สรุปงานวิจัย:

การระบุยีนที่เกี่ยวข้องกับความหวานในข้าวโพด (Zea mays L.)
โดย Genome-Wide Association Study (GWAS)
และการพัฒนาเครื่องหมาย SNP สำหรับข้าวโพดหวาน

ความหวานเป็นลักษณะที่สำคัญทางเศรษฐกิจสำหรับการปรับปรุงพันธุ์ข้าวโพดหวาน งานวิจัยนี้ทำการศึกษาความสัมพันธ์ทั่วทั้งจีโนม (GWAS) ประกอบด้วยข้าวโพดหวานและข้าวโพดข้าวเหนียว ทั้ง inbreeding และ Recombinant breeding lines (RILs) จำนวน 250 ตัวอย่าง ด้วยชุดของ Single-nucleotide polymorphism (SNP) array

Material and Methods

• ตัวอย่างข้าวโพดหวาน และข้าวโพดข้าวเหนียวทั้ง Inbreed และ Recombinant in breeding lines (RILs) 250 ตัวอย่าง (60 จากศูนย์วิจัยพืชไร่ชัยนาท 190 ศูนย์วิจัยปรับปรุงพันธุ์พืชเพื่อการเกษตรที่ยั่งยืน คณะเกษตรศาสตร์ มหาวิทยาลัยขอนแก่น) โดยมีการประเมินลักษณะของเมล็ด Kernel-Trait Evaluation (กระบวนการที่ใช้ในการตรวจสอบและวิเคราะห์ลักษณะหรือคุณสมบัติต่างๆ เช่น ความหวาน ความหนึบ หรือคุณภาพของโปรตีน)
• ทำ SNP Array Genotyping and Data Filtering โดยการสกัด DNA จากใบพืชอ่อน และ genotyped ด้วย Axiom® Maize 600k Genotyping Array โดย 10% เป้น missing data และ minor allele frequency (MAF) ที่ต่ำว่า 0.5 ถูกตัดออก ในสุดท้ายแล้วอยู่ที่ 159,201 SNPs เพื่อใช้ในการศึกษา genomewide association study (GWAS) for the ลักษณะของเมล็ด อีกด้านหนึ่ง SNPs ถูกนำไปศึกษา linkage disequilibrium (LD) รวมทั้งหมด 19,565 SNPs เพื่อศึกษาโครงสร้างประชากรด้วยโปรแกรม STRUCTURE
• Population-Structure Analysis and Linkage-Disequilibrium (LD) Decay โดยใช้ TASSEL 5.0 software วิเคราะห์ทั้งในส่วนของ Principal-component analysis (PCA) และ linkage disequilibrium (LD) นอกจากนั้น linkage disequilibrium (LD) ยังใช้สำหรับการศึกษาโครงสร้างประชากรด้วยโปรแกรม STRUCTURE
• Genome-Wide Association Study (GWAS) วิเคราะห์ลักษณะเชิงคุณภาพอย่างง่ายของโครงสร้างเมล็ดระหว่าง ข้าวโพดหวานกับข้าวโพดข้าวเหนียวด้วย mixed linear model (MLM) ร่วมกับ PC และ ข้อมูลเครือญาติ (kinship data) โดยใช้ R คือ Genome Association และ Prediction Integrated Tool (GAPIT)
• Candidate-Gene Analysis บริเวณจีโนมที่ LD block SNP ที่สำคัญ (peak SNP) จะถูกเลือกให้เป็น candidate gene โดยการระบุยีนที่เกี่ยวข้องโดยอ้างอิงจาก B73 reference genome (B73_RefGen_v4)
• พัฒนาและตรวจสอบความถูกต้องของเครื่องหมาย SNP โดยลำดับจีโนมสำหรับการออกแบบได้มาจากลำดับ B73 ด้วยเซตไพร์เมอร์ MassARRAY® iPLEX และนำมา validate ในข้าวโพด 81 สายพันธุ์ที่ประกอบด้วยตัวอย่างข้าวโพดพันธุ์การค้าที่เป็นที่นิยม
  
  

ภาพที่ 1 โครงสร้างทางพันธุกรรมของข้าวโพดหวานและข้าวโพดข้าวเหนียว 250 ตัวอย่าง
(ก) ลักษณะของโครงสร้างเมล็ดที่ใช้เป็นเกณฑ์ในการกำหนดข้าวโพดเป็นข้าวโพดหวานและข้าวโพดข้าวเหนียว
(B) แปลงการวิเคราะห์องค์ประกอบหลักโดยอิงตามเครื่องหมาย SNP 159,201 ตัว
(C) การจัดกลุ่ม phylogenetic-tree ตาม SNP 159, 201 Marker
ส่วนข้าวโพดข้าวเหนียวและข้าวโพดหวานใน (B,C) จะแสดงเป็นสีเขียวและสีแดงตามลำดับ

ภาพที่ 2 ผล GWAS สำหรับลักษณะความหวานในสายพันธุ์แท้จากข้าวโพดหวาน
และข้าวเหนียวและสายพันธุ์ลูกผสม (RILs) 250 ตัวอย่าง ซึ่งมีจีโนไทป์ด้วย 159,201 SNP
โดยใช้แบบจำลองเชิงเส้นแบบผสมที่ใช้ใน GAPIT

Result

• การศึกษา GWAS: การศึกษาได้ระบุ SNP ที่เกี่ยวข้อง 12 ตัวบนโครโมโซม 3, 4, 5 และ 7 โดยมี SNP ที่เกี่ยวข้องมากที่สุดคือ AX_91849634 บนโครโมโซม 3 ด้วย p-value ≤1.53 × 10⁻¹⁴
• ยีนที่มีอิทธิพลเกี่ยวข้องกับ linkage disequilibrium (LD) คือ shrunken2 (Zm00001d044129; sh2) ซึ่งเดี่ยวข้องกับการสร้าง ADP-glucose pyrophosphorylase (AGPase) ที่ส่งผลต่อการเปลี่ยนแปลงแป้งในเอนโดสเปิร์มของข้าวโพด เครื่องหมาย SNP ที่จำเพาะต่อตำแหน่ง Sh2_rs844805326  มีประสิทธิภาพสูงในการจำแนกข้าวโพดหวานที่มี sh2 จากข้าวโพดประเภทอื่นๆ Marker นี้มีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับการปรับปรุงพันธุ์ข้าวโพดหวานที่มี sh2 และการผลิตเมล็ดพันธุ์ออกสู่ตลาดได้

ภาพที่ 3  MassArray Marker ที่เกี่ยวข้องกับลักษณะความหวานที่พัฒนาจาก SNP ใน sh2

Reference

ข้อมูลจากงานวิจัย
Ruanjaichon, V., Khammona, K., Thunnom, B., Suriharn, K., Kerdsri, C., Aesomnuk, W., ... & Toojinda, T. (2021). Identification of gene associated with sweetness in corn (Zea mays L.) by genome-wide association study (GWAS) and development of a functional SNP marker for predicting sweet corn. Plants, 10(6), 1239.
https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC8235792/

สามารถอ่านเพิ่มเติมเกี่ยวกับเทคโนยีของ MassARRAY® System  ได้ที่
https://www.lifomics.com/MA.html