Embed Size (px)
Citation preview
Jao Hom Nin
Current Status of Rice Molecular Breeding
Two Approaches one Solution
Transgenic approach• Genetically-by-design• Completely dominant expression• Genetic background untouched• Biosafety required• Consumers’ acceptance problem• Limited numbers of genes• Impossible with QTL
Non-transgenic approach• Breeding-by-design not easy• Quanlitative and Quantitative loci• Consumers’ acceptance• Genetic background affected
Grand Challenges: Pyramiding All Needs
• Rice for good health,• Rice for value chain creation• Rice for low production cost and gain price,• Environmentally‐friendly rice to restore ecosystem services• Rice for biofuel
Target Traits
Varietal Development‐Marker‐assisted selection ‐ Gene‐pyramiding ‐ Genomic Selection ‐ Hybrid
Functional Discovery‐ QTL mapping/positional cloning ‐ Association analysis (GWAS)‐ High throughput Genotyping‐ Genotype‐by‐sequencing (GBS)‐ Functional markers (FM)‐ Genome editing
Advance Donors
Next Generation SeqGenome databaseMetabolomicsPhenomics
Functional markers
Phenotyping
Natural germplasm
Mutagenized popn
Next Generation SeqGenome databaseMetabolomicsPhenomics
Next Generation SeqGenome databaseMetabolomicsPhenomics
Next Generation SeqGenome databaseMetabolomicsPhenomics
Plant Breeding at fast track1. Selection with high precision and intensive
2. Shortening breeding cycles
3. Dealing with linkage drag
4. Maintaining genetic background
5. Finding innovative sources of genetic variation
Designing Effective Molecular Breeding Program
• Finding good donor of the target QTLs• Molecular mapping by QTL analysis, QTL Sequencing or Association• Selecting the most favorite recipient based on productivity• Linking with low cost, high throughput genotyping and phenotyping facilities
• Using the most efficient Breeding methodology• Advance donor development project
Mapping of Genes/QTLs
7
8
iginalait onor
ปี2502
2536
2538
2547
2550
2552
2553
2555
Sub1
ผสมข้ามพันธุ์KDML105 x IR57514-
PMI-5-B-1-2
ได้พันธุ์ให้ทนน้ําท่วมฉับพลัน (หอมชลสิทธิ์)
HiAC-Bph
พันธุ์รับรอง”ชัยนาท1”
ผสมข้ามพันธุ์ชัยนาท-ราตู x ชัยนาม-อาบายา
ได้พันธุ์ให้ต้านทานเพลี้ยฯ
(ชัยนาท1รวมยีนเพลี้ยฯ)
LowAC Bph
รับรองพันธุ์”ขาวดอกมะลิ105”
ได้พันธุ์ให้ทนน้ําท่วมฉับพลัน,
ต้านทานเพลี้ยฯ, ทนโรคขอบใบแห้ง (หอมมะลิ83)
ได้พันธุ์ให้ต้านทานเพลี้ยฯ (ขาวดอกมะลิ105-BPH)
Advance Trait Donor Development ProgramBLB
IR1188 (Xa21)
พันธุ์ปิ่นเกษตร1
ได้พันธุ์ให้ทนโรคขอบใบแห้ง (ปิ่นเกษตร1รวมยีน XA)
F2: Shortest pyramiding cycle
Numbers of segregating plants required for identifying at least one plant that contains all target genes or markers in the next generation are exponentially increase with increasing target traits:
= (1/4)n n = # target locino background selection
Streamline Pyramiding Backcross Breeding
• If budget is allowed, using F2 is the quickest way to accomplish the pyramiding
•Significance of genetic background conservation for Essentially Derived Variety
•Advanced development of target QTL donors•Control of the recipient background •Backcrossing vs Pseudo‐backcrossing
Selection with high precision
•Target Selection1.1 Functional markers vs flanking markers;
SNP vs SSR 1.2 Reduction of Linkage drag
•Background Selection = SSR vs SNP
แนวทาง Essentially derived line
กรมการข้าว, กระทรวงกระเกษตร
หน่วยปฎบิัตกิารค้นหาและใช้ประโยชน์ยีนข้าวม กระทรวงวทิย์ฯ
ศูนย์วทิยาศาสตร์ข้าว, ม.เกษตร, กระทรวงศึกษาฯ
ขาวดอกมะล ิ1052502
หอมมะล ิ๘๓
นํา้ท่วม + ทนเพลีย้กระโดด Q12 + ขอบใบแห้ง Xa212550
สถานภาพการปรับปรุงพนัธุ์ข้าวหอมมะลิไทย
หอมมะล ิ๘๐
ทนนํา้ท่วมฉับพลนั
หอมมะล ิ๘๑๑
ทนแพลีย้กระโดดสีนํา้ตาล
หอมมะล ิ๘๑๒
ทนขอบใบแห้ง ( Xa21 +Q11)2546
(BIOTEC :Molecular-aided
backcross breeding for Improvement
of KDML105)
หอมมะล ิ๘๑๓
ทนเคม็(BIOTEC:Rainfed
Lowland Rice :PhaseII)
อาบรังสี
แกมม่าเรย์
กข 6
ข้าวเหนียวหอม
(2520)กข 15
ข้าวหอมมะลไิทย
(2521)กข 33 (หอมอุบล)
ทนโรคไหม้คอรวง
(2550)
ขาวดอกมะล1ิ05
ทนโรคไหม้คอรวง
(ศูนย์วจิัยข้าวอุบล)
2548
(BIOTEC:Rice Molecular
Breeding-Gene Pyramiding) หอมมะล ิ๘๒๑
ทนนํา้ท่วมฉับพลนั
ทนเพลีย้กระโดดสีนํา้ตาล(Q12)
หอมมะล ิ๘๒๒
ทนนํา้ท่วมฉับพลนั
ทนขอบใบแห้ง ( Xa21 )
2556
(ARDA:Development of Aromatic
Rice Variety for Competitiveness in
Global Market)
หอมมะล ิ๘๔
ทนนํา้ท่วม + ทนเพลีย้กระโดด + ขอบใบแห้ง + ไหม้คอรวง
Q12,Q4, Bph3 Xa5, Xa21 Q1,Q11
หอมมะล ิ๘๑๔
ทนแล้ง (BIOTEC:Single QTL for DT)
2560หอมมะล ิ๘๕-๖
ทนนํา้ท่วม + ทนเพลีย้กระโดด (Q12,Q4, Bph3) + ขอบใบแห้ง
(Xa5, Xa21 ) + ทนโรคไหม้ (Q1, Q11)
ทนเคม็+ทนแล้ง ข้าวทีเ่ป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม
หอมมะลผิลผลติสูง ๘๕-๖ทนนํา้ท่วม + ทนเพลีย้กระโดด (Q12,Q4, Bph3) + ขอบใบแห้ง
(Xa5, Xa21 ) + ทนโรคไหม้ (Q1, Q11)
(ผสมเข้าหาปิ่นเกษตร+4)
กข 51หอมมะล ิ๘๐
ทนนํา้ท่วมฉับพลนั
KD‐ Pluslll KD‐Rathu RD6‐Blast KD‐BLB× ×
SNP‐MAS SNP‐MAS
F1 F1×
F2 F2
SNP‐MASSNP‐MAS
×
F1 F3
SNP‐MAS
×
BackcrossBC1F1
SNP‐MAS
Planting 2,366 seedsSelected 2 lines
Planting 2,880 seedsSelected 26 lines
Planting 1,056 seedsSelected 70 lines
BC1F2Planting 9,216 seedsSelected 2 lines
Planting 13 seedsSelected 13 lines
Planting 122 seedsSelected 17 lines
Planting 616 seedsSelected 58 line
Planting 157 seedsSelected 33 line
BC1F2
BC1F34 Selected line
EDV (1) EDV (2) EDV (3) EDV (4)
Sub+BLB (Xa21) Bph3+ TPS4 BlastQ1, Q11 BLB (xa5,Xa21)Single EDVBy BC
Genotypebuilding
Fixing
2003‐7
2008
2009
2010
2011
2013
2012
Breeding Scheme for HM 84 (KD+4)
×
×
×
×
กระทรวงกระเกษตร
การค้นหาและใช้ประโยชน์ยีนข้าวม กระทรวงวทิย์ฯ
สตร์ข้าว, ม.เกษตร, กระทรวงศึกษาฯ
RD6 x JHN2004 (2547)
2010 (2553)
2012 (2555)
2015 (2558)
2016 (2559)
Thunyasirin & RD18 qBL1+11
RD6 Short qBL11+Xa5
RD6 Short qBl11 +
Xa5Xa21Xa33
RD6 q(BL1,2,5,11,12) HM๘๑๒ Sub1+Xa21 RD6 qBL11 + gST1,16
RD6 Sub1 qBL1+11+ Xa21
2005 (2548)
2007 (2550)
HM๘๑๓ qST19,16
Pink XA
HM๘๒๒(KD+Sub1+Xa21
Xa21Xa5Xa33
กรมการข้าว, กระทรวง
หน่วยปฎบิัตกิารค้นหาและใช้ประโยชน์ยีนข้าวม กระ
ศูนย์วทิยาศาสตร์ข้าว, ม.เกษตร, กระท
• Apply to other breeding programs
“Marker assisted development of Thai irrigated rice varieties”
• Development of high throughput platform for foreground and background selection
RD47PYBB-34
RD47 BC1F1
BC1F1
Pyramiding Project for Irrigated Rice
กรมการข้าว, กระทรวงกระเก
หน่วยปฎบิัตกิารค้นหาและใช้ประโยชน์ยีนข้าวม กระทรวง ิ
ศูนย์วทิยาศาสตร์ข้าว, ม.เกษตร, กระทรวงศึ
การพัฒนาพันธุ์ข้าวชัยนาท1
ให้ทนต่อน้ําท่วมฉับพลัน ต้านทานต่อเพลี้ยกระโดดสีน้ําตาล และโรคขอบใบแห้ง
x
F1 x
BC1F1
2556
2557
x
BC2F1 x
หอมชลสิทธิ์ x
F1
F2
22 ต้น
BC3F1
ชัยนาท1รวมยีนเพลี้ยฯ ปิ่นเกษตร1รวยีน XA
ชุดการผสมที่ 1 ชุดการผสมที่ 2
56 ต้น
34 ต้น1 ต้น
12 ต้นx
35 ต้น
BC2F1
17 ต้น
BC1F2
BC1F1 x
77 ต้น
BC1F2
34 ต้น
x
BC3F1BC3F2x
PY-F1
2558
BC3F2 34 ต้น
44 ต้น20 ต้น
F334 ต้น
39 ต้นBC1F359 ต้น
8 ต้น
F222 ต้น F3
46 ต้น
BC1F351 ต้น
BC2F2
139 ต้นBC2F3
1 ต้น
F49 ต้น
BC1F4
1 ต้น
BC4F138 ต้น
x
2559 PY-F2 34 ต้น
F412 ต้น
ชัยนาท1รวมยีนเพลี้ยฯ
ชัยนาท1รวมยีนเพลี้ยฯ
ชัยนาท1รวมยีนเพลี้ยฯ
ชัยนาท1รวมยีนเพลี้ยฯ
ชัยนาท1
ชัยนาท1
ชัยนาท1
ชัยนาท1
กรมการข้าว, กระทรวง
หน่วยปฎบิัตกิารค้นหาและใช้ประโยชน์ยีนข้าวม กระ
ศูนย์วทิยาศาสตร์ข้าว, ม.เกษตร, กระท
2547
2555
2558
2560
RCPPT1, CN, SR, RD47
Pin XaDonor1
BC1F1
BC3F1
Pyramiding‐F1
BC1F1
BC3F1
Pseudo BC2F1
F1
HCS 50Donor2
CN Bph (2550)Donor3
Donor developmentPinK1
Xa21Xa5Xa33
RCPPT1, CN, SR, RD47
Irrigated RProgr
กรมการข้าว, กระทรวงกระ
หน่วยปฎบิัตกิารค้นหาและใช้ประโยชน์ยีนข้าวม กระทรวง
ศูนย์วทิยาศาสตร์ข้าว, ม.เกษตร, กระทรวงศึ
“Shorten the time for backcrossing”
Pseudo Marker-assisted Backcross Pyramiding (pMBP)
19
Pinkaset+4Desirable characters‐ Aromatic non‐glutinous rice‐ High yield (6,250 Kg/ha)‐ Non‐photosensitivity rice‐ High amylose (30%)‐ Low Rapidly Available Glucose
(RAG)‐ Low Glycemic Index (Choice of
carbohydrate rice for Diabetes)
Undesirable characters‐ Susceptible to dirty panicle, heat, cold, salinity, drought at flowering time
Breeding LoGi Rice for Climate-ready (PinK+)
กรมการข้าว, กระทรวงกระ
หน่วยปฎบิัตกิารค้นหาและใช้ประโยชน์ยีนข้าวม กระทรว
ศูนย์วทิยาศาสตร์ข้าว, ม.เกษตร, กระทรวง
แผนผงัการพฒันาพนัธุข์้าวปิ่นเกษตร+4
• 29 สายพนัธุ ์จาก 9 ครอบครวั ที่มี
ยีนเป้าหมายครบ
•เลือก 5 สายพนัธุ ์ที่มีความ
ต้านทานดีเด่น และมีค่าดชันี
นํ้าตาลในหลอดทดลองในเกณฑต์ํา่
สาํหรบัทดสอบ GI ในคน
PinK3
PinK+4
(#1E06)
22
PinK + 4#1E06 PinK +4#20A09
PinK + 4#66B09 PinK 3 (recurrent parent)
Selected PinK4 lines showing plant type and grain similar to PinK3
23
24PinK
3KD
+BB
HCS(lSub
)
RBPiQ
KD+B
ph1E_06
20A0
966B0
978A0
3117A
08
Top 5 lines of PinK4, donors and PinK3 evaluated for introgressed traits and yield performance
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Days
to Mu
turity
(d)
Days to Maturity
0
2
4
6
8
10
12
14
Tiller
s/plan
t
Number of Tillers per Plant
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Plant
heigh
t (cm)
Plant Height
0
50
100
150
200
250
300
350
Grain
s/Pan
icle (Seed)
Number of Grains/Panicle
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Spike
let Fe
rtility
(%)
Percent Spikelet Fertility
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
1,000
GW (g
)
1,000 Grain Weight
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
7000
8000
9000
10000
GY (kg/h
a)
Grain Yield
PinK
3KD
+BB
HCS(lSub
)
RBPiQ
KD+B
ph1E_06
20A0
966B0
978A0
3117A
08
PinK
3KD
+BB
HCS(lSub
)
RBPiQ
KD+B
ph1E_06
20A0
966B0
978A0
3117A
08
a a
c
a a
cbc
b
cc
cdcd
bc
d
aa a a
abcab
b
a
b
bb
a a a a a
d
c
b
a
c
a a aa a
f db
g
a
f fc
gc
aab bc bc
d
ab ab ab ab a
c
a abc bc bc
c c c c
f
cb
c
a
e
d d d
c
b
fd
g
a
efc
d d e
d d ca
bf e f f e
f
c
b
c
a
ef efde de cd
25
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
Brow
n Rice (%
)
Brown Rice
0
10
20
30
40
50
60
Head
Rice (%
)
Head Rice
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
3.5
4
GL/W
Grain Length‐Width Ratio (GL/W)
0.6
0.62
0.64
0.66
0.68
0.7
0.72
0.74
0.76
0.78
0.8
Polishe
d Rice Le
ngth (cm)
Polished Rice Length
0
5
10
15
20
25
30
35
Amylose Co
nten
t (%)
Amylose Content
0
1
2
3
4
5
6
7
8
ASV
Alkaline Spreading Value‐1.7% KOH
0
10
20
30
40
50
60
Cooking Elon
gatio
n (%
)
Cooking Elongation (%)
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90GI
Glycemic Index (GI )
Grain physical and chemical properties of top PinK4 lines, donors and PinK3
PinK
3KD
+BB
HCS(lSub
)
RBPiQ
KD+B
ph1E_06
20A0
966B0
978A0
3117A
08
PinK
3
KD+B
B
HCS(lSub
)
RBPiQ
KD+B
ph
1E_06
20A0
9
66B0
9
78A0
3
117A
08
cc
c
b
a
c cb b
c
b
c
b b
a
c c c c c
nsns ns ns ns
ns ns ns nsns
bcd bcdedef
ab
f
abccdef
a a
ef
c
b
a a a
c c c c c
c
b
a
b b
c c
a a
c
Maintainance of Genetic Background
• SSR‐based vs GBS‐based
• Densely, Evenly distribution of markers across the genome
• The most expensive part of MAS
Region% genome compositions of pseudo BILs
1E_06 20A09 35A10 36C04 66B09 78A03 90A08 104A03 117A08 Ave (%)Target gene/QTL 0.34 0.34 0.34 0.34 0.34 0.34 0.34 0.34 0.34 0.34Donorsegment link 11.41 1.22 9.97 10.38 4.09 5.6 4.04 9.00 4.48 6.69Heterozygous segment link 0.43 1.88 0.82 1.78 3.09 2.31 1.92 2.27 2.31 1.87Donor segment unlink 3.06 4.19 0.00 7.41 4.44 8.31 5.66 6.16 4.71 4.88Heterozygous segment unlink 0.98 1.37 2.01 2.01 0.00 0.98 0.00 0.98 0.98 1.03Donor segments on non-carrier chromosome (6ch)
0.00 9.78 6.82 1.72 4.53 5.06 9.77 3.33 4.21 5.03
Heterozygous segments on non-carrier chromosome (6ch)
3.33 1.06 2.72 1.86 5.37 2.84 2.34 3.24 1.67 2.71
Sum of donor segments (12 ch.)
19.54 19.835 22.665 25.495 21.86 25.435 24.06 25.31 18.69 22.54
Recurrent background (11 ch) 75.71 75.85 71.77 68.85 69.68 68.43 71.67 68.19 76.34 71.83%RGC 80.45 80.16 77.32 74.50 78.14 74.56 75.93 74.68 81.30 77.44%DGC 19.55 19.84 22.68 25.50 21.86 25.44 24.07 25.32 18.70 22.56
The percentage of genome compositions (average per line) of nine selected pseudo-BC3F3BILs.
SSR
es of Sequence Variation in
riction site sequence variationriction site associate sequence variation
riction Associated DNA (RAD) Seq
RAD Tags Isolation Genome PstI MspI
MspI PstI
PstI
PstI MspI
Reference Genome PstI MspI
MspI PstI
Contamination read
Filter both PstI-MspI
Filter only PstI
Re-mapping to reference genome
Re-mapping to reference genome
ag density plot on 12 rice chromosomes
Chr01 Chr02 Chr03 Chr04 Chr05 Chr06 Chr07 Chr08 Chr09 Chr10 Chr11 Chr12
จากการหาลาํดบัเบสของ 1,007 สายพนัธุ์ข้าว
ทาํการคัด read ที่มี restriction site ที่ ถูกต้องของ PstI
นําไปวางตาํแหน่งบน reference genome nipponbare
ระบุตาํแหน่ง restriction site วางตาํแหน่งบน reference genome nipp
การรวม overlapping ของ read โดยคาํนึงถงึทศิทางของ read พบ
817,282 ตาํแหน่ง “RADtags”
