จีโนมข้าว (rice...

จีโนมขาว (Rice Genome)

พูนศกัดิ์ เมฆวฒันากาญจน

สํานักวจิยัและพัฒนาขาว


วิวัฒนาการของขาว (Evolution of rice)

การจัดหมวดหมูและโครงสรางของจีโนม

(Organization and structure of genome)

การวิเคราะหจีโนม (Genome analysis)

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว


International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP)

โครงสรางของจีโนมขาว (Structural

genomics)

หนาที่ของจีโนม (Functional genomics)



วิวัฒนาการของขาวปลูกมาจากขาวสองชนิดคือ

Oryza sativa L.

O. glaberrima Steud.



ขาวปาจําแนกได 5 ชนิดคือ

O. rufipogon (sensu lato)

O. longistaminata Chev. Et Roehr.

O. barthii A. Chev.

O. glumaepatula Steud.

O. meridionalis Ng.



ขาวปา O. rufipogon เปนบรรพบุรุษของขาวปลูก O. sativa

ขาวปา O. barthii เปนบรรพบุรุษของขาวอัฟริกา O. glaberrima



Wild(O. rufipogon)

Geographical differentiation

Perenial Annual

Weedy type

Japonica Indica

Cultivated(O. sativa)



ชนิดขาว 2n จีโนม แหลงที่พบ

Oryza sativa complex

O. sativa L. 24 AA Worldwide

O. nivara Shama et Shastry 24 AA Tropical and Subtropical Asia

O. rufipogon Griff. 24 AA Tropical and Subtropical Asia Tropical Australia

O. breviligulata A. Chev. Et Roehr. 24 AA Africa

O. glaberrima Steud. 24 AA West Africa

O. longistaminata A. Chev. Et Roehr. 24 AA Africa

O. meridionalis Ng 24 AA Tropical Australia

O. glumaepatula Steud. 24 AA South and Central America


วิวัฒนาการของขาว (Evolution of rice)ชนิดขาว 2n จีโนม แหลงที่พบ

Oryza officinalis complex

O. punctata Kotschy ex Steud. 24,48 BB, BBCC Africa

O. minuta J.S. Presl. Ex C.B. Presl. 48 BBCC Philippines and Papua New Guinea

O. officinalis Wall ex Watt 24 CC Tropical and Subtropical Asia Tropical Australia

O. rhizomatis Vaughan 24 CC Sri Lanka

O. eichingeri A. Peter 24 CC South Asia and East Africa

O. latifolia Desv. 48 CCDD South and Central America

O. alta Swallen 48 CCDD South and Central America

O. australiensis Domin. 24 EE Tropical Australia



ชนิดขาว 2n จีโนม แหลงที่พบ

Oryza meyeriana complex

O. granulate Nees et Arn. ex Watt 24 GG South and Southeast Asia

O. meyeriana (Zoll. et Mor. ex Steud.) Baill.

24 GG Southeast Asia

Oryza ridleyi complexO. longiglumis Jansen 48 HHJJ Irian Jaya (Indonesia)

and Papua New Guinea

O. ridleyi Hook. F. 48 HHJJ South Asia

Unclassified

O. brachyantha A. Chev. Et Roehr. 24 FF Africa

O. schiechteri Pilger 48 HHKK Papua New Guinea



longistaminataeichingeri

brachyantha

perrieri

ridleyi

meyeriana

Schlechteri


ความหมาย

โครโมโซมหรือ ดีเอ็นเอของขาวทั้งหมดที่มี

ในชุดหนึง่ๆ ซึ่งมีความจําเพาะของขาวในแต

ละชนิด ประกอบไปดวยโครโมโซมจํานวน

12 ชุด



Nagao และ Takahashi (1963) ไดเสนอวาขาวมี 12 linkage groups (I – XII)

Khush et al (1984) ไดพบ 3 linkage group อยูในกลุมเดียวกัน ซึ่งเหลอื 9 linkage group

Khush et al ไดศึกษาเพิ่มเติมของลกัษณะ marker อีกสามโครโมโซม เขาสรุปไดวาขาวมี 12 linkage group




ป 1990 Second International Rice Genetics Symposium ไดใหเลขชือ่โครโมโซมและ linkage group

Singh et al (1996) ไดสรางแผนที่ linkage ของขาว


ความรวมมืองานวิจัยขาวระหวางประเทศ (International collaboration on rice research)

Dr. M.S. Swaminathan และ G.S. Khush นักวิจัยของสถาบันวิจัยขาวนานาชาติ รวมมือกับ H.I. Oka, T. Kinoshita และ Y. Futsuhara เจาหนาที่จาก Japanese Rice Genetics Information Committee

ออกจดหมายขาวพันธุศาสตรขาว (Rice Genetics Newsletter)



จดหมายขาวเลมแรกไดเสนอกฎระเบียบการตั้งชื่อยีนในขาวโดย Dr. H.I. Oka และ G.S. Khush

การจัดประชุมพันธุศาสตรขาวนานาชาติครั้งแรกเมื่อป คศ. 1985 (International Rice Genetics Symposium) ซึ่งไดจัดประชุมที่สถาบันวิจัยขาวนานาชาติ ผลของการประชุมไดตั้ง Rice GeneticsCooperative (RGC)



ป คศ.1985 International Program on Rice Biotechnology โดยมูลนิธิรอคกี้เฟลเลอร

ชวงแรก 5-7 ป สนับสนนุงานวิจัยพื้นฐานทางดานเทคโนโลยชีีวภาพขาว

ชวงที่สอง 7-8 ป โฟกัสมาที่การถายทอดองคความรูทางดานเทคโนโลยีชีวภาพขาวมายังประเทศตางๆ



Tool of Rice Biotechnology

First cereal regenerate from protoplast

First cereal transformed via protoplast, particle gun and Agrobacterium-based methods

Molecular genetic map of rice (McCouch et al 1988)



Molecular plant pathology (Xa21)

1977 O. longistaminata ถิ่นกําเนิดมาจาก Mali, Africa พบมีความตานทานอยางกวางขวางตอ BLB

1990 Xa21 locus RFLP mapped (Ronald et al 1992)

1992-95 Map-based cloning via BAC (Wang et al 1995)

1995 Patent field and evaluation

1997 Xa21 pyramided with other Xa R gene via PCR based MAS (Huang et al 1997, Reddy et al 1997)

1998 Xa21 transformed into elite rice varieties

2000 Commercial hybrid restorer line with Xa21



Molecular plant pathology (Pi gene)Blast resistance gene


Avirulence genes in the rice blast fungus

Gene Corresponding rice cultivar

5183POS1Sha-tiao-tsaoPOS2K59POS3KinandongPOS4

M201AVR-M201* CO39AV1-CO39* ( ) YashiromochiAVR-Pita Avr-YM

MaratelliAVR-MARATuyuakeAVR-TSUYMinehikariAVR-MINECICA6AVR-CICA6Med NoÏAVR-MedNoKu86AVR-Ku86

* Irat7ACE1Pi No.4AVR-PiNo4

KatyP11, P12, S11, A12KusabueAVR-KB

( ) K59AVR-Pit Avr-K59( ) Ishikarishiroke, Shin 2AVR-Pik-s Avr-S2

Kanto 51AVR-Pik( TsuyuakeAVR-Pik-m Avr-TA)

FukunishikiAVR-PizToride 1AVR-Piz-tShin 2AVR-PishIshikarishirokeAVR-PiiAichiasahiAVR-PiaHattan3AVR-Hattan3BL1AVR-PibChubu 32AVR-Pi34

* Cloned gene.


Gene Rice cultivar/line Chromosome

Shin 2 1PishAichi-asahi 11PiaIshikarishiroke 9PiiKusabue 11PikHR-22 11Pik-pTsuyuake 11Pik-mPi No.1 12* Pita (Pi4a(t))Pi No.4 12Pita-2Fukunishiki 6PizToride 1 6Piz-tTjina 2* PibTjahaja 1PitShin 2 11Pik-sHR 22 11Pik-hGA20 11Pik-gTeqing 6Pitq1Lemont 11Pib2Teqing 2Pitq5Teqing 12Pitq6LAC23 11Pi15173 6Pi2(t) (Piz-5)Pai-kan-tao 9Pi3Moroberekan 9Pi5Apura 12Pi6

* Cloned gene.

Gene Rice cultivar/line Chromosome

Moroberekan 11Pi7Kathalath 6Pi8

6Pi9 Oryza minutaTongil 5Pi10Zhaiyeqing 8Pi11(t) (Pizh)Hong-jiao-zhan 12Pi12Mauwangu 6Pi13(t)Mauwangu 2Pi14(t)GA25 9Pi15(t)Aus 373 2Pi16DJ123 7Pi17(t)Suweon365 11Pi18Aichiasahi 12Pi19IR24 12Pi20CO39 11PiCO39(t)Zhong 156 12Pi24(t)Gumei 2 6Pi25(t)Yunxi 2 1Pi25(t)Q14 1Pi27(t)IR64 8Pi33Q61 8Pi36(t)St No.1 1Pi37(t)

11Pi44(t) Moroberekan(RIL276)Digu 2PiD1(t)Digu 6PiD2(t)


Defense response (DR) genes

(Liu, B. et al., 2004)



Abiotic stresses-flood and drought

Flood/submergence torelance research

Collaborative networking: Australia, Bangladesh, India, Japan, Philippines, Thailand and USA

Gene isolation, Characterization, QTL identification, MAS



Abiotic stresses-flood and drought

Drought tolerance research received high priority

Molecular marker tagging for drought tolerance

Root system , osmotic adjusment of tissue, transgenics with increasing levels of stress-inducible promoter and gene



ป คศ. 1991 ไดตั้ง Rice Genome Research Program ขึ้นที่เมือง Tsukuba ประเทศญี่ปุน

สรางแผนทีพ่ันธุกรรมขาว

การเตรยีม BAC (Bacterial artificial chromosome),

YAC (Yeast artificial chromosome) และ PAC (P1-derive artificial chromosome) libraries

การสรางแผนที่พันธุกรรม Physical map

MAS



Vector Host Insert size

Lamda phage E. coli 5 – 25 kb

Lamda cosmids E. coli 35 – 45 kb

P1 phage E. coli 0 – 100 kb

PACs E. coli 100 – 300 kb

BACs E. coli < 300 kb

YACs S. cerevisiae 200 – 2000 kb



ป คศ. 1997 Rice Genome Research Program นี ้ไดพัฒนาขึ้นเปน Rice Genome Sequencing Project

ป คศ. 1998 International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP)

มีสมาชิก 10 ประเทศ 15 หองปฏิบัติการ



ป คศ. 1998 International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP)

Chr1 ประเทศญี่ปุน และเกาหลี

Chr2 ประเทศอังกฤษ

Chr3 ประเทศสหรัฐอเมริกา

Chr4 ประเทศจีน

Chr5 ประเทศไตหวัน

Chr 6, 7, 8 ประเทศญี่ปุน

Chr9 ประเทศไทย และแคนาดา

Chr10 ประเทศสหรัฐอเมริกา

Chr11 ประเทศสหรัฐอเมริกา และอินเดีย

Chr12 ประเทศฝรั่งเศส และบราซิล



PAC/BAC contig (สีเขยีวดานขวา) และ Physical gap ลูกศรชี้บริเวณ Centromere และ genetic distance (cM)



Genome size 487 Mb

57,939 coding genes

68,682 gene transcripts

Clone 3,522 sequences

SNP array technology 160,000 SNPs


ป คศ. 2000 บริษทัมอนซานโต และบริษทัซนิเจนตา ไดรวมโครงการ IRGSP และมอบ sequencing data of genome

มี PAC library 70,000 clone สามารถหาลําดบัเบสไดประมาณ 112 kb

มี BAC library จํานวน 105,000 STC (Sequence-tagged connector) ซึ่งรับผิดชอบโดยมหาวิทยาลัย Clemson และ

อีก 55,000 STC จาก IRGSP



ป คศ. 2001 หาลําดับเบสของจีโนมได 42 Mb ไดประมาณ 10 %

ป คศ. 2005 หาลําดับเบสได 370 Mb ซึ่งเทากับ 95 %

ป คศ. 2008 ดําเนินการไดสําเร็จ



37,544 ชิน้ (non-transpoable-element-related protein-coding sequences)

ในชิน้สวนดเีอ็นเอนี้เทยีบเคียงหรือเหมือนกับพืช Arabidopsis thaliana ไดประมาณ 71 %

ลําดับเบสที่ถอดรหัสไปเปนโปรตนีได 90 เปอรเซ็นต

ระยะหางของยนีที่พบ 9.9 kb/gene และพบยนีจํานวน 57,939 ยนี



การใชวิธี Gene knockout เพื่อที่จะหาหนาทีก่ารทาํงานของยนีที่สัมพันธกับลักษณะที่แสดงใหเห็น

พบ 3,243 ยีน ซึ่งมาจากการตรวจพิสูจน 11,487 Tos17 retrotransposon insertion site

จีโนมขาวประกอบไปดวย 80,127 polymorphic site ระหวางขาว Indica และ Japonica

SNP (single nucleotide polymorphism) พบในความถี่ 0.53 – 0.78 % (20 เทา Arabidobsis)





เครื่องมือที่ชวยในการศึกษา Functional genomic

AC-DS Maize transposable elements

Retrotransposons

Miniature Inverted Repeat Transposable Elements (MITEs)

T-DNA insertions



ขาวที่กลายพันธุในตาํแหนง T-DNA-tagged insertionจํานวน 30,000 สายพันธุ พบวามี 42,000 T-DNA inserts

• ขาวที่กลายพันธุในตาํแหนง Tos17 retrotransposoninsertion ของสายพนัธุขาวจํานวน 30,000 สายพันธุ พบวามี Tos17s อยูจํานวนมากกวา 250,000 และพบมากวา 40,000 Tos17s deletions

Bioinfomatics


การใชประโยชนจากขอมูลจีโนมขาวสาธารณะ

โมเลกุลเครื่องหมาย

คนหายีนที่สนใจ

การโคลนยีน

Bioinfomatics

Rice genome database

ESTs

Genetic markers

Morphological

Molecular

Large-insert clones

YACs/PACs/BACs

Genome sequence

Genes

Gene structures

Protein sequence etc

Expression profile

Tissue/organ

Cellular/development processes

Environment response

Biochemical pathway

Plant improvement

Conventional methods

Transformation

Comparative approaches

Phylogeny

Homology

VariationPhenotype Germplasm


Bioinfomatic


การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพัน

จีโนมข้าว (rice...

Documents