การปรับปรงุพันธุขาวโดยใชการปรับปรงุพันธุขาวโดยใชเครื่องหมายโมเลกุลเครื่องหมายโมเลกุล

จิรพงศจิรพงศ ใจรินทรใจรินทรศูนยวิจยัขาวอบุลราชธานีศูนยวิจยัขาวอบุลราชธานี

สัมมนาเชิงปฎบิัตกิารสัมมนาเชิงปฎบิัตกิาร การใชเครือ่งหมายโมเลกุลเพื่องานปรบัปรงุพันธุขาวการใชเครือ่งหมายโมเลกุลเพื่องานปรบัปรงุพันธุขาว 99--1212 เมษายนเมษายน 25562556

MMarkerarker--AAssisted ssisted SSelection election for Rice Improvementfor Rice Improvement

Marker-Assisted SelectionMarker-Aided SelectionMarker-Assisted BackcrossingMarker-Assisted PyramidingMarker-Assisted Breeding

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

ชิ้นสวนดีเอ็นเอสายสั้นๆ (18-25 bp) ที่ลําดับเบสสามารถเขาคูกับชวงใดชวงหนึ่งบนสายดีเอ็นเอ ทําใหระบุตําแหนงบนโครโมโซมและสามารถแยกความแตกตางของสิ่งมีชีวิตเปาหมายได

What is DNA marker?What is DNA marker?

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

What is What is MASMAS??

การใชเครื่องหมายโมเลกุลที่มีตําแหนงอยูการใชเครื่องหมายโมเลกุลที่มีตําแหนงอยู

ใกลกับยีนหรืออยูภายในยีนเปาหมายบนใกลกับยีนหรืออยูภายในยีนเปาหมายบน

โครโมโซมโครโมโซม มาคัดเลือกลักษณะที่ตองการมาคัดเลือกลักษณะที่ตองการ

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Why MAS?ลดระยะเวลาและคาใชจายการผนวกยีนคดัเลือกไดในระยะเริ่มตนคดัเลือกไดครั้งละหลายลักษณะ

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

MASMAS มบีทบาทในงานปรับปรุงพันธุขาวมากขึ้นมบีทบาทในงานปรับปรุงพันธุขาวมากขึ้น

MAS

The universe of rice breeding

MAS

The universe of rice breeding

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

เครื่องหมายดีเอ็นเอแยกความแตกตางไดอยางไร?

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Sakthivel et al., 2009/Mol Breeding

č ĿŞİ őźŠŰŀďĚĹ· č ĿŞİ őźŠŰŀďţ · ůĚĹ·

Myint et al., 2012/TAG

พันธุขาวหอม

พันธุขาวไมหอม

เครื่องหมายดีเอ็นเอแยกความแตกตางไดอยางไร?

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

การกลายพันธุของยีนควบคุมความสูงของขาว (Sd-1) โดยม ี383 bp หายไป ทําใหขาวตนสูงกลายพันธุเปนขาวตนเตี้ย

Division of Plant Genomics, Nagoya Uni.

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

NNNNNNNNNNNATATATATATATATATATANNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNNATATATATATATATANNNNNNNNNNN

SSRs123456789

*

1 2 3 4 5 6 7 8 9

เครื่องหมายดีเอ็นเอแยกความแตกตางไดอยางไร?

*

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

DNA marker typesEST Expressed Sequence TagSNP Single Nucleotide PolymorphismSSCP Single Strand Conformation PolymorphismInDel Insertions and DeletionILP Intron Length PolymorphismRFLP Restriction Fragment Length PolymorphismSCAR Sequence Characterized Amplified RegionSSR Simple Sequence RepeatSTS Sequence Tagged SiteRAPD Random Amplified Polymorphic DNAAFLP Amplified Fragment Length PolymorphismISSR Inter-simple Sequence Repeat

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Which marker?Which marker?Purpose (tagging, mapping, diversity)Purpose (tagging, mapping, diversity)AbundanceAbundanceLevel of polymorphismLevel of polymorphismCoCo--dominance/dominancedominance/dominanceReproducibilityReproducibilityLabor intensity, safety and Technical Labor intensity, safety and Technical demanddemandCostsCosts

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

PolymorphicReproducibleEasy to use and economicalHigh-throughput genotyping

เครื่องหมายดีเอ็นเอที่ดี

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

SSRSNPPerfect marker

เครื่องหมายดีเอ็นเอที่นิยมใชกันในปจจุบัน

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

การใชเครื่องหมายโมเลกลุการในการใชเครื่องหมายโมเลกลุการในการปรับปรุงพนัธุขาวการปรับปรุงพนัธุขาว

How many genes influence the traits?How many genes influence the traits?

Where are they in the genome?Where are they in the genome?

Are the contributions of the genes equal?Are the contributions of the genes equal?

How do alleles at different loci interact?How do alleles at different loci interact?

What is the genetic and environmental What is the genetic and environmental contribution to the phenotype?contribution to the phenotype?

“Genetic linkage map”การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

MarkerAssistedBackcrossing

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

n = number of backcrosses

2n+1 - 1

2n+1

Backcross strategyGeneration Recurrent parent

genome (%)BC1 75.0BC2 87.5BC3 93.8BC4 96.9BC5 98.4BC6 99.2

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

MABMABForeground selection

Background selection

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Foreground selection

• Selection for target gene or QTL

• Useful for traits that are difficult to evaluate

• Also useful for recessive genes

1 2 3 4

Target locus

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Background selection

• Use unlinked markers• Accelerates the recovery of

the recurrent parent genome• Savings of 2, 3 or even 4

backcross generations may be possible

1 2 3 4

the average percentage of the recurrent parent is 75% for BC1, some individual plants possess more or less RP than others

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

BC2

MARKER-ASSISTED

BACKCROSSING

P1 x F1

P1 x P2

BC1

P1 x F1

P1 x P2

CONVENTIONAL

BACKCROSSING

BC1

BC2 การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

NIL

RIL

F2Huang et al., 2013

Parent 1

Parent 2

heterozygous

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Time savingRapid recovery of recurrent genome via MAS

Rapid recovery of recombinants via MASการใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Conventional backcrossing

Marker-assisted backcrossing

F1 BC1

c

BC2

c

BC3 BC10 BC20

F1

c

BC1 BC2

TARGET GENE

TARGET GENE

Ribaut et al 1998/Trends Plant Sci.

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Donor/F1 BC1

c

BC3 BC10

TARGET LOCUS

RECURRENT PARENT CHROMOSOME

DONOR CHROMOSOME

Target gene

LIN

KED

DO

NO

R

GEN

ES

• donor chromosome remain even after many backcrosses• donor genes negatively affect agronomic traits

Linkage drag

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

×MAS few genes are transferred

Desired gene

×Traditional plant breeding

Donor New varietyRecurrent parent

many genes are transferred

Desired gene

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Pyramiding multiple genes or traits

Bph15-RG1, RG2

Bph3, RM589

QTL12-RM6410

Bph14-RM514, RM570

3 4 6 8 10 12

QTL6-RM50

QTL10-RM216

Waxy-RM190

Gel

Blast, sub, BPH Resistance & Cooking Quality

AromaBlast

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

MAS Case Study

Marker-assisted backcrossing for BPH resistance

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

KDML105

Chalkiness

High amylose content

Red pericarpawn

Short grain

RATHU

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Resistance SusceptibleX

F2

SSR

Resistant Susceptible

Resistance gene

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Detection of Brown PlanthopperResistance Gene on Chr 6

RM3353

RM589RM586

RM190

RM204

4.6

0.8

0.2

4.3RM8101

0.1

0.6RM588

Rathu Heenati × KDML105Chromosome 6

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Scheme for the development of BPH resistance introgression lines

MAS

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

aroma

RM342

F05_103.0

10L.03_FW

B03_127.8

CP04133

E11_445E03_92.0

1.4

0.80.30.80.3

0.2

RM342

F05_103.0

10L.03_FW

B03_127.8

CP04133

E11_445E03_92.0

1.4

0.80.30.80.3

0.2

Chromosome 8

MAS for cooking qualityChromosome 6

RM469

RM589RM586RM588RM6263

RM587RM510

RM204

RM115

RM50

GT11

4.6

0.91.23.22.72.0

3.2

7.3

14.6

8.9

RM469

RM589RM586RM588RM6263

RM587RM510

RM204

RM115

RM50

GT11

4.6

0.91.23.22.72.0

3.2

7.3

14.6

8.9

RM469

RM589RM586RM588RM6263

RM587RM510

RM204

RM115

RM50

GT11

RM469

RM589RM586RM588RM6263

RM587RM510

RM204

RM115

RM50

GT11

4.6

0.91.23.22.72.0

3.2

7.3

14.6

8.9

Wx

Gel Temp

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Chromosome 6

RM469

RM589RM586RM588RM6263

RM587RM510

RM204

RM115

RM50

GT11

4.6

0.91.23.22.72.0

3.2

7.3

14.6

8.9

RM469

RM589RM586RM588RM6263

RM587RM510

RM204

RM115

RM50

GT11

4.6

0.91.23.22.72.0

3.2

7.3

14.6

8.9

RM469

RM589RM586RM588RM6263

RM587RM510

RM204

RM115

RM50

GT11

RM469

RM589RM586RM588RM6263

RM587RM510

RM204

RM115

RM50

GT11

4.6

0.91.23.22.72.0

3.2

7.3

14.6

8.9

Bph3

Wx-Amylose

UB

N03

078-

81-1

86

UB

N03

078-

80-3

54

UB

N03

078-

81-1

4

RT/KDML BC3F2

Rathu HeenatiKDML105

~ 3 cM

UB

N03

078-

80-3

54-1

UB

N03

078-

80-3

54-1

5

Linkage drag

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Chromosome location of the gene derived from Rathu, Bph3, conferring resistance to the BPH

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Breaking down the linkage between Bph3 and Wxa

One BC3F2 were selected to generate BC3F3 --- BC3F6

2,343 BC3F2 plants were screened for BPH resistance

200 resistant BC3F2 plants were selected

RM589 and RM190 were used to selected

GT11 and B03 were used to selected

Bph3Wxa

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Linkage Drag

Genetic dissection of a target brown planthopperresistance Bph3 allele and unfavorable Wxa allele

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

KDML105

Chalkiness

High amylose content

Red pericarpawn

Short grain

RATHU

KDML+Bph3

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

Next generation high-throughput DNA sequencing technologies

New era of rice genomics

Resequencing rice genomes

Genome-wide association study (GWAS)

A large-scale gene discoveryการใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

GWAS: the analysis of statistical associations between common genetic variants and phenotypes on the whole genome scale, usually in populations of diverse individuals within an organism.

Sequencing-based genotyping will replace the conventional marker-based genotyping approach to provide a large-scale gene discovery.

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

RICE2020IRFGP has been proposed to complete determining the function of every gene in the rice by the year 2020.

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว

High yieldingHigh yieldingFragranceFragranceQualitiesQualities

Gn1a, DEP1 Gn1a, DEP1 Grain numberGrain numberGS3, GW2, qSW5/GW5, GIF1 GS3, GW2, qSW5/GW5, GIF1 SpikeletSpikelet number /1000number /1000--grain weightgrain weightMOC1, LA1, Prog1, IPA1,WFP MOC1, LA1, Prog1, IPA1,WFP Plant architecture traitsPlant architecture traits18 18 SSRGsSSRGs Taste and cooking propertiesTaste and cooking propertiesBadh2Badh2 FragranceFragranceqRL6.1qRL6.1 Root lengthRoot length

ขาวหอมผลผลิตสงูขาวหอมผลผลิตสงู

การใช้เครื่องหมายโมเลกุลเพือ่การปรับปรุงพันธุ์ข้าว