Lập bản đồ tính trạng số lượng cho gen kháng rầy nâu (nilaparvata lugens) trên nhiễm sắc thể số 4 ở cây lúa (oryza sativa)

Hội thảo Quốc gia về Khoa học Cây trồng lần thứ hai 1 LẬP BẢN ĐỒ TÍNH TRẠNG SỐ LƯỢNG CHO GEN KHÁNG RẦY NÂU (Nilaparvata lugens) TRÊN NHIỄM SẮC THỂ SỐ 4 Ở CÂY LÚA (Oryza sativa) Đặng Minh Tâm1, R. C. Cabunagan2, E. Coloqouio2, G. Jonson2, J. E. Hernandez3, A. G. Lalusin3, R. P. Laude3 and I. R. Choi2 1 Viện Lúa Đồng bằng sông Cửu Long, Tân Thạnh, Thới Lai, TP. Cần Thơ, Việt Nam 2 Viện nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI), DAPO Box 7777, Metro Manila, Philippines 3 Trường Đại Học Quốc gia Philippines Los Banõs, Laguna, Philippines TÓM TẮT Rầy nâu (BPH) gây ra những tổn thất nghiêm trọng đối với ngành sản xuất lúa tại Việt Nam và Đông Nam Á. Có các phương pháp khác nhau trong việc đánh giá kiểu hình kháng BPH. Để lập bản đồ gen kháng liên kết với BPH, chúng tôi đã lựa chọn phương pháp tối ưu nhất cho tính trạng số lượng (QTL) được xác định là tỉ lệ chết của rầy nâu. Đánh giá trên cây F1 đối với tỉ lệ chết của rầy nâu cho thấy tính kháng rầy nâu trên giống lúa địa phương (AC1613) là tính trạng trội. Phân tích kiểu hình và kiểu gen đối với tỉ lệ chết của rầy nâu trên các dòng F2 và F3 tương ứng cho biết gen kháng mục tiêu nằm trên nhiễm sắc thể số 4 của cây lúa. Bảng đồ QTL được thiết lập tại vị trí 103 cM trên nhiễm sắc thể số 4 liên kết với tỉ lệ chết cao của rầy nâu. Từ khóa: Rầy nâu (BPH), phương pháp tối ưu, tính trạng số lượng (QTL), tỉ lệ chết, nhiểm sắc thể số 4. I. ĐẶT VẤN ĐỀ Cây lúa (Oryza sativa L.) là cây lương thực chính tại nhiều quốc gia trên thế giới. Trong quá trình canh tác lúa, rầy nâu (BPH) được xem là nguồn gây hại lớn trên cây lúa ở Việt Nam và Đông Nam Á. Cơ chế gây hại trên cây bằng việc chích hút chất sáp trên tế bào phloem và gây ra hiện tượng cháy rầy (Sogawa, 1982; Watanabe và Kitagawa, 2000) và truyền virút gây bệnh vàng lùn và lùn xoắn lá trên cây lúa (Rivera và ctv., 1966; Ling và ctv., 1978; Khush và Brar 1991; Jena và ctv., 2006). Vì thế giống kháng với rầy nâu rất cần thiết cho nông dân để tăng năng suất lúa. Cơ chế kháng rầy nâu chủ yếu trên cây lúa là kháng sinh và yếu tố này ảnh hưởng đến tỉ lệ chết của rầy nâu làm ảnh hưởng ở cấp độ quần thể của rầy nâu gây hại (Reddy và Kalode, 1981; Murugesan và Chelliah, 1982). Giống lúa đầu tiên được báo cáo kháng lại rầy nâu là Mudgo vào năm 1969 bởi Pathak và ctv. Hiện nay có khoảng 28 gen kháng rầy nâu được báo cáo và sử dụng cho chọn tạo giống lúa. Tuy nhiên các gen kháng này thể hiện không ổn định do đó việc tìm ra gen kháng ổn định đối với rầy nâu là rất quan trọng và hữu ích trong thời điểm hiện nay. Sự biến đổi của khí hậu toàn cầu góp phần gia tăng cấp bệnh do rầy nâu gây ra dẫn đến thiệt hại cho nông dân. Do vậy, xác định vị trí của gen kháng rầy nâu và tìm ra phương pháp tối ưu cho việc đánh giá trong phân tích kiểu gen là rất cần thiết và cấp bách trong nghiên cứu chọn tạo giống lúa kháng rầy. II. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Đánh giá tính kháng rầy nâu Đánh giá theo phương pháp chung của IRRI (1996) và so sánh với phương pháp đánh giá trong ống nghiệm (tỉ lệ chết của rầy) để chọn ra phương pháp tối ưu cho đánh giá kiểu hình trong quần thể lai F1, F2, F3. Thí nghiệm được bố trí theo khối hoàn toàn ngẫu nhiên, 4 lần lặp lại. Dữ liệu được phân tích thống kê ANOVA và LSD sử dụng phần mềm R-CropStat. 2.2. Xác định vị trí liên kết của gen kháng rầy nâu DNA tổng số lá lúa được ly trích theo phương pháp CTAB (Murray và Thompson 1980). Quần thể F2 và F3 từ tổ hợp lai IR64/AC1613 được đánh giá kiểu hình và kiểu gen sử dụng chỉ thị phân tử SSR (simple sequence repeat). QTL liên kết với gen kháng rầy nâu được xác định thông qua phần mềm QTL IciMapping phiên bản 3.2 (Wang và ctv., 2011). VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM 2 b b a a b b b c b c 0 20 40 60 80 100 4NSC 5NSC Ngày sau khi chủng rầy (NSC) Tỉ lệ rầ y ch ết (% ) TN1 AC1613 IR64 Rathu Heenati IR62 III. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 3.1. Kết quả đánh giá phương pháp tối ưu cho kiểu hình Qua kết quả đánh giá và so sánh các phương pháp thanh lọc rầy nầu. Phương pháp đánh giá dựa vào tỉ lệ chết của rầy nâu sử dụng 10 BPH (tuổi 2 - tuổi 3) trên cây mạ 7 ngày tuổi và được đánh giá sau 4 và 5 ngày sau khi chủng rầy (hình 1) cho kết quả tối ưu nhất và khác biệt có ý nghĩa ở mức thống kê (α =0,05) giữa giống kháng rầy AC1613 có tỉ lệ rầy chết cao so với giống chuẩn nhiễm TN1 (Taichung Native 1). Điều này cho thấy khả năng kháng rầy của giống AC1613 là rất cao và thể hiện rõ trong các phương pháp đánh giá rầy nâu (IRRI 1996). Hình 1. Kết quả đánh giá tính kháng rầy nâu dựa vào tỉ lệ chết của rầy trên cây mạ non 7 ngày tuổi. Giá trị trung bình với các chữ cái khác nhau thể hiện sự khác biệt có ý nghĩa ở mức α =0,05 3.2. Xác định vị trí liên kết với tính kháng rầy nâu Hình 2. Bản đồ tính trạng số lượng dựa trên tỉ lệ chết cao của rầy nâu liên kết với nhiễm sắc thể số 4 Hội thảo Quốc gia về Khoa học Cây trồng lần thứ hai 3 Các cây F1 được đánh giá xác định dị hợp tử bởi kiểu gen và đánh giá kiểu hình dựa trên tỉ lệ rầy chết cao cho thấy các cây F1 thể hiện kiểu hình kháng của giống bố AC1613 (trên 90% rầy chết sau 4 ngày chủng rầy) cho thấy tính kháng rầy là tính trạng trội. Để xác định vị trí liên kết của gen với tính kháng rầy nâu trên các nhiễm sắc thể khác nhau. Các chỉ thị phân tử SSR thể hiện đa hình được chọn lọc ở khoảng cách cố định trên nhiễm sắc thể và kiểu hình cực kháng và cực nhiễm được sử dụng trên F2 và F3. Kết quả cho thấy vùng liên kết với gen kháng rầy nâu nằm trên nhiễm sắc thể số 4 của cây lúa. Bản đồ liên kết gen và tính trạng số lượng (tỉ lệ chết của rầy) liên kết trên nhiễm sắc thể số 4 được thiết lập dựa trên kiểu gen và kiểu hình của F2 và F3 (hình 2). Bản đồ tính trạng số lượng trên nhiễm sắc thể số 4 được thiết lập dựa trên tỉ lệ chết của rầy nâu tại vị trí 103 cM nằm giữa cặp chỉ thị phân tử RM16281 và RM16284 với LOD = 11 giải thích 33,1% sự biến thiên kiểu hình. IV. KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 4.1. Kết luận Giống lúa AC1613 là giống kháng mạnh đối với rầy nâu qua các phương pháp đánh giá. Phương pháp tối ưu cho đánh giá tính kháng trên AC1613 là đánh giá tỉ lệ rầy chết sau 4 ngày chủng rầy. Vị trí của gen kháng thể hiện liên kết với nhiễm sắc thể số 4 tại 103 cM. 4.2. Đề nghị Sử dụng giống AC1613 làm đối chứng chuẩn kháng rầy nâu và làm giống cho trong chọn tạo giống kháng rầy nâu bền vững. LỜI CẢM ƠN Xin chân thành cảm ơn sự hỗ trợ và tạo điều kiện thuận lợi từ Viện Lúa ĐBSCL (CLRRI), Viện nghiên cứu Lúa Quốc tế (IRRI) và trường Đại học Quốc gia Philippines tại Los Banos (UPLB) cho quá trình nghiên cứu. TÀI LIỆU THAM KHẢO IRRI. 1996. Standard evaluation system for rice. International Rice Research Institute, Manila. Jena K.K., J.U. Jeung, J.H. Lee, H.C. Choi, D.S. Brar, 2006. High-resolution mapping of a new brown planthopper (BPH) resistance gene, Bph18(t), and marker-assisted selection for BPH resistance in rice (Oryza sativa L.). Theor Appl Genet., 112: 288-297. Khush G.S., D.S. Brar, 1991. Genetics of resistance to insects in crop plants. Adv Agron., 45: 223-274. Ling K.C., E.R. Tiongco, V.M. Aqino, 1978. Rice ragged stunt, a new virus disease. Plant Disease Reporter, 62: 701-705. Muray M.G., W.K. Thompson, 1980. Rapid isolation of high molecular-weight plant DNA. Nucleic Acids Res, 8: 4321-4325. Murugesan S. and S. Chelliah,1982. Influence of plant age on population build-up of brown planthopper in susceptible, moderately resistant and resistant varieties. Oryza, 10: 203-204. Pathak M.D., C.H. Cheng, M.E. Fortuno, 1969. Resistance to Nephotettix impicticeps and Nilaparvata lugens in varieties of rice. Nature, 223: 502-504. Reddy V. V., M. B. Kalode, 1981. Rice varietal resistance to brown planthopper. IRRI Newslett., 6 (4): 8. Rivera C.T., S.H. Ou, T.T. Lida, 1966. Grassy stunt disease of rice and its transmission by the planthopper Nilaparvata lugens (Stål). Plant Dis Rep 50: 453-456. Sogawa K., 1982. The rice brown planthopper: feeding physiology and host plant interactions. Annu Rev Entomol, 27: 49- 73. Wang J., H. Li, L. Zhang, L. Meng, 2011. Users’ Manual of QTL IciMapping Version 3.2. Available from Watanabe T., Kitagawa H., 2000. Photosynthesis and translocation of assimilates in rice plants following phloem feeding by planthopper Nilaparvata lugens (Homoptera: Delphacidae). J Ecol Entomol, 93: 1192-1198. VIỆN KHOA HỌC NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM 4 Dang Minh Tam1, R. C. Cabunagan2, E. Coloqouio2, G. Jonson2, J. E. Hernandez3, A. G. Lalusin3, R. P. Laude3 and I. R. Choi2. 1 Cuu Long Delta Rice Research Institute, Thoi Lai, Can Tho, Vietnam. 2 International Rice Research Institute, DAPO Box 7777, Metro Manila, Philippines. 3 University of the Philippines Los Banõs, Laguna, Philippines. ABSTRACT Quantitative trait loci mapping of Brow Planthopper (Nilaparvata lugens) resistance gene on chromosome 4 in rice (Oryza Sativa). Brown planthopper (BPH) causes serious damages to rice production in Viet Nam and Southeast Asian. There are different methods in evaluating for BPH resistance phenotype. To map the resistance loci linked to BPH, we selected the optimal method for quantitative trait loci (QTL) which indicated as nymph mortality test. Evaluation of F1 plants for BPH nymph mortality showed that BPH resistance in rice traditional cultivar (AC1613) was a dominant trait. Genotypic and phenotypic analysis for BPH nymph mortality of the corresponding F2 and F3 lines illustrated that the target gene located on chromosome 4 in rice. The QTL was mapped at the position 103 cM associated with high BPH nymph mortality. Keywords: Brown planthopper (BPH), optimal method, quantitative trait loci (QTL), nymph mortality, chromosome 4. Người phản biện: TS. Khuất Hữu Trung