalkiness (PC) are two of the important quality indicators that receive the most attention. The genetic foundation of these two traits is the basis for improving the quality and value of rice. Therefore, the thesis was carried out to detect the genetic characteristics of genes related to AC and PC in medium-grain rice, thereby applying them in the breeding and selection of high-quality rice varieties. The thesis evaluated AC and PC as well as the correlation of these two traits with agronomic traits and other quality characteristics in medium-grain rice. Then, the candidate SNPs and genes associated with the two target traits were detected by applying genome-wide association studies (GWAS) and rice databases. Based on molecular markers selected from the designed primers, the selection of medium-grain rice varieties with low amylose content and less chalkiness using molecular markers (MAS) was performed. Research results showed that medium-grain rice varieties belonged to many different rice subgroups, such as indica, aus, and tropical japonica. In a 2.0% agarose gel, these varieties had PCR products of the GS3 gene, which regulates grain size, sized at 150 and 360 bp. The agronomic and quality traits of medium-grain rice varieties had a wide range. AC and PC were lowly correlated with agronomic traits and grain size ang shape. However, AC and PC were strongly negatively correlated with gel consistency (r = -0.85) and head rice recovery (r = -0.75), respectively. The GWAS for AC in medium-grain rice identified nine SNPs and the alternative allele frequencies of these SNPs varied from 0.94% to 56.60%. For the trait of kernel chalkiness, the study identified 17 SNPs and these SNPs' alternative allele frequencies ranged from 4.38% to 58.79%. Combining rice databases, Rice SNP-Seek, RiceFREND, and ePlant, two genes regulated to AC (LOC_Os02g01610 and LOC_Os12g06250) and two genes regulated to PC (LOC_Os02g12580 and LOC_Os11g07840) were picked out. These genes' functions were predicted as related to rice grain maturation and grain starch formation. Pure-line selection using MAS with two designed molecular markers, AC02-Ex4 and PC02-Ex6, on the ML202/M-202 hybrid combination had selected two rice elite lines, TH-40-1-3 -6-1-1 and TH-70-3-1-6-1-1. These lines were good in quality with low amylose content (AC < 20%) and less chalkiness (PC < 1%).

2. The novel aspects from the thesis

The thesis used a set of rice materials with rich genetic diversity with 44,100 SNPs. The research object was medium-grain rice instead of long-grain rice (indica) which is the current market trend.

GWAS method was used instead of bi-parental mapping to search for SNPs related to the target trait, which helps to access a wider genetic resource, shorten time, reduce costs, and improve the efficiency of genetic selection.

The identified SNPs, candidate genes, and molecular markers associated with amylose content and percentage of chalkiness are the genetic background for further studies on medium-grain rice.

3. Application prospect and suggestions for further study

Application prospect:

Understanding the genes that control amylose content and chalkiness helps breeders develop rice varieties with better rice quality.

The combination of traditional and modern study methods and the application of available rice databases are an effective approach in current genetic research and breeding.

By breeding and selecting rice varieties with low amylose content and less chalkiness, farmers can grow varieties with higher market value. This increases profits and improves the quality of life for rice farmers.

The products of good quality medium-grain rice also contribute to diversifying the rice variety structure of Vietnam in general and the Mekong Delta in particular, serving domestic consumption and export.

Suggestions for further study:

Further studies should be carried out on SNP data related to grain quality such as amylose content, chalkiness, gel consistency, and gelatinization temperature in medium-grain rice. The selection of candidate genes was based on the Rice SNP-Seek database (IRRI), thus, many potential genes likely remain undiscovered. Therefore, more extensive genomic databases should be updated to identify additional target genes.

Data of other quality parameters correlated with amylose content (such as gel consistency and gelatinization temperature) and percentage of chalkiness (such as head rice rate) should be exploited in quality research of medium-grain rice varieties.

Two elite medium-grain rice lines with low amylose content and low chalkiness (TH-40-1-3-6-1-1 and TH-70-3-1-6-1-1) of the cross ML202/M202 should be evaluated and developed further.

The results of the thesis are a reference source for related studies.

• Xem chi tiết nội dung luận án
• Xem thông tin đăng tải tại Website Bộ giáo dục và Đào tạo. (Nhập tên NCS vào ô tìm kiếm)