Đa dạng di truyền, khả năng kết hợp riêng và ưu thế lai ở ngô nhiệt đới dưới điều kiện môi trương bất thuận và không bất thuận

Đa dạng di truyền, khả năng kết hợp riêng và ưu thế lai ở ngô nhiệt đới dưới điều kiện môi trương bất thuận và không bất thuận F.J. Betran, J.M. Ribaut, D. Beck và Gonzalez de Leon, 2003 Crop Sci. 43:797-806Tóm tắtĐánh giá đa dạng và khoảng cách di truyền giữa các dòng ngô nhiệt đới ( Zea mays L) và Tương quan giữa khoảng cách di truyền (GD) và biểu hiện ưu thế lai có thế xác định được chiến lược tạo giống, phân loại các dòng thuần, xác định nhóm ưu thế lai và dự đoán các tổ hợp lai. Mục tiêu của nghiên cứu là ước lượng ưu thế lai và khả năng kết hợp riêng ( SCA), Đa dạng di truyền và chiều dài đoạn đa hình giới hạn (RFLPs) trong 1 bộ các dòng ngô nhiệt đới, Đa dạng di truyền và loại các dòng ngô theo GD, Nghiên cứu tương quan đa dạng di truyền và các tổ hợp lai, ưu thế lai, KNKH riêng 17 dòng ngô trắng nhiệt đới đất thấp đưa vào lai diallel. Các dòng và tổ hợp lai được đánh giá ở 2 môi trường bất thuận và không bất thuận. Biểu hiện ưu thế lai lớn hơn dưới điều kiện hạn và nhỏ hơn ở môi trường nghèo đạm ở môi trường không hạn. Một bộ chỉ thị DNA nhận biết 81 locus đã được sử dụng để nhận biết 17 dòng. Mức độ đa dạng di truyền cao với 4,65 allel/locusGiá trị lượng thông tin đa hình (PIC) [polymorphism information content] trong phạm vi từ 0,11 đến 0,82. Vùng genome có locus tính trạng số lượng (QTL) cho chịu hạn đã được nhận biết trước đó cho thấy :đa dạng di truyền thấp hơn, khoảng cách di truyền trên cơ sở RFLPs phân loại các dòng thuần phù hợp với phả hệ của chúng. Tương quan dương giữa đa dạng di truyền ( GD) và con lai F1 về ưu thế lai trung bình và ưu thế lai thực. Khả năng kết hợp riêng có tương quan rất chặt với đa dạng di truyền. Môi trường ảnh hưởng có ý nghĩa đến tương quan giữa con lai F1, SCA, MPH và HPH, Biểu hiện có giá trị thấp hơn của đa dạng di truyền trong điều kiện bất thuận Nhận biết các dòng bố mẹ để tự phối phát triển các THL ưu tú là giai đoạn tốn kém kinh phí và thời gian trong bất kỳ một chương trình tạo giống ngô uu thế lai nào. Trước khi biểu hiện không thế dự đoán các dòng tự phối nào có thể cho UTL năng suất hạt ( Hallauer và Miranda,1988).Nếu dự đoán giá trị UTL đơn hoặc UTL giữa các dòng bố mẹ có thể tăng hiệu quả của chương trình tạo giống ngô UTL. Khoảng cách di truyền đa được sử dụng để dự đoán ưu thế laiHiệu quả dự đoán chính xác hơn với lai giữa các dòng tự phối trong cùng một nhóm UTL Hiệu quả của cấu trúc quần thể đến mối quan hệ giữa khoảng cách di truyền GD và UTL đã được Charcosset và Essioux mô tả năm 1994Abbreviations: ASI, anthesis-silking interval • CML, CIMMYT maize line • DT, drought tolerance • GD, genetic distance • HPH, high-parent heterosis • IS, intermediate stress • LP, ‘La Posta Sequía’ • MPH, midparent heterosis • PCA, principal component analyses • PIC, polymorphism information content • QTL, quantitative trail locus(i) • RFLP, restriction fragment length polymorphism • SCA, specific combining ability • SGD, specific genetic distances • SS, Severe stress • TS, ‘Tuxpeño Sequía’ • WW, well watered Vật liệu và phương phápEntryLinePedigreePrincipal criteria of selection17P1Across 7643Short anthesis-silking intervallinePedigreePricipal criteria of selection1LP1La Posta SEQC3-H16-3-2-4-1-1-#Drought tolerance2LP2 (CML339)La Posta SEQC3-H297-2-1-1-1-3-#Drought tolerance3LP3 (CML340)La Posta SEQC3-H20-4-1-1-2-3-#Drought tolerance4LP4 (CML341)La Posta SEQC3-H1-2-2-2-1-1-#Drought tolerance5LP5 (CML342)La Posta SEQC3-H1-2-2-3-1-1-#Drought tolerance6TS1TS6c1-F228-2-2-3-1-2-#Drought tolerance7TS2TS6c1-F208-2-3-5-2-#Drought tolerance8TS4 (CML344)TS6c1-F118-1-2-3-1-2-#Drought tolerance9TS5TS6c1-F208-2-3-2-2-1-#Drought tolerance10CML247P24F119*P24F54)-6-4-1-1-BB-f)-BStability, combining ability11CML254TUXSEQ-149-2-BBB-##-1-BB-BStability, combining ability12CML273(AC7643*43F7)-2-3-2-1-BB-fStability, combining ability13CML264Pob21C5F219-3-1-B-##-8-1-3-BBB-fStability, combining ability14CML268Pob23STEC1HC45-1-1-1-2-3-BB-fStability, combining ability15CML274(AC7643*43F7)-2-3-4-3-BB-fStability, combining ability16CML25821C5HC218-2-3-B-###-B-1-BBB-f)-BStability, combining ability17P1Across 7643Short anthesis-silking interval 17 dòng ngô nhiệt đới hạt trắng sử dụng nghiên cứu diallel ( bảng 1), Những dòng này đại diện cho một phạm vi chống chịu và mẫm cảm với hạn phi sinh học. 9 dòng tiến bộ chọn lọc chu kỳ thứ nhất phát triển từ quần thể cải tiến cho chịu hạn bằng chọn lọc chu kỳ trong môi trường hạn ( Edmeades et al.,1997),5 dòng của 9 dòng từ La posta Sequía C3 ( LP) còn lai Vật liệu và phương pháp4 dòng từ Tuxpẽno Sequía 6 C1 ( TS). 7 dòng ngô CIMMYT ( CMLs) đã được chọn lọc trên cơ sở KNKH của chúng. Thí ngiệm dòng AC7643 (P1) là bố mẹ chịu hạn đại diện cho quần thể phân ly để 17 dòng gồm bộ 3 cặp dòng chị em LP4- LP5; TS2 – TS5 và CML 273 – CML 274. Hạt từ lai thuận nghịch giữa 17 THL đã hỗn để hình thành một bộ 136 con lai F1Đánh giá và quản lý môi trường hạnĐánh giá và quản lý môi trường hạnCác dòng và THL đã được đánh giá riêng ở thí nghiệm trồng cạnh nhau ở 2 môi trường là : (i) hạn và đam thấp ; (ii) điều kiện tối ưu ở 1 môi trường như bảng 2.Thiết kế thí nghiêm α(0,1) lattice ( Patterson và Williams,1976). Các THL và dòng gieo 2 hạt/hốc cách nhau 20 cm và hàng cách hàng 75 cm,Tỉa bỏ những cây không mong muốn để đảm bảo mật độ. Tất cả thí nghiệm áp dụng kỹ thuật chăm sóc tiêu chuẩn. 6 điểm thí nghiệm dưới điều kiện bón phân và tưới nước tối ưuĐồng thời và thí nghiệm liền kề được thực hiện trong vụ đông 1996 với 3 phương thức tưới : (i) tưới tốt TL96A WW( điều kiện bình thường với định kỳ xấp xỉ 10 ngày tưới 1 lần); (ii) hạn giữa TL 96AIS ( không tuới nước từ 2 tuần trước khi phun râu đến khi kết thúc trỗ cờ); (iii) hạn gay gắt TL 96ASS ( không tuới nước từ 4 tuần trước khi phuân râu đến kết thúc trỗ cờ)Phân tích RFLPDNA trong genome của ngô được chiết xuất từ 17 dong tự phối ngô nhiệt đới sử dụng trong nghiên cứu này. DNA tinh khiết, xác định khối lượng, xắp xếp với 1 trong 2 enzim (Eco RI hoặc HindIII), phân tích trên gel agarose (0,7%,w/v) Gắn nhãn dò (digoxigenin-dUTP) sử dụng để do đa hình Với phản ứng phát quang của antidigoxigenin-alkaline phosphatasse –AMPPD . Chi tiết của phương pháp (protocol) này đã được Hoisington et al. đưa ra năm 1994. Một bộ 55 đoạn dò RFLP trải qua ngang genome (trường đại học Missouri Columbia ( UMC), Phòng thí nghiệm quốc gia Brookhaven (BNL) và chương trình thực vật tự nhiên (NPI) đã sử dụng đã phân giải các thực liệu ở 81 locus. Công thưc RFLP ghi nhận cho mỗi tổ hợp liên kết enzyme –đầu do ghi nhận 1 là có mặt band và 0 là vắng mặtPhân tích thống kêPhân tích riêng rẽ biến động được thực hiện cho mối thí nghiệm và mức hạn băng phương pháp PROCMIXED của chương trình SAS ( Viện SAS, 1997). Các kiểu gen được tính toán ảnh hưởng cố định . Phân tích lai Diallel Griffing 4 sử dụng ước lượng KNKH riêng SCA chó các THL ở tất cả các môi trường và ngang qua các môi trường. Tính ưu thế lai UTL trung bình, UTL thựcSố trung bình của các allel trên 1 locus được tính cho tất cả tổ hợp enzyme thử, biến động của mỗi locus được ước lượng bằng PIC ( Anderson et al., 1993) Trong đó p2i là tấn suất của allel thứ i trong một locus có I allelKhoảng cách di truyền được tính giữa các cặp dòng trên cơ sở phát triển phương pháp của Nei và Li,1979 Trong đó Nij là số band chung của dòng I và j, Ni và Nj là tổng số band của dòng I và j. Khoảng cách di truyền có thể nằm trong phạm vi giữa 0 ( tất cả các band chung) đến 1 ( không có band chung). Phân tích thành phần nguyên lý ( PCA) và cluster, sử dụng thuật toán liên kết trung bình ( Romesburg,1984) đã tính trên ước lượng khoảng cách di truyềnKhoảng cách di truyền đặc thù (SGD) đã được tính bằng mô hình Griffing 1 và 4 ( Grifing 1956) như đề nghị của Melchinger et al.,1990.GD = GGD1 + GGDj + SGDijTrong đó GGD là khoảng cách di truyền chung và SGD là khoảng cách di truyền riêng.Hệ số tương quan Pearson giữa khoảng cách di truyền và năng suất hạt lai đơn ( F1),MP,HP, MPH và SCA được tính bằng giá trị trung bình trên một môi trường và qua các môi trường. Khoảng cách di truyền riêng được tính tương quan với SCA và F1.. Tính toán thống kê được thực hienẹ băng chưonưg trình SASKết quả nghiên cứu và thảo luậnNăng suất hạt, SCA và ưu thế lai ( UTL)Năng suất hạt trung bình 6,01 t/ha, phạm vi 1,14 t/ha( TL96ASS0 đến 9,18t/ha tại TL96BWW( bảng 2). Năng suất hạt của các dòng tự phối trung bình 2,27t/ha, phạm vi 0,15 t/ha(TL96ASS) đến 3,95 t/ha (PRR96AWW). Kiểu gen và tương tác kiểu gen x môi trường đã ảnh hưởng có ý nghĩa đến phân tích biến động năng suất hạt của các dòng và THL Đa dạng di truyềnTừ 55 chỉ thị dò RFLP ( RFLP probes), 35 trong chúng nhận biết ở 1 locus, 14 nhận biết 2 locus và 6 nhận biết 3 locus ( bảng 5). Trong 81 locus, tổng số 377 alell khác nhau đã được nhận biết với giá trị trung bình khoảng 4,65 alell/locus. Trung bình số alell /locus tương tự như kết quả nghiên cứu trước đây ở ngô ôn đới đã báo cáo là 4,2 ( Melchinger et al.,1991 và 4,6 allel ( Burstin et al.,1994) và 5,9 allel ( Dubreuil et al., 1996) và 4,9 allel ( Lu và Bernardo,2001). Giá trị lượng đa hình PIC trong phạm vi 0,28 của lớp locus có 2 allel đến 0,82 của lớp locus có 9 allel. Giá trị PIC tối thiểu là 0,11 của chỉ thị do ( RFLP probe) RFLP probe có giá trị PIC thấp nhất ở mỗi lớp locus đã được nhận biết và đưa vào bản đồ di truyền ngô ( bảng 6). Locus biểu hện PIC thấp nhất có thể liên quan đến áp lực chọn lọc cao trong quá trình cải tiến quần thể nguồn và phát triển dòng tự phối cho môi trường hạn (các dòng LP và TS)Bảng 5: Đặc điểm 8 lớp chỉ thị DNA khác nhau trên cơ sở số allel . Chúng đã nhanạ biết gồm số lallel và locus trên một lớp, trung bình và giá trị đa hình polymorphism information content (PIC ) tối thiểu và số allel trên lớp với tần suất lớn hơn50%Bảng 6: Vùng bin cua các locus có giá PIC thấp nhất (gạch chân) trong môi lớp khác nhau như đã trình bày trong bảng 5. Mồi RFLP dò, mỗi locus khác nhau trên bản đồ gen ngô DB cũng được trình bày. Các chữ cái trong ngoặc chỉ locus theo ký hiệu tên locus trên bản đồ gen ngô DB và (c) chỉ là locus này chưa được báo cáo trong bản đồ gen ngô DB, nhưng đã được nhận biết trong bản đồ liên kết của CIMMYT (next slide )Ghi chú: * tại locus khác đã được nhận biết bởi cùng một chỉ thị dò, 1 allel có tần suất lớn hơn 50%Khoảng cách di truyền giữa các dòng tự phốiTrung bình khoảng cách di truyền giữa các dòng tự phối có phạm vi 0,20 đến 0,84. P1 là các dòng ổn định với GD là 0,72, hầu hết khoảng cách di truyền của các dòng nằm trong khoảng 0,45 đến 0,85. Các dòng chị em ( TS2 và TS3, LP4 và LP5, CML273 và CML 274, đã dễ dàng nhận biết có khoảng cách di truyền dưới 0,25.Các dòng tự phối CML247 và P1 có khoảng cách di truyền GD lớn nhất bằng 0,84. Hai dòng này có thể sử dụng phát triển quần thể phân ly để lập bản đồ QTL vê năng suất hạt và chênh lệch trỗ cờ - phun râu. Để cải tiến thêm CML 247 sử dụng lai trở lại và chọn lọc MAS (Ribaut et al., 2002) phân tích thành phần chủ yếu trình bày hình 1Sự tương ứng giữa khoảng cách di truyền với nguồn gốc và phả hệ của các dòng ngô tự phối nhiệt đới này Phù hợp với các nghiên cứu khác phân loại các dòng ngô ôn đới ( Mumm và Dudley,1994; Burstin et al., 1994 và Dubreuil et al., 1996).Kết quả nghiên cứu của chúng tôi chỉ ra rằng sử dụng chỉ thị DNA là một công cụ phù hợp để phân nhóm các dòng ngô tự phối nhiệt đới phát triển từ các nhóm vật liệu đa dạng di truyềnTương quan giữa khoảng cách di truyền ( GD) và ưu thế lai ( UTL)Khoảng chách di truyền tương quan dương với F1,SCA, MPH , HPH ở tất cả các môi trường khi có mặt các tổ hợp lai ( THL) ( bảng 7). Khoảng cách di truyền không tương quan với MP hoặc HP. Có 3 THL thu được từ lai giữa các dòng chị em (GD<0,25) có ảnh hưởng rộng đến tương quan.Tương quan giữa GD và SCA qua các môi trường [r(SCA,GD)] giảm từ 0,64 đến 0,31; giảm từ 0,53 đến 0,17 với r( GD,F1); giảm từ 0,41 đến0,14 với r(MHP,GD) và từ 0,28 đến 0,05 với r(HPH, GD). KẾT LUẬNUTL có thể bị ảnh hưởng bởi môi trường, có thể ảnh hưởng khác nhau đến các dòng bố mẹ và THL. Trong bộ 17 dòng ngô nhiệt đới, ưu thế lai lớn hơn dưới điều kiện hạn và nhỏ hơn dưới điều kiện đạm thấp ở môi trường không bất thuật. Kết quả cho thấy răng cần phải nghiên cứu bổ sung ảnh hưởng của bất thuận phi sinh học đến biểu hiện UTL. Mức độ tự phối của các dòng bố mẹ có thể ảnh hưởng tới phản ứng của chúng với bất thuận, sau đó tới ưu thế lai. Do vậy các dòng có mức độ tự phối khác nhau và tổ hợp lai tương ứng nên thử dưới điều kiện môi trường bất thuận và tối ưu để ước lượng ưu thế lai.KNKH riêng không ảnh hưởng bởi biểu hiện dòng tự phối bố mẹ và có thể dự đoán giá trị của năng suất hạt F1 hơn UTL, cho chương trình tạo giống ưu thế lai.Khả năng tạo tổ hợp lai đơn tốt nhất trênb cơ sở biểu hiện của THL tối đa trong môi trường mục tiêuKhoảng cách di truyền dựa trên chỉ thị RFLP phân nhóm các dòng ngô nhiệt đới thống nhất với nguồn gốc và phả hệ của chúng. Kết quả này tương tự nhưng nghiên cứu trước đó với ngô ôn đớiChỉ ra khả năng của chỉ thị phân tử DNA để đánh giá khoảng cách di truyền và phân nhóm các dòng ngô nhiệt đới. Có tương quan dương giữa khoảng cách di truyền và F1, khả năng kết hợp riêng (SCA), ưu thế lai trung bình (MPH) và ưu thế lai thực (HPH) ở tất cả các môi trườngNhưng nó ảnh hưởng mạnh nhất với tổ hợp lai dòng chị em. Khả năng kết hợp riệng có tương quan rất chặt với khoảng cách di truyền ( GD), đặc biệt khi SGD.