DEVELOPMENT OF LUTEIN CONTENT RELATED DNA MARKERS IN THAI RICE

Abstract

Lutein is a product from carotenoid biosynthetic pathway which is highly found in pericarp of black rice. The purpose of this study was to develop gene-specific markers that were related to lutein content from sequence variations in carotenoid biosynthetic pathway and related genes resulting of Thai rice varieties with white (Pathum Thani 1 and RD-Maejo 2) and black (Kum Noi and Kum Yai) pericarp transcriptome and genome sequencing analyses. Eighteen gene-specific markers were developed which were 11 genes in carotenoid biosynthesis pathway (PSY1, PDS, ZISO, ZDS, CrtISO, LYCe, LYCb, CYP97A, CYP97C, CYP97B2 and HYD3) and 7 related genes (SDG8, OsLCD, OsNCED2, OsMADS26, OsWD40, OsB2_Kala4 and OsB1). The relationship between these markers and lutein content were investigated by simple regression method in F2 plant population of a cross between Pathum Thani 1 and Kum Noi. None of carotenoid biosynthetic gene markers was related to lutein content. Only OsB2_Kala4 and OsB1 markers were related to lutein content which had R2 equivalent to 17.13 and 16.99%, respectively. These genes are transcription factor genes that have been reported as key genes in pericarp color. The moderate relationship between pericarp color and lutein content was found. Therefore, OsB2_Kala4 and OsB1 genes might be involved in expression of pericarp color and lutein biosynthetic genes. Moreover, OsB2_Kala4 and OsB1 gene-specific markers could be used for high lutein content selection in rice.

ลูทีนเป็นสารที่ได้จากวิถีการสังเคราะห์แคโรทีนอยด์พบมากในข้าวที่มีเยื่อหุ้มเมล็ดสีดำ การศึกษานี้มีวัตถุประสงค์เพื่อพัฒนาเครื่องหมายดีเอ็นเอจำเพาะกับยีนที่สัมพันธ์กับปริมาณสารลูทีน จากการเปลี่ยนแปลงลำดับเบสของยีนในวิถีและที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แคโรทีนอยด์ที่ได้จากการวิเคราะห์ลำดับเบสจากผลการอ่านลำดับเบสอาร์เอ็นเอทั้งหมดกับการอ่านลำดับเบสจีโนมของข้าวที่มีเยื่อหุ้มเมล็ดสีขาว คือ พันธุ์ปทุมธานี 1 กข-แม่โจ้ 2 และข้าวที่มีเยื่อหุ้มเมล็ดสีดำ คือ พันธุ์ก่ำน้อย ก่ำใหญ่ โดยสามารถพัฒนาเครื่องหมายดีเอ็นเอที่จำเพาะกับยีน จำนวน 18 ยีน เป็นยีนในวิถีการสังเคราะห์แคโรทีนอยด์ จำนวน 11 ยีน ได้แก่ PSY1, PDS, ZISO, ZDS, CrtISO, LYCe, LYCb, CYP97A, CYP97C, CYP97B2 และ HYD3 กับยีนที่เกี่ยวข้องกับการสังเคราะห์แคโรทีนอยด์ จำนวน 7 ยีน ได้แก่ ยีน SDG8, OsLCD, OsNCED2, OsMADS26, OsWD40, OsB2_Kala4 และ OsB1 เมื่อนำไปทดสอบความสัมพันธ์ระหว่างเครื่องหมายดีเอ็นเอกับปริมาณสารลูทีน ด้วยวิธี simple regression ในประชากร F2 ที่ได้จากคู่ผสมระหว่างข้าวพันธุ์ปทุมธานี 1 กับก่ำน้อย ไม่พบความสัมพันธ์ของเครื่องหมายจำเพาะกับยีนในวิถีสังเคราะห์แคโรทีนอยด์ แต่พบความสัมพันธ์ของเครื่องหมายที่จำเพาะกับยีน OsB2_Kala4 และยีน OsB1 ซึ่งเป็นยีนสร้างโปรตีนควบคุมการถอดรหัส (transcription factor) ที่มีรายงานว่าสัมพันธ์กับสีของเยื่อหุ้มเมล็ด โดยมีค่า R2 เท่ากับ 17.13 และ 16.99 เปอร์เซ็นต์ ตามลำดับ เมื่อวิเคราะห์สีของเยื่อหุ้มเมล็ดพบว่ามีความสัมพันธ์กับปริมาณสารลูทีนปานกลาง ดังนั้น ยีน OsB2_Kala4 และยีน OsB1 อาจจะควบคุมการแสดงออกของยีนที่เกี่ยวข้องกับสีเยื่อหุ้มเมล็ดและการสังเคราะห์ลูทีน แต่อย่างไรก็ตามเครื่องหมายดีเอ็นเอของยีน OsB2_Kala4 และยีน OsB1 สามารถนำไปใช้ในการช่วยคัดเลือกข้าวที่มีปริมาณสารลูทีนสูง