จีโนมขาว (Rice Genome)
พูนศกัดิ์ เมฆวฒันากาญจน
สํานักวจิยัและพัฒนาขาว
จีโนมขาว (Rice Genome)
วิวัฒนาการของขาว (Evolution of rice)
การจัดหมวดหมูและโครงสรางของจีโนม
(Organization and structure of genome)
การวิเคราะหจีโนม (Genome analysis)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
จีโนมขาว (Rice Genome)
International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP)
โครงสรางของจีโนมขาว (Structural
genomics)
หนาที่ของจีโนม (Functional genomics)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
วิวัฒนาการของขาว (Evolution of rice)
วิวัฒนาการของขาวปลูกมาจากขาวสองชนิดคือ
Oryza sativa L.
O. glaberrima Steud.
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
วิวัฒนาการของขาว (Evolution of rice)
ขาวปาจําแนกได 5 ชนิดคือ
O. rufipogon (sensu lato)
O. longistaminata Chev. Et Roehr.
O. barthii A. Chev.
O. glumaepatula Steud.
O. meridionalis Ng.
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
วิวัฒนาการของขาว (Evolution of rice)
ขาวปา O. rufipogon เปนบรรพบุรุษของขาวปลูก O. sativa
ขาวปา O. barthii เปนบรรพบุรุษของขาวอัฟริกา O. glaberrima
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
วิวัฒนาการของขาว (Evolution of rice)
Wild(O. rufipogon)
Geographical differentiation
Perenial Annual
Weedy type
Japonica Indica
Cultivated(O. sativa)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
วิวัฒนาการของขาว (Evolution of rice)
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
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
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
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
วิวัฒนาการของขาว (Evolution of rice)
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
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
วิวัฒนาการของขาว (Evolution of rice)
longistaminataeichingeri
brachyantha
perrieri
ridleyi
meyeriana
Schlechteri
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
ความหมาย
โครโมโซมหรือ ดีเอ็นเอของขาวทั้งหมดที่มี
ในชุดหนึง่ๆ ซึ่งมีความจําเพาะของขาวในแต
ละชนิด ประกอบไปดวยโครโมโซมจํานวน
12 ชุด
จีโนมขาว (Rice Genome)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
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
การวิเคราะหจีโนม (Genome analysis)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
การวิเคราะหจีโนม (Genome analysis)
ป 1990 Second International Rice Genetics Symposium ไดใหเลขชือ่โครโมโซมและ linkage group
Singh et al (1996) ไดสรางแผนที่ linkage ของขาว
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
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)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
ความรวมมืองานวิจัยขาวระหวางประเทศ (International collaboration on rice research)
จดหมายขาวเลมแรกไดเสนอกฎระเบียบการตั้งชื่อยีนในขาวโดย Dr. H.I. Oka และ G.S. Khush
การจัดประชุมพันธุศาสตรขาวนานาชาติครั้งแรกเมื่อป คศ. 1985 (International Rice Genetics Symposium) ซึ่งไดจัดประชุมที่สถาบันวิจัยขาวนานาชาติ ผลของการประชุมไดตั้ง Rice GeneticsCooperative (RGC)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
ความรวมมืองานวิจัยขาวระหวางประเทศ (International collaboration on rice research)
ป คศ.1985 International Program on Rice Biotechnology โดยมูลนิธิรอคกี้เฟลเลอร
ชวงแรก 5-7 ป สนับสนนุงานวิจัยพื้นฐานทางดานเทคโนโลยชีีวภาพขาว
ชวงที่สอง 7-8 ป โฟกัสมาที่การถายทอดองคความรูทางดานเทคโนโลยีชีวภาพขาวมายังประเทศตางๆ
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
ความรวมมืองานวิจัยขาวระหวางประเทศ (International collaboration on rice research)
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)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
ความรวมมืองานวิจัยขาวระหวางประเทศ (International collaboration on rice research)
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
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
ความรวมมืองานวิจัยขาวระหวางประเทศ (International collaboration on rice research)
Molecular plant pathology (Pi gene)Blast resistance gene
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
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.
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
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)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
Defense response (DR) genes
(Liu, B. et al., 2004)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
ความรวมมืองานวิจัยขาวระหวางประเทศ (International collaboration on rice research)
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
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
ความรวมมืองานวิจัยขาวระหวางประเทศ (International collaboration on rice research)
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
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
ความรวมมืองานวิจัยขาวระหวางประเทศ (International collaboration on rice research)
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
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
ความรวมมืองานวิจัยขาวระหวางประเทศ (International collaboration on rice research)
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
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
ความรวมมืองานวิจัยขาวระหวางประเทศ (International collaboration on rice research)
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
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP)
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
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP)
PAC/BAC contig (สีเขยีวดานขวา) และ Physical gap ลูกศรชี้บริเวณ Centromere และ genetic distance (cM)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP)
Genome size 487 Mb
57,939 coding genes
68,682 gene transcripts
Clone 3,522 sequences
SNP array technology 160,000 SNPs
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
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
International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
ป คศ. 2001 หาลําดับเบสของจีโนมได 42 Mb ไดประมาณ 10 %
ป คศ. 2005 หาลําดับเบสได 370 Mb ซึ่งเทากับ 95 %
ป คศ. 2008 ดําเนินการไดสําเร็จ
International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
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
International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
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)
International Rice Genome Sequencing Project (IRGSP)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
หนาที่ของจีโนม (Functional genomics)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
เครื่องมือที่ชวยในการศึกษา Functional genomic
AC-DS Maize transposable elements
Retrotransposons
Miniature Inverted Repeat Transposable Elements (MITEs)
T-DNA insertions
หนาที่ของจีโนม (Functional genomics)
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
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
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
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
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
Bioinfomatic
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพัน
การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว