نوع مقاله : مقاله پژوهشی
نویسندگان
چکیده
کلیدواژهها
عنوان مقاله [English]
نویسندگان [English]
Genetic diversity in certain morphotypes of wild T. boeoticum collection of National Plant Gene Bank of Iran was investigated according to the allelic variation in Glu-1A and Glu-3A loci using SDS-PAGE electrophoresis of seed storage glutenins. A vast genetic diversity was observed among the studied wheat morphotypes. We scored 8 band patterns consisting of 10 different HMW alleles and 25 band patterns consisting of 13 LMW alleles in Glu-1A and Glu-3A loci, respectively. It was observed that certain alleles have distributed in certain areas and T. boeoticum germplasm collected from East and West Azarbaiejan provinces presented the most number of glutenin alleles. Based on cluster analysis, the studied morphotypes of T. boeoticum populations collected from certain areas of Iran, were divided into three distinct categories including (1) morphotypes collected from West Azarbaiejan, Lorestan, Eilam, Kermanshah and Kordestan provinces, (2) morphotypes collected from East Azarbaiejan and Fars provinces, and (3) morphotypes collected from Zanjan province and those with unknown origin. Plant breeding programs gain of genetic variation in the target germplasm. So, the vast genetic diversity of Glu-1A and Glu-3A loci in wild morphotypes of T. boeoticum of Iran, introduces the studied germplasm as a valuable source for the breeding of meal quality and other important qualitative and quantitative traits in wheat.
کلیدواژهها [English]
تعیین تنوع ژنتیکی مورفوتیپهای گندم وحشی Triticum boeoticum ایران بر اساس تنوع آللی مکانهای ژنی Glu-1A و Glu-3A
مرتضی جعفرآقایی1، جعفر ذوالعلی*2، محمد جعفرآقایی3
1- دانشآموخته کارشناسی ارشد بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان.
2- عضو هیات علمی بخش بیوتکنولوژی کشاورزی دانشگاه شهید باهنر کرمان.
3- عضو هیات علمی موسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر کرج.
تاریخ دریافت: 24/6/1390، تاریخ پذیرش: 7/4/1391
چکیده
تنوع ژنتیکی تعدادی از مورفوتیپهای گندم وحشی Triticum boeoticum کلکسیون بانک ژن ملی گیاهی ایران، بر اساس تنوع آللی مکانهای ژنی Glu-1A و Glu-3A با استفاده از الکتروفورز SDS-PAGE پروتئینهای گلوتنین بذر مورد بررسی قرار گرفت. تنوع آللی بسیار گستردهای در بین مورفوتیپهای آزمایش شده مشاهده شد. در محدوده مکان ژنی Glu-1A در مجموع 8 الگوی باندی با 10 آلل و در محدوده مکان ژنی Glu-3A نیز 25 الگوی باندی با 13 آلل مشخص گردید. توزیع برخی آللها در یک محدوده جغرافیایی مشخص مشاهده گردید و ژرم پلاسم جمعآوری شده از دو استان آذربایجان شرقی و غربی بیشترین تعداد آللهای مشاهده شده را به خود اختصاص داد. بر اساس تجزیه خوشهای، مورفوتیپهای مورد آزمایش از جمعیت Triticum boeoticum ایران به تفکیک منطقه پراکنش، به سه گروه تقسیم گردیدند. نمونههای جمعآوری شده از استانهای آذربایجان غربی، لرستان، ایلام، کرمانشاه و کردستان در گروه اول، نمونههای جمعآوری شده از آذربایجان شرقی و فارس در گروه دوم و نمونههای جمعآوری شده از استان زنجان در گروه سوم قرار گرفتند. با توجه به آن که تحقیقات بهنژادی گیاهی نیازمند وجود تنوع میباشد، میزان بالای تنوع ژنتیکی مشاهده شده در مکانهای ژنی Glu-1A و Glu-3A در مورفوتیپهای وحشی Triticum boeoticum ایران، این ژرمپلاسم را بعنوان منبعی ارزشمند برای استفاده در برنامههای اصلاحی گندم جهت بهبود کیفیت نانوائی و سایر صفات ارزشمند زراعی مطرح مینماید.
واژههای کلیدی: گندم، تنوع ژنتیکی، پروتئین ذخیرهای، Triticum boeoticum، مکان ژنی Glu-1A.
مقدمه
گندم که از جایگاه بسیار مهمی در جیره غذایی انسان برخوردار است، به عنوان یک ابزار سیاسی و اقتصادی در جهان مطرح گردیده است. تغییرات ژنتیکی بوجود آمده طی اهلی شدن و در نهایت تولید گندمهای مدرن باعث گردید که ارقام تجاری از لحاظ سازگاری نسبت به گندمهای وحشی ضعیف تر باشند و در شرایط محیطی برابر از توان رقابتی کمتری نسبت به اجداد وحشی خود برخوردار باشند (Shewry, 2009). کاهش تنوع ژنتیکی، علاوه بر کاهش بازدهی برنامههای اصلاحی باعث ایجاد یکنواختی ژنتیکی در مزارع و آسیب پذیری شدید محصولات کشاورزی در برابر آفات، بیماریها و تنشهای محیطی میگردد. منابع ژنتیکی گیاهی، علاوه بر زیربنایی برای توسعه کشاورزی، به عنوان منبعی از سازگاری ژنتیکی در برابر تغییرات محیطی عمل مینمایند (Abdemishani & Shahnejat-Boshehry, 1998). هرچند از لحاظ گیاهشناسی، دانشمندان تقسیمات متفاوتی را برای گندم دیپلوئید حامل ژنوم A ارائه نمودهاند، ولی میتوان آن را شامل گونهی T. urartu، زیرگونهی T. boeoticum subsp. boeoticum و زیرگونهی T. boeoticum subsp. thaoudar دانست (Feldman et al., 1995; Mac Key, 1988). ژنوم گونه T. boeoticum از بیشترین شباهت با ژنوم A گندم نان برخوردار میباشد (Kimber & Sears, 1987). بر اساس تقسیمبندی واویلف، ایران یکی از مناطق اصلی منشاء گونههای اجداد وحشی گندم بوده و مناطق غربی ایران از آذربایجان تا لرستان و فارس جزء محدوده پراکنش گونههای T. boeoticum و T. urartu در جهان میباشند (Zohary & Hopf, 2000.).
پروتئینهای گلوتنین به عنوان یکی از مهمترین پروتئینهای ذخیره آندوسپرم گندم نقش بسیار مهمی در خواص نانوائی آرد گندم دارند. همچنین با توجه به ویژگیهایی نظیر کنترل ژنتیکی ساده، بروز همبارز، چندشکلی بالا و بی تاثیر بودن شرایط محیطی بر روی بیان این پروتئینها، بررسی تنوع آللی آنها با استفاده از الکتروفورز به عنوان یکی از روشهای مهم و موثر در مطالعه تنوع ژنتیکی گندم مطرح گردیده است (Abdemishani & Shahnejat-Boshehry, 1998). پروتئینهای گلوتنین با وزن ملکولی بالا (HMWGs) بوسیله مکان ژنی Glu-1 و پروتئینهای گلوتنین با وزن ملکولی پایین (LMWGs) توسط مکان ژنی Glu-3 کد میشوند. در بررسی الگوی الکتروفورزی، گلوتنینهای گروه HMW به دو زیرواحد x با وزن ملکولی 88 - 83 کیلو دالتون و زیرواحد y با وزن ملکولی 74 – 67 کیلو دالتون تفکیک میشوند (Devoka, 2005). در رابطه با گلوتنینهای گروه LMW، 13 تا 17 آلل در منابع مختلف گزارش شده است (Rodriguez et al., 1997).
این مطالعه با هدف بررسی تنوع ژنتیکی مورفوتیپهای وحشی T. boeoticum ایران بر اساس تنوع آللی مکانهای ژنی Glu-1A و Glu-3A با استفاده از الکتروفورز SDS-PAGE پروتئینهای ذخیره بذر دانه انجام گرفت. نمونههای مورد مطالعه، نمونههایی از گندمهای دیپلوئید وحشی میباشند که از مناطق مختلف غرب کشور جمعآوری شدهاند. نظر به اینکه غرب ایران به عنوان منطقهای شناخته میشود که گونههای مختلف T. boeoticum در آن یافت میگردد، انتظار میرود که نتایج حاصل از این تحقیق، حقایق جدیدی را در رابطه با تنوع آللی در مکانهای ژنی مذکور آشکار نماید. بدیهی است درک تنوع موجود در منابع ژنتیکی گندم دیپلوئید کشور به پروژههای اصلاحی گندم در این زمینه کمک شایانی خواهد کرد.
مواد و روشها
مواد گیاهی: نمونههای بذری از 74 مورفوتیپ مختلف گندمT. boeoticum ، شامل 21 مورفوتیپ T. boeoticum subsp. boeoticum و 53 مورفوتیپ T. boeoticum subsp. thaoudar مورد آزمایش قرار گرفتند. این نمونهها بخشی از کلکسیون گندم T. monococcum بانک ژن ملی گیاهی ایران میباشند. مجموع 71 نمونه، از نقاط مختلف کشور جمعآوری گردیده بودند و تعداد 3 نمونه نیز شامل یک نمونه T. boeoticum subsp. boeoticum و دو نمونه T. boeoticum subsp. thaoudar از کشورهای همسایه ایران مورد آزمایش قرار گرفتند. کلیه نمونههای آزمایش شده، قبلا بر اساس خصوصیات فنوتیپی به مورفوتیپهای مختلف تقسیمبندی شده بودند. همچنین این گندمها قبلا مورد ارزیابی سیتوژنتیکی قرار گرفته و دیپلوئید بودن آنها ثابت گردیده بود (Jaffar Aghaei, 2010). چهار واریته زراعی گندم هگزاپلوئید (الوند، نیک نژاد، شهریار و چاینیز اسپرینگ) و گندم تتراپلوئید دوروم یاوارس به عنوان شاهد جهت ارزیابی الگوهای باندی نمونههای مورد آزمایش، مورد استفاده قرار گرفتند.
استخراج و الکتروفورز پروتئین: استخراج پروتئین از دانه گندم و الکتروفورز SDS-PAGE بر اساس روش Laemmli (1970) انجام شد. بدین منظور، ابتدا تعداد سه بذر از هر نمونه برداشته شده و پس از حذف جنین، خرد و له گردیدند. مواد گیاهی خرد شده به تیوبهای اپندورف 5/1 میلی لیتری منتقل گردیده و 200 میکرولیتر بافر استخراج (75/18 میلیلیتر بافر تریس 20 درصد با 8/6 PH=، 6 گرم SDS، 30 میلیلیترگلیسرول، 25 میلیگرم کوماسی بلو، 200 میکرولیتر بتامرکاپتواتانول و 15/36 آب مقطر) به آنها اضافه شد. تیوبها به مدت دو ساعت در دمای اتاق قرار داده شدند و محتویات آنها در فواصل 15 دقیقهای با استفاده از ورتکس مخلوط گردید. سپس به مدت 8 تا 12 ساعت در دمای آزمایشگاه قرار داده شدند. به منظور غیر فعال نمودن آنزیمهای پروتئاز، تیوبها به مدت 10 دقیقه در حمام آب گرم با دمای 70 تا 80 درجه سانتیگراد قرار داده شده و سپس جهت حذف مواد زائد به مدت 10 دقیقه با دور rpm 6500 سانتریفوژ انجام شد. محلول شفاف روئی به تیوب اپندورف جدید منتقل گردید و تا زمان الکتروفورز در یخچال با دمای 4 درجه سانتیگراد نگهداری شد.
نمونههای پروتئین با استفاده از سیستم الکتروفورز ژل SDS-PAGE، الکتروفورز گردیدند. بدین منظور مقدار 10 میکرولیتر از هر نمونه پروتئین در چاهکهای ژل پلیآکریلامید دو قسمتی با غلظت 4 درصد در بخش فوقانی (ژل یکنواخت کننده) و 10 درصد در بخش تحتانی (ژل تفکیک کننده) تزریق گردید. الکتروفورز با جریان ثابت 30 میلی آمپر به ازای هر ژل صورت گرفت. رنگآمیزی ژل پس از الکتروفورز با استفاده از محلول رنگ آمیزی (03/0 درصد کوماسی بلو، 25 درصد متانول، 6 درصد اسید تریکلرواستیک و 75/8 درصد اسید استیک گلاسیال) انجام شد.
شناسایی و رتبه بندی باندها: باندهای پروتئینی تفکیک شده در ژل پلیاکریلامید، پس از رنگآمیزی با استفاده از محلول رنگبری آشکار گردیدند. پس از عکسبرداری از ژلها، محدوده زیرواحدهای HMW-Gs و زیرواحدهای LMW-Gs از یکدیگر مجزا گردید. الگویهای باندی حاصل از الکتروفورز نمونههای پروتئینی استخراج شده از دانهی چهار واریته زراعی گندم هگزاپلوئید شامل الوند با الگوی باندی "12+2، 8+7، 1"، نیک نژاد با الگوی باندی "10+5، 9+7، *2"، شهریار با الگوی باندی "12+2، 8+7، نول" و چاینیز اسپرینگ با الگوی باندی "12+2، 8+7، نول" و گندم تتراپلوئید دوروم یاوارس با الگوی باندی "8+7، نول"، به عنوان شاهد جهت شناسایی و رتبهبندی باندهای مشاهده شده در نمونههای مورد آزمایش، مورد استفاده قرار گرفتند. موقعیت هر باند در الگوی باندی یک نمونه با موقعیت مشابه در الگوی باندی سایر نمونهها و نمونههای شاهد مقایسه گردید. بدین ترتیب در نرمافزار Excel بر اساس وجود یا عدم وجود یک باند در یک موقعیت معین، در خانهی جدول اختصاص داده شده به آن موقعیت (متناظر با مکان آن بر روی ژل الکتروفورز)، رتبه 1 یا صفر درج شد.
تعیین تنوع ژنتیکی: شاخصهای تنوع ژنتیکی جمعیتهای مختلف T. boeoticum ایران با استفاده از نرم افزار GDA محاسبه گردیدند. تجزیه خوشهای بر اساس ماتریس فاصله ژنتیکی به روش UPGMA انجام شد و مورفوتیپهای آزمایش شده به تفکیک مناطق جمعآوری گروهبندی شدند. ترسیم دندوگرام، با استفاده از نرم افزار GDA بر اساس تنوع آللی هر دو مکان ژنی Glu-1A و Glu-3A انجام شد. سپس با استفاده از نرم افزار SPSS، برای استانهای محل جمع آوری، نمودار مقیاس بندی دوبعدی تهیه گردید.
نتایج و بحث
در جریان استخراج پروتئین، سدیم دودسیل سولفات موجود در بافر استخراج باعث حل شدن گلوتنینها شده و بتامرکاپتواتانول باعث شکستن پیوندهای دی سولفیدی بین زنجیرههای پروتئین گلوتنین میگردد و زیرواحدهای گلوتنین آزاد میشوند. محدوده زیرواحدهای گلوتنینی HMW بطور کاملا مجزا از محدوده زیرواحدهای گلوتنینی LMW در ژلهای SDS-PAGE تفکیک گردید (شکل 1).
شکل 1- تفکیک الکتروفورزی گلوتنینهای ذخیره بذر در تعدادی از مورفوتیپهای T. boeoticum ایران. Y: یاوارس؛ S: شهریار؛ Cs: چاینیزاسپرینگ؛ 52: نمونهای از گندم T. urartu؛ 1 و 16: نمونههایی از گندم T. boeoticum subsp. boeoticum؛ 11، 22، 41، 133، 152، 161، 187 و 248 نمونههایی از گندم T. boeoticum subsp. thaoudar. باندهایی نسبتا مشخص و متمایز با تحرک الکتروفورزی بیشتر نسبت به زیرواحد x در نمونههایی از گندمهای مورد مطالعه مشاهده گردید.
Figure 1- Electrophoretic separation of seed storage glutenins in some Iranian T. boeoticum morphotypes. Y: yavaros; S: shahriar; Cs: chineese spring; 52: a T. urartu morphotype; 1, 16: certain morphotypes of T. boeoticum subsp. boeoticum; 11, 41, 22, 133, 152, 161, 187, 248: certain morphotypes of T. boeoticum subsp. thaoudar. A number of separate bands with more electrophoretic mobilities than x subunits were detected in the majority of studied morphotypes.
بررسی الگوی تفکیک الکتروفورزی زیرواحدهای گلوتنین HMW، مبین چند شکلی قابل ملاحظه در بین مورفوتیپهای مورد آزمایش بود. در محدوده مکان ژنی Glu-1A در مجموع 8 الگوی باندی با 10 آلل و در محدوده مکان ژنی Glu-3A نیز 25 الگوی باندی با 13 آلل مشخص گردید. در بررسی هر دو منطقه باندی (HMW و LMW)، 12 ترکیب آللی مختلف در 21 مورفوتیپ T. boeoticum subsp. boeoticum و 25 ترکیب آللی مختلف در 53 مورفوتیپ T. boeoticum subsp. thaoudar مشاهده گردید. فراوانی آللهای مشاهده شده در هر دو محدوده HMW و LMW با استفاده از نرم افزار Power Marker محاسبه شد. در محدوده HMW، آللهای 3، 4، 6 و 9 در مورفوتیپهای T. boeoticum subsp. boeoticum و آلل 7 در مورفوتیپهای T. boeoticum subsp. thaoudar بیشترین فراوانی را به خود اختصاص دادند. در محدوده LMW، آلل 41 در مورفوتیپهای هر دو زیرگونه مورد آزمایش، بیشترین فراوانی را به خود اختصاص داد.
بر اساس شاخص "محتوای اطلاعات چندشکلی" (PIC)، در محدوده HMW، آلل 2 و در محدوده LMW، آلل 29 و 32 در هر دو زیرگونه T. boeoticum subsp. boeoticum و T. boeoticum subsp. thaoudar به عنوان چند شکلترین آللها معین گردیدند (جدول 1 و 2).
جدول 1- محتوای اطلاعات چندشکلی برای آللهای موجود در مکان ژنی Glu-1A.
Table 1- Polymorphic information contents (PIC value) of alleles detected in Glu-1A Locus.
PIC/Marker |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
T. b. boeoticum |
0.21 |
0.3 |
0.16 |
0.16 |
0.26 |
0.16 |
0.16 |
0.16 |
0.16 |
|
T. b. thaoudar |
0.22 |
0.24 |
0.07 |
0.16 |
0.22 |
0.16 |
0.1 |
0.13 |
|
0.13 |
جدول 2: محتوای اطلاعات چند شکلی برای آللهای موجود در مکان ژنی Glu-3A.
Table 2: Polymorphic information contents (PIC value) of alleles detected in Glu-3A Locus.
PIC/Marker |
13 |
15 |
18 |
21 |
23 |
29 |
30 |
31 |
32 |
33 |
39 |
41 |
T. b. boeoticum |
0.09 |
0.09 |
0.00 |
0.21 |
0.26 |
0.36 |
0.16 |
0.16 |
0.37 |
0.09 |
0.32 |
0.00 |
T. b. thaoudar |
0.13 |
0.22 |
0.04 |
0.18 |
0.20 |
0.37 |
0.07 |
0.18 |
0.36 |
0.10 |
0.35 |
0.04 |
شاخص PIC معمولا برای نشانگرهای مولکولی DNA محاسبه میشود و نسبتی از میزان چند شکلی یک آلل در جمعیت مورد بررسی میباشد. شاخص PIC در مورد نشانگرهای DNA بدلیل تنوع بسیار گستردهتر آللها در جمعیتهای مورد بررسی، مقادیر بسیار بیشتری را نسبت به نشانگرهای پروتئین به خود اختصاص میدهد. مقادیر PIC کمتر از 5/0 برای نشانگرهای DNA به عنوان شاخص تنوع آللی در نظر گرفته نمیشود، اما با توجه به اینکه آللهای مشاهده شده در این مطالعه باندهای پروتئینی بودهاند و اینکه از لحاظ بیوشیمیایی تفاوت در جایگاه باندی این آللها به تعداد دومنهای تکراری موجود در این پروتئینها بر میگردد، همین مقادیر PIC بدست آمده اشاره به تفاوت عمده ژنتیکی در جمعیت مورد بررسی دارد.
ترکیب آللی گلوتنینهای HMW و LMW در موروفوتیپهای گندم مورد آزمایش، به تفکیک منطقه محل جمعآوری مورد بررسی قرار گرفت. بیشترین تعداد آلل در مکان ژنی Glu-1A در استان آذربایجان شرقی و در مکان ژنی Glu-3A در استانهای آذربایجان غربی، کرمانشاه و کردستان مشاهده شد (جدول 3).
جدول 3- تعداد و نوع آللهای مشاهده شده در هر دو مکان ژنی Glu-1A و Glu-3A در مورفوتیپهای مورد آزمایش از گندم T. boeoticum ایران.
Table 3- Total numbers of alleles detected in both Glu-1A & Glu-3A loci in the studied samples of Iranian T. boeoticum morphotypes.
تعیین تنوع ژنتیکی مبتنی بر مکانهای ژنی Glu-1A و Glu-3A و رابطه آن با پراکنش جغرافیایی در گونههای گندم دیپلوئید وحشی T. monococcum توسط پژوهشگران مختلف انجام شده است. در برخی از این مطالعات همبستگی بین توزیع آللهای پروتئینهای ذخیرهای و ارتفاع محلهای جمع آوری و فاکتورهای محیطی در گندمهای وحشی دیپلوئید و تتراپلوئید ثابت شده است (Lafiandra et al., 1993; Ciaffi et al., 1993; Caballero et al., 2008). با این حال، Bahraei (1996) پس از مطالعه تنوع ژنتیکی دو گونه دیپلوئید T. boeoticum و T. urartu بر اساس تنوع گلوتنینهای HMW وLMW ابراز داشت که پراکنش آللهای این پروتئینها رابطهای با موقعیت جغرافیایی نمونههای جمع آوری شده نداشته است. این در حالی است که در این مطالعه در رابطه با برخی آللها میتوان توزیع مشخص آنها را در منطقه غرب کشور احساس نمود. بررسی پراکنش جغرافیایی آللهای گلوتنین در محدوده HMW در مورفوتیپهای گندم وحشی T. boeoticum ایران، توزیع متمرکز برخی آللها را در مناطق جغرافیایی خاص نشان میدهد. آللهای 2، 5، 7 و 8 به صورت تقریبا یکنواخت در مناطق شمال غرب، غرب و جنوب غرب توزیع شدهاند. آللهای 3، 4 و 6 تنها در منطقه شمال غرب و غرب و همچنین نمونههای خارجی مشاهده میشوند. آلل 9 نیز در منطقه شمال غرب مشاهده میشود. با توجه به فراوانی پائین سه آلل 3، 4 و 6، پراکنش محدود آنها، و اینکه این آللها در نمونههای خارجی نیز مشاهده گردیدهاند، احتمال جدیدتر بودن آللهای مذکور در ژرم پلاسم گندم وحشی ایران مطرح میشود. تجزیه زیرواحدهای گلوتنین LMW به دلیل تعداد زیاد آللهای کنترل کننده و همچنین نبود طبقهبندی و نامگذاری مورد توافق، بسیار مشکل تر از زیرواحدهای HMW میباشد. به همین علت مطالعات بسیار کمتری در رابطه با موقعیت زیرواحدهای LMW و تعیین میزان اثر هر کدام در خاصیت نانوائی آرد گندم گزارش شده است (Bekes et al., 2009). در محدوده گلوتنینهای LMW آللهای 13، 21، 29، 32 و 41 تقریبا بصورت یکنواخت در مناطق شمال غرب، غرب و جنوب غرب توزیع شدهاند. آلل شماره 18 تنها در نمونههای خارجی مشاهده گردید و آللهای 15، 23، 30، 32 و 33 اصلا در نمونههای خارجی دیده نشدند.
از لحاظ میزان هتروزیگوسیتی و نسبت مکانهای ژنی متنوع (P) استان آذربایجان شرقی بالاترین میزان تنوع را به خود اختصاص داد. پس از بررسی جمعیتهایی از گونههای T. boeoticum و T. urartu از ایران و چند کشور خارجی (Bahraei, 1996)، چندشکلی بالایی در مکان ژنی Glu-1A مشاهده گردید که بالاترین میزان هتروزیگوسیتی مربوط به یک جمعیت T. urartu موجود در ایران به میزان 47/0 بود. در این مطالعه جمعیت T. boeoticum جمعآوری شده از آذربایجان شرقی از بالاترین هتروزیگوسیتی در هر دو مکان ژنی Glu-1A و Glu-3A به میزان 3/0 برخوردار گردید (جدول 4).
در نقشه پراکنش جغرافیاییT. monococcum جهان، سه استان ایلام، لرستان و کرمانشاه با بیشترین تنوع گونه T. boeoticum به همراه گونههای تتراپلوئید T. araraticum و T. dicoccoides معرفی گردیدهاند (Lenart Johnson & Wains, 1977). این در حالی است که استان آذربایجان شرقی، محتوای آللی بیشتری را در محدوده HMW نسبت به سه استان مذکور نشان میدهد. در محدوده LMW نیز نمونههای جمع آوری شده از استان آذربایجان غربی بیشترین تعداد و نوع آلل را به خود اختصاص دادند. بدین ترتیب دو استان آذربایجان شرقی و غربی از لحاظ تنوع ژنتیکی در مکانهای ژنی Glu-1A و Glu-3A بیشترین تعداد آللهای مشاهده شده را به خود اختصاص دادهاند. از اینرو، به نظر میرسد که ژرم پلاسم موجود در منطقه آذربایجان از بیشترین تنوع ژنتیکی در بین مناطق جغرافیایی کشور برخوردار باشد.
جدول 4- شاخصهای تنوع ژنتیکی در جمعیتهای مختلف T. boeoticum ایران.
Table 4- Genetic diversity indices in different Iranian T. boeoticum populations.
Population |
n |
P |
A |
Ap |
He |
Azarbijan Gharbi |
11 |
0.56 |
1.56 |
2 |
0.192 |
Azarbijan Sharghi |
8 |
0.73 |
1.73 |
2 |
0.301 |
Fars |
4 |
0.47 |
1.47 |
2 |
0.236 |
Ilam |
5 |
0.26 |
1.26 |
2 |
0.115 |
Keranshah |
16 |
0.52 |
1.52 |
2 |
0.127 |
Kordestan |
7 |
0.56 |
1.56 |
2 |
0.187 |
Lorestan |
6 |
0.47 |
1.47 |
2 |
0.152 |
Zanjan |
8 |
0.17 |
1.17 |
2 |
0.055 |
Unknown |
7 |
0.17 |
1.17 |
2 |
0.068 |
Foreign |
3 |
0.39 |
1.39 |
2 |
0.208 |
n: number of population, P: proportion of polymorphic loci, A: mean number of alleles per locus, Ap: mean number of alleles per polymorphic locus, He: expected heterozygosity.
پروتئینهای ذخیرهای فرآورده مستقیم و بیواسطه ژنها میباشند، از چندشکلی بالایی برخورداند، کنترل ژنتیکی سادهای دارند، تظاهر آنها به صورت همبارز است و شرایط محیطی در بروز آنها بیتاثیر میباشد. از اینرو، تنوع موجود در نمایه این پروتئینها میتواند شاخصی از تنوع ژنتیکی موجود در بین نمونههای مورد بررسی باشد (Abdemishani & Shahnejat-Boshehry, 1998). بر اساس تجزیه خوشهای مبتنی بر تنوع آللی دو مکان ژنی Glu-1A و Glu-3A، مورفوتیپهای مورد آزمایش از جمعیت T. boeoticum ایران به تفکیک منطقه پراکنش، به سه گروه تقسیم شدند (شکل 2 و جدول 5). گروه اول شامل نمونههای جمعآوری شده از استانهای غربی شامل آذربایجان غربی، لرستان، ایلام، کرمانشاه و کردستان بود. نمونههای جمعآوری شده از آذربایجان شرقی و فارس به همراه نمونههای خارجی در گروه دوم قرار گرفتند. نمونههای جمعآوری شده از استان زنجان به همراه نمونههای با منشاء نامشخص در گروه سوم قرار گرفتند که احتمال این که نمونههای با منشا نامشخص، از استان زنجان و یا استانهای مجاور آن جمع آوری شده باشند را تقویت میکند. پس از ترسیم نقشه دو بعدی، جمعیتهای جمعآوری شده از استانهای آذربایجان غربی، کردستان، ایلام، کرمانشاه و لرستان از نمونههای مربوط به سایر مناطق تفکیک شدند. بنابراین، مقیاسبندی دو بعدی نیز نتایج تجزیه خوشهای را تا حدود زیادی تائید نمود (شکل 3).
شکل 2- دندروگرام تنوع ژنتیکی مورفوتیپهای T. boeoticum وحشی ایران به تفکیک منطقه جمعآوری بر اساس تنوع آللی در مکانهای Glu-1A و Glu-3A.
Figure 2- Genetic diversity of Iranian wild T. boeoticum morphotypes collected from distinct areas according to the allelic variation in Glu-1A & Glu-3A loci.
قبلا نمونههای مورد آزمایش در این تحقیق به همراه نمونههایی از گندم وحشی T. urartu مورد ارزیابی قرار گرفته بودند که علیرغم پراکنش وسیع جغرافیایی این گونهها، از لحاظ صفات مورفولوژیکی تنوع بالایی مشاهده نشد که این مطلب در تقابل با وضعیت پراکنش وسیع این نمونهها بود (Jaffar Aghaei, 2010). اما، در مطالعه حاضر، فاصله ژنتیکی قابل توجهی بین نمونههای دارای منشاء جغرافیایی متفاوت مشاهده گردید. از آنجا که اصلاح نباتات و بخصوص فرایند انتخاب همواره در جهت باریکتر کردن پایه ژنتیکی گونهها حرکت میکند، محققان به دنبال یافتن منابع ژنتیکی جدید برای استفاده در برنامههای بهنژادی هستند. با توجه به میزان بالای تنوع مشاهده شده برای گونه T. boeoticum در ایران، کشورمان بطور بالقوه از گنجینه گرانبهای ذخایر ژنتیکی برای این گونه برخوردار است و میتواند در برنامههای تحقیقات ملی و مبادلات جهانی سهمی مهم را داشته باشد. همچنین، هتروزیگوسیتی بالا، نسبت بالای مکانهای ژنی متنوع و فاصله ژنتیکی قابل ملاحظهای که در دو استان آذربایجان غربی و شرقی وجود دارد بیانگر وجود پتانسیل زیاد برای مطالعه و جمعآوری نمونههای جدید وحشی و متنوع دیگر از این گونه در منطقه آذربایجان میباشد و همچنین میتواند به استراتژی مطالعات جمع آوری این گونهها در بانک ژن کمک نماید.
سپاسگزاری
از پرسنل محترم بانک ژن ملی گیاهی ایران به خاطر همکاری در انجام آزمایشات قدردانی میگردد. بخشی از این تحقیق با حمایت مالی معاونت پژوهشی دانشگاه شهید باهنر کرمان به انجام رسید.
جدول 5- ضرایب فاصله نی (1987) بین جمعیتهای T. boeoticum جمع آوری شده از استانهای مختلف ایران.
Table 5- Nei’s Standard Distance (1987) between T. boeoticum morphotypes collected from different provinces of Iran.
|
Azar ghrbi |
Azar shargi |
fars |
Ilam |
Kerman shah |
Kordestan |
Lorestan |
Zanjan |
Unknow |
Azar shargi |
0.11 |
|
|
|
|
|
|
|
|
fars |
0.18 |
0.07 |
|
|
|
|
|
|
|
Ilam |
0.03 |
0.11 |
0.05 |
|
|
|
|
|
|
Kermanshah |
0.07 |
0.27 |
0.27 |
0.01 |
|
|
|
|
|
Kordestan |
0.02 |
0.02 |
0.01 |
0.07 |
0.02 |
|
|
|
|
Lorestan |
0.02 |
0.18 |
0.16 |
0.05 |
0.05 |
0.01 |
|
|
|
Zanjan |
0.18 |
0.28 |
0.48 |
0.37 |
0.23 |
0.23 |
0.55 |
|
|
Unknow |
0.14 |
0.25 |
0.44 |
0.35 |
0.18 |
0.17 |
0.49 |
0.10 |
|
Foreign |
0.18 |
0.04 |
0.12 |
0.29 |
0.40 |
0.11 |
0.23 |
0.80 |
0.64 |
شکل 3- مقیاس بندی دو بعدی برای مورفوتیپهای T. boeoticum وحشی ایران به تفکیک منطقه جمعآوری بر اساس تنوع آللی در مکان ژنی Glu-1A و Glu-3A.
Figure 3- Two dimensional scaling for Iranian wild T. boeoticum morphotypes collected from distinct areas according to the allelic diversity in Glu-1A & Glu-3A loci.
منابع
Abdemishani S, Shahnejat-Boshehri A (1998). Advanced Plant Breeding. University of Tehran Press, Tehran, Iran.
Bahraei M (1996). Investigation of genetic diversity in wild diploid wheat species (T. urartu, T. boeoticum) with using seed storage protein electrophoresis. Seed and Plant Journal 12: 13 – 17.
Bekes F, Cavanagh CR, Wrigley CW, Martinov S, Bushuk W (2009). The Gluten Composition of Wheat Varieties and Genotypes. Retrieved May 10, 2010, from www.aaccnet.org/grainbin/pdfs/III_LMW_Subunits.pdf
Caballero L, Martin MA, Alvarez JB (2008). Genetic diversity for seed storage proteins in Lebanon and Turkey populations of wild diploid wheat (Triticum urartu Thum. ex Gandil). Genetic Resources and Crop Evolution 56(8): 1117- 1124.
Ciaffi M, Lanfiandra D, Poreceddu E, Benedettelli S (1993). Storage-Protein variation in wild emmer (Triticum turgidum ssp. dicoccoides) from Jordan and Turkey. Theoretical and Applied Genetics 86: 518-5250.
Devoka T (2005). The Gluten, a big natural biopolymer: genetic determination and function. General & Applied Genetics 234: 123-131.
Feldman M, Lupton FGH, Miller TE (1995). Wheats. In: Smartt J, Simmonds MW (Eds.) Evolution of Crop Plants. Longman Group Ltd, London, pp. 184-1920
Jaffar Aghaei M (2010). Diversity in Glu-1A locus and genomic DNA content in Iranian morphotypes of wild Triticum monococcum. M.Sc. Thesis. Shahid Bahonar University, Kerman, Iran.
Kimber G, Sears ER (1987). Evolution in the genus Triticum and the origin of cultivated wheat. In: Heyne EG (Eds.), Wheat and Wheat Improvement. American Society of Agronomy, Madison, pp. 154-164.
Laemmli UK (1970). Cleavage of structural proteins during the assembly of the head of the T4 bacteriophage. Nature 227:680-685.
Lafiandra D, Ciaffi M, Benedettelli S (1993). Seed storage proteins of wild wheat progenitors, In: Damania AB, Jhon W, Sons E (Eds.) Biodiversity and wheat Improvement. ICARDA.
Lennart Johnson B, Waines G (1977). Use of wild-wheat resources. California Agriculture 31(9):8-9.
Mac Key J (1988). A plant breeder's perspective on taxonomy of cultivated plants. Biologisches Zentralblatt 107: 369-379.
Rodriguez Quijano M, Nieto Taladriz MT, Carrillo JM (1997). Variation in B-LMW glutenin subunits in Einkorn wheats. Genetic Resources and Crop Evolution 44: 539–543.
Shewry PR (2009). Wheat. Jornal of Experimental Botany 60: 1537-1553.
Zohary D, Hopf M (2000). Domestication of Plants in the Old World: The Origin and Spread of Cultivated Plants in West Asia, Europe, and the Nile Valley. Oxford University Press, USA.
Assessing genetic diversity in wild morphotypes of Iranian Triticum boeoticum according to the allelic variation of Glu-1A and Glu-3A gene loci
Jaffar-Aghaei M.1, Zolala J.*2, Jaffar-Aghaei M.3
1- MSc. in Agricultural Biotechnology, Shahid Bahonar University of Kerman.
2- Department of Agricultural Biotechnology, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman.
3- National Plant Gene Bank of Iran, Seed and Plant Improvement Institute (SPII)
Abstract
Genetic diversity in certain morphotypes of wild T. boeoticum collection of National Plant Gene Bank of Iran was investigated according to the allelic variation in Glu-1A and Glu-3A loci using SDS-PAGE electrophoresis of seed storage glutenins. A vast genetic diversity was observed among the studied wheat morphotypes. We scored 8 band patterns consisting of 10 different HMW alleles and 25 band patterns consisting of 13 LMW alleles in Glu-1A and Glu-3A loci, respectively. It was observed that certain alleles have distributed in certain areas and T. boeoticum germplasm collected from East and West Azarbaiejan provinces presented the most number of glutenin alleles. Based on cluster analysis, the studied morphotypes of T. boeoticum populations collected from certain areas of Iran, were divided into three distinct categories including (1) morphotypes collected from West Azarbaiejan, Lorestan, Eilam, Kermanshah and Kordestan provinces, (2) morphotypes collected from East Azarbaiejan and Fars provinces, and (3) morphotypes collected from Zanjan province and those with unknown origin. Plant breeding programs gain of genetic variation in the target germplasm. So, the vast genetic diversity of Glu-1A and Glu-3A loci in wild morphotypes of T. boeoticum of Iran, introduces the studied germplasm as a valuable source for the breeding of meal quality and other important qualitative and quantitative traits in wheat.
Keywords: Wheat, Genetic diversity, Storage proteins, Triticum boeoticum, Glu-1A locus.
* نویسنده مسئول: جعفر ذوالعلی تلفن: 03413202638 Email: j.zolala@uk.ac.ir
* Corresponding Author: Zolala J. Tel: 03413202638 Email: j.zolala@uk.ac.ir