مکان‌یابیQTLهای عملکرد و اجزای عملکرد دانه در لاین‌های خالص حاصل از تلاقی ارقام روشن و فلات گندم نان (Triticum aestivum L.) در شرایط کم‌آبی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد اصلاح نباتات و عضو انجمن پژوهشگران جوان دانشگاه شهید باهنر کرمان

2 دانشیار اصلاح نباتات، قطب علمی تنش‌های محیطی در غلات، دانشکده کشاورزی دانشگاه شهید باهنر کرمان

3 استادیار اصلاح نباتات، بخش فیزیولوژی مولکولی، پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی ایران، کرج.

چکیده

با هدف شناسایی نواحی ژنومی مرتبط با عملکرد و اجزای عملکرد دانه در گندم نان در شرایط
 کم­آبی با استفاده از روش مکان­یابی فاصله­ای مرکب جامع (ICIM )، 305 لاین خالص نسل F8 گندم حاصل از تلاقی ارقام روشن و فلات به همراه چهار شاهد روشن، فلات، مهدوی و شاه پسند در قالب طرح آگمنت بررسی شدند. به­منظور اعمال تنش، آبیاری در مرحله سنبله­دهی قطع گردید و عملکرد دانه به­همراه برخی صفات زراعی مورد ارزیابی قرارگرفت. نتایج تجزیه واریانس نشان داد بین لاین­های مورد مطالعه از نظر تمامی صفات موردنظر تفرق قابل توجهی وجود دارد. نقشه ژنتیکی با استفاده از 808 نشانگر دارت ایجاد شد. طول نقشه 69/5395 سانتی­مورگان با متوسط فاصله 7سانتی­مورگان بین نشانگرهای مجاور بود. در مجموع تعداد 24 QTL روی 13 کروموزوم مختلف برای 12 صفت با اثر افزایشی مکان­یابی شد. چهار QTL، ضریب تبیین بالای 10درصد داشتند. مکان ژنی qAL6A به عنوان یک QTL بزرگ­اثر برای صفت طول ریشک شناسایی شد که به تنهایی 24/26 درصد از تنوع فنوتیپی این صفت را توجیه کرد. 15/17 درصد از واریانس فنوتیپی صفت طول پدانکل توسط qPL4B توجیه شد. این QTL با یکی از QTLهای کنترل­کننده صفت طول غلاف برگ پرچم در موقعیت کروموزومی تقریبا یکسان قرار داشت، این امر
 می­تواند ناشی از اثر پلیوتروپی یا به­دلیل پیوستگی ژن­های کنترل­کننده دو صفت باشد. نواحی ژنومی بزرگ­اثر مرتبط با عملکرد و اجزای عملکرد دانه در شرایط کم­آبی پس از تعیین اعتبار می­تواند در برنامه­های اصلاحی و انتخاب به کمک نشانگر برای ایجاد ارقام پرعملکرد و متحمل مورد استفاده قرار گیرد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

QTL mapping of grain yield and yield components in pure lines derived from Roshan × Falat bread wheat varieties (Triticum aestivum L.) under limited irrigation condition

نویسندگان [English]

  • Maryam Dorrani Nezhad 1
  • Qasem Mohammadi Nezhad 2
  • Babak Nakhoda 3
چکیده [English]

In order to identify QTLs associated with grain yield and yield components in Bread Wheat under limited irrigation condition using ICIM method, 305 pure lines (F8)  generation of bread wheat derived from cross between Roshan and Falat along with four standard cultivar namely Roshan, Falat, Mahdavi and Shahpasand, were evaluated based on Augmented design. Stress treatment was cut off irrigation at heading stage. Grain yield and other agronomic traits were measured as the phenotypic traits. The result revealed that there are transgressive segregations for all under studied traits. A genetic map was constructed with 808 DArTs markers which these markers covered 5395.69 CM of the genome with the average of 7CM. In total 24 QTLs were identified on 13 chromosomes with additive effect for 12 traits. Four QTLs had R2>10. The qAL6A was identified for awn length that explained 26.24 percent of the total phenotypic variance. qPL4B was found for peduncle length and contributed 17.15 percent of phenotypic variance and is locating at the same interval with flag leaf sheath length QTL. This phenomenon could be due to polytrophic or due to linkage effect of those genes which control these two traits. Major QTLs associated with grain yield and yield components under limited irrigation condition after validation can be used in plant breeding programs and marker-assisted selection in order to produce tolerant and high performance wheat varieties.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bread wheat
  • moisture stress
  • QTL

مکان­یابیQTLهای عملکرد و اجزای عملکرد دانه در لاین­های خالص حاصل از تلاقی ارقام روشن و فلات گندم نان (Triticum aestivum L.) در شرایط کم­آبی

مریم درانی نژاد1 ، قاسم محمدی نژاد*2، بابک ناخدا3

1دانشجوی کارشناسی ارشد اصلاح نباتات و عضو انجمن پژوهشگران جوان دانشگاه شهید باهنر کرمان.

2دانشیار اصلاح نباتات، قطب علمی تنش­های محیطی در غلات، دانشکده کشاورزی دانشگاه شهید باهنر کرمان.

3استادیار اصلاح نباتات، بخش فیزیولوژی مولکولی، پژوهشکده بیوتکنولوژی کشاورزی ایران، کرج.

تاریخ دریافت: 21/04/1394، تاریخ پذیرش: 01/11/1394

چکیده

با هدف شناسایی نواحی ژنومی مرتبط با عملکرد و اجزای عملکرد دانه در گندم نان در شرایط
 کم­آبی با استفاده از روش مکان­یابی فاصله­ای مرکب جامع (ICIM )، 305 لاین خالص نسل F8 گندم حاصل از تلاقی ارقام روشن و فلات به همراه چهار شاهد روشن، فلات، مهدوی و شاه پسند در قالب طرح آگمنت بررسی شدند. به­منظور اعمال تنش، آبیاری در مرحله سنبله­دهی قطع گردید و عملکرد دانه به­همراه برخی صفات زراعی مورد ارزیابی قرارگرفت. نتایج تجزیه واریانس نشان داد بین لاین­های مورد مطالعه از نظر تمامی صفات موردنظر تفرق قابل توجهی وجود دارد. نقشه ژنتیکی با استفاده از 808 نشانگر دارت ایجاد شد. طول نقشه 69/5395 سانتی­مورگان با متوسط فاصله 7سانتی­مورگان بین نشانگرهای مجاور بود. در مجموع تعداد 24 QTL روی 13 کروموزوم مختلف برای 12 صفت با اثر افزایشی مکان­یابی شد. چهار QTL، ضریب تبیین بالای 10درصد داشتند. مکان ژنی qAL6A به عنوان یک QTL بزرگ­اثر برای صفت طول ریشک شناسایی شد که به تنهایی 24/26 درصد از تنوع فنوتیپی این صفت را توجیه کرد. 15/17 درصد از واریانس فنوتیپی صفت طول پدانکل توسط qPL4B توجیه شد. این QTL با یکی از QTLهای کنترل­کننده صفت طول غلاف برگ پرچم در موقعیت کروموزومی تقریبا یکسان قرار داشت، این امر
 می­تواند ناشی از اثر پلیوتروپی یا به­دلیل پیوستگی ژن­های کنترل­کننده دو صفت باشد. نواحی ژنومی بزرگ­اثر مرتبط با عملکرد و اجزای عملکرد دانه در شرایط کم­آبی پس از تعیین اعتبار می­تواند در برنامه­های اصلاحی و انتخاب به کمک نشانگر برای ایجاد ارقام پرعملکرد و متحمل مورد استفاده قرار گیرد.

واژه­های کلیدی: تنش رطوبتی، گندم نان، QTL.



مقدمه

گندم یکی از مهم­ترین محصولات غذایی است که 40 درصد از انرژی و غذای مورد­نیاز مردم جهان را تامین می­کند. با افزایش جمعیت جهان تقاضای جهانی برای گندم قبل از سال 2020 تا 40 درصد افزایش خواهد یافت (Wei et al., 2014). خشکی یکی از موانع جدی برای تولید محصولات کشاورزی در جهان است (Mir et al., 2012). بیش از 45 درصد از زمین­های کشاورزی در مناطق خشک قرار گرفته است (Ashraf & Foolad, 2007). کاهش نزولات جوی در سال­های اخیر و افزایش تقاضا برای گندم، تولید ارقامی از گندم با پتانسیل عملکرد بالا و متحمل به خشکی را ضروری می­نماید. استفاده از برنامه­های به­نژادی برای بهبود ژنتیکی تحمل به خشکی بر اساس عملکرد و پایداری آن در سال­ها و مکان­های متفاوت وقت­گیر می­باشد لذا گزینش را براساس سایر صفات انجام داده (Manickavelu et al., 2006). بدین منظور نیازمند اطلاعاتی در خصوص محل و اثر مکان­های ژنی کنترل کننده این صفات بوده تا بتوان با دست­کاری آن­ها، صفت مورد نظر را بهبود بخشید. جهت شناسایی این صفات می­توان از روش گزینش به وسیله نشانگر استفاده کرد (Cattivelli et al., 2008). استفاده از نشانگرهای مولکولی پیوسته با صفات کمی و کیفی مرتبط با عملکرد در سال­های اخیر کمک شایانی به متخصصان اصلاح نبات نموده است. در یک آزمایش که در دو شهر کرمان و یزد انجام شد QTLهایی برای صفت تعداد دانه در سنبله واقع بر کروموزوم­های A1، B1، D1، A2، B2، A3، B3، A4، B5، A6، B6 و A7، برای وزن هزاردانه روی کروموزوم­های B2، D2، B3، A4، A5 و D7 ، برای صفت طول سنبله روی کروموزوم­های B4 و A7 و برای عملکرد بیولوژیک دو  QTLروی کروموزوم­ D2 گزارش شد (Azadi et al., 2014).  در پژوهشی با هدف نقشه­یابیQTL ­های کنترل­کننده صفات مورفولوژیکی در گندم سه QTL برای صفت ارتفاع بوته واقع بر کروموزوم­های B2،B 4 و D4 شناسایی شد که 41 درصد از واریانس فنوتیپی ارتفاع بوته را توجیه می­کردند. سه QTL هم در همین مکان­های ژنی برای صفت طول پدانکل گزارش شد که 1/24 درصد از تنوع فنوتیپی طول پدانکل را توجیه کردند. همچنین در این پژوهش دو QTL برای صفت طول سنبله روی کروموزوم­های D2 و B6 مکان­یابی شد که 8/16 درصد از تغییرات این صفت را توجیه می­نمود (Mohammadi et al., 2005). در پژوهشی دیگر هفت QTL بزرگ اثر مرتبط با وزن هزاردانه واقع بر کروموزوم­های B1، A2، D2، A6 و A7 مکان­یابی شد (Wei et al., 2014). نتایج بررسی­های مولکولی برای یافتن ژن­های کنترل ­کننده صفات مهم زراعی در گندم، تعدادی QTL کنترل­کننده صفت ارتفاع بوته را روی کروموزوم A3 نشان داد (Shah et al., 1999). طی یک بررسی در گندم نان QTLهایی برای ارتفاع بوته روی کروموزوم­های A2 و B2 و برای وزن دانه روی کروموزوم­های A1، B2 و A7 شناسایی شد (Gupta et al., 2007). نتایج یک مطالعه در گندم نان مکان­های ژنی کنترل­کننده صفت تعداد دانه در سنبله را روی کروموزوم­های D2 و A4 و برای صفت ارتفاع بوته روی کروموزوم­های A1، D2، A4 و A6 نشان داد (Borner et al., 2002).  با توجه به اهمیت گندم در تغذیه بشر و کاهش تولید آن به دلیل اقلیم خشک و نیمه­خشک کشور و کاهش بارندگی در سال­های اخیر، تولید ارقامی از گندم با پتانسیل عملکرد بالا و متحمل به خشکی دارای اهمیت بسیار زیادی می­باشد. ازآنجایی که عملکرد یک صفت کمی است و به دلیل پلی­ژن بودن از وراثت­پذیری پایینی برخوردار می­باشد، مطلوب است جهت بهبود عملکرد، گزینش از طریق سایر صفات انجام گیرد. بنابراین شناسایی ژن­های کنترل­کننده عملکرد و صفات مرتبط با عملکرد در شرایط کم­آبی به منظور اصلاح ژنتیکی گندم مهم
 می­باشد. در این راستا، این مطالعه با هدف مکان­یابی ژن­های کنترل­کننده عملکرد و اجزای عملکرد در شرایط کم­آبی در یک جمعیت لاین خالص حاصل از تلاقی  گندم رقم روشن با رقم فلات انجام شد.

مواد و روش­ها

مطالعه حاضر به منظور شناسایی مکان­های ژنی مرتبط با عملکرد و اجزای عملکرد در 305 لاین خالص نسل F8 حاصل از تلاقی ارقام روشن و فلات گندم نان انجام شد. لاین­ها به همراه چهار شاهد روشن، فلات ، مهدوی و شاه­پسند درقالب طرح آگمنت با 17 بلوک در مزرعه تحقیقاتی دانشگاه شهید باهنر کرمان در سال زراعی 93-1392 کشت شدند. این منطقه دارای طول جغرافیایی 57 درجه و عرض جغرافیایی 30 درجه بوده و در ارتفاع 1756 متری از سطح دریا قرار دارد. بافت خاک آن از نوع لومی شنی با اسیدیته 9/7 و هدایت الکتریکی 11/2 دسی زیمنس بر متر می­باشد. مراقبت­های لازم در طول دوره رشد مانند کوددهی، وجین علف­های هرز با دست صورت گرفت. به منظور اعمال تنش قطع آبیاری در مرحله سنبله­دهی صورت گرفت. صفات طول دوره پرشدن دانه، وزن دانه­های سنبله اصلی، تعداد دانه­های سنبله اصلی، وزن دانه­های­ تک بوته، تعداد دانه­های تک بوته، وزن کاه، وزن هزار دانه، تعداد سنبله در بوته، وزن سنبله اصلی، تعداد گره، ارتفاع بوته، طول برگ پرچم، عرض برگ پرچم، طول غلاف برگ پرچم، طول پدانکل، طول سنبله، طول ریشک، وزن تک بوته، عملکرد بیولوژیک و اقتصادی در واحد سطح و شاخص برداشت مورد ارزیابی قرار گرفتند. در تهیه نقشه ژنتیکی برای این جمعیت، از اطلاعات مولکولی858 نشانگر دارت استفاده شد که  808 نشانگر پلی مورفیسم بین والدین نشان دادند. تهیه نقشه و تجزیه QTL با استفاده از نرم­افزار  ICIM(Inclusive composite interval mapping) و بر اساس مکان­یابی فاصله­ای مرکب جامع انجام شد. آستانه LOD برای شناسایی QTL ها 5/2 در نظر گرفته شد.

نتایج و بحث

نتایج تجزیه واریانس نشان داد دو والد صرفا از نظر سه صفت وزن کاه، ارتفاع بوته و طول ریشک اختلاف معنی دار داشتند، اما بین لاین­های مورد مطالعه از نظر تمامی صفات مورد نظر تفرق قابل توجهی دیده شد (جدول 1)، دلیل این امر می­تواند پخشیدگی ژنی باشد، بدین معنی که در هر یک از والدین، ترکیب مکان­های ژنی با اثرات افزایشی مثبت و منفی به گونه­ای است که در نهایت اثرات یکدیگر را خنثی و در حد معین ثابت نگه می­دارند. در اثر تفرق این
مکان­های ژنی و به وجودآمدن ترکیبات جدیدتر، تفرق فرارونده و توزیع صفت اتفاق می­افتد و در نهایت احتمال مکان­یابی QTL بالا می­رود (Fotokian et al., 2010). نقشه ژنتیکی این جمعیت با استفاده از 808 نشانگر DArT ایجاد شد که 69/5395 سانتی مورگان از ژنوم را پوشش داد، به طور متوسط هر 7 سانتی مورگان یک نشانگر استفاده شد. در مجموع تعداد 24 QTL واقع بر 13 کروموزوم مختلف برای 12 صفت مکان­یابی شد. همه QTL های شناسایی شده اثر افزایشی داشتند، حدود 33 درصدشان با اثر افزایشی منفی بودند. از QTL های شناسایی شده، چهار QTL، ضریب تبیین بالای 10 درصد داشتند. حداکثر تعداد QTL در کروموزوم B4 با چهار QTL و حداقل تعداد QTL در کروموزوم­های B1، A2، D2، A5،B 5،A 7 و D7 با یک QTL مکان­یابی شدند. برای نیمی از صفات مورد مطالعه، بیش از یک QTL شناسایی شد که نشان­دهنده ماهیت چندژنی بودن این صفات است (جدول2). بیشترین QTLهای کنترل­کننده صفات مورد مطالعه در این جمعیت بر روی ژنوم B مکان­یابی شدند که می­تواند با شرایط موجود نشا­ن­دهنده نقش بالای این ژنوم در شرایط کم­آبی ­باشد.

QTL­های طول ریشک: برای صفت طول ریشک سه QTL شناسایی شد. qAL6A به عنوان یک QTL بزرگ­اثر با 96/18=LOD به تنهایی 24/26 درصد از واریانس این صفت را توجیه کرد. این QTL  دارای اثر افزایشی 4/1- می­باشد که در فاصله 5/226 سانتی­مورگان از ابتدای کروموزوم قرار دارد و از آنجایی که والد روشن بدون ریشک می­باشد، لذا اثر کاهنده این QTL مربوط به الل­های والد روشن می­باشد. qAL1D و qAL3B با LOD بالای 5/2 به ترتیب 8/3 و 2/4 درصد از تغییرات فنوتیپی این صفت را توجیه کردند. این دو QTL به ترتیب با اثر افزایشی 64/0 و 59/0 در فاصله 5/42 و 5/431 سانتی مورگان از ابتدای کروموزوم قرار دارند. اثر افزاینده این دو QTL، مربوط به الل­های والد فلات می­باشد. حدود 24/34 درصد از تغییرات فنوتیپی این صفت در جمعیت مورد مطالعه ناشی از اثر الل­های این سه QTL می­باشد.

 

 


جدول1- میانگین والدین و بیشینه و کمینه جمعیت برای صفات مورد مطالعه.

Table 1- Mean of parents and max and min of population for under studied traits.

 

میزان

LSD

ضریب پراکندگی

coefficient of variation

کمینه جمعیت

Population min

 

بیشینه جمعیت

Population max

 

میانگین والدین Mean of parents

صفات

Traits

روشن Roshan

فلات Falat

 

8.94

 

 

0.08

24.04

46.54

39.45

38.31

طول دوره پرشدن دانه

Grain filling period

 

47.74

 

 

0.03

 

18.00

101.00

49.11

67.78

تعداد دانه­های سنبله اصلی

Grain No. of main spike

 

5.88

 

0.15

 

1.1

10.57

13.56

4.37

وزن کاه (تن در هکتار)

Straw weight (ton/ha)

 

15.78

 

0.16

17.09

56.13

44.44

31.50

وزن هزاردانه (گرم)

Thousand-grain weight (g)

 

29.67

 

0.1

71.99

169.24

136.11

89.56

ارتفاع بوته (سانتی­متر)

Plant height (cm)

 

11.41

 

0.05

14.00

34.50

21.06

23.25

طول برگ پرچم (سانتی­متر)

Flag leaf length (cm)

 

0.64

 

0.08

1.00

2.70

1.87

1.92

عرض برگ پرچم (سانتی­متر)

Flag leaf width (cm)

 

6.4

 

0.07

15.50

33.00

23.33

19.56

طول غلاف برگ پرچم (سانتی­متر)

Flag leaf sheath  length (cm)

 

14.51

 

0.14

23.03

65.40

45.43

33.13

طول پدانکل (سانتی­متر)

Peduncle length

 

4.33

 

0.08

8.50

18.00

12.68

12.58

طول سنبله (سانتی­متر)

Spike length (cm)

 

5.85

 

0.52

0.00

19.00

1.00

7.82

طول ریشک (سانتی­متر)

Awn length (cm)

 

0.13

 

 

0.23

0.05

 

0.72

 

0.36

0.45

شاخص برداشت

Harvest Index

میزان LSD : LSD محاسبه شده بر اساس تجزیه واریانس شاهدها برای مقایسه والدین و  لاین­ها.

 

 

سهم سایر عوامل ناشناخته محیطی و همچنین سهم سایر QTL­های با LOD کمتر از 5/2 که در جدول 2 ارائه نشده است، در تنوع فنوتیپی این صفت حدود 65 درصد بوده است (Fotokian et al., 2010). در پژوهشی QTL­های کنترل­کننده صفت طول ریشک را روی کروموزوم­های A4 و B6 شناسایی کردند (Sourdille et al., 2002).

QTL­­های وزن هزاردانه: سه QTL برای وزن هزاردانه مکان­یابی شد. qTGW3B با 7=LOD، 79/13 درصد از تنوع فنوتیپی این صفت را توجیه کرد که دارای اثر افزایشی 05/3- و در فاصله 5/39 سانتی مورگان از ابتدای کروموزوم قرار دارد و منشا آن الل­های والد فلات می­باشد.  qTGW2B و qTGW4B با LOD بالای 5/2 به ترتیب 4/4 و 3/7 درصد از تغییرات فنوتیپی این صفت را توجیه کردند. این دو QTL به ترتیب با اثر افزایشی 53/1 و 99/1 در فاصله 5/105 و 12 سانتی مورگان از ابتدای کروموزوم قرار دارند. منشا این دو QTL، الل­های والد روشن می­باشد از آنجایی که صفت وزن هزاردانه از اجزای اصلی عملکرد دانه می­باشد لذا با انتخاب ژنوتیپ­های دارای وزن هزاردانه بیشتر می­توان به ارقام با عملکرد بالا دسترسی پیدا کرد. در یک بررسی در جمعیت لاین­های نوترکیب گندم نان ده QTL شناسایی شده برای صفت وزن هزاردانه واقع بر کروموزوم­های D1، B2، D2، B4، B5 و D5 گزارش شد (Ramya et al., 2010). در بررسی دیگری در گندم نان نشانگرهای پیوسته به QTL برای صفت وزن هزاردانه روی کروموزوم­های A1، B1، B2، D2، B5، D5، D6 و B7 شناسایی شد (Mir Drikvand et al., 2015).

QTL­های طول پدانکل: دو QTL برای طول پدانکل با مقادیر LOD به ترتیب 4/9 و 7/2 در موقعیت­های 76 و 5/174 سانتی­مورگان از ابتدای کروموزوم­های B4 و B6 با اثر افزایشی 73/3 و 57/1- مکان­یابی شدند. اثر افزایندهqPL4B ، مربوط به الل­های والد روشن و اثر کاهنده qPL6B مربوط به الل­های والد فلات می­باشد. این دو QTL جمعاً 56/21 درصد از واریانس فنوتیپی مربوط به این صفت را توجیه کردند. مکان ژنی  qPL4Bبا یکی از QTL­های صفت طول غلاف برگ پرچم در یک منطقه کروموزوم B4 قرار دارند، قرارگیری در موقعیت کروموزومی تقریبا یکسان این دو QTL می­تواند ناشی از پلیوتروپی باشد یا در اثر پیوستگی
 ژن­های کنترل­کننده دو صفت مورد نظر باشد. همبستگی ژنتیکی و فنوتیپی بالای این دو صفت (71/0= rgو **62/0=rph) و انطباق محل کروموزومی این دو QTL تاییدکننده یکدیگر
 می­باشند. در یک مطالعه QTL­های کنترل­کننده طول پدانکل در گندم روی کروموزوم­های D2، B4 و D4 گزارش شد (Heidari et al., 2012).

QTL­­های طول برگ پرچم: برای این صفت چهار QTL شناسایی شد. دوعدد مستقر بر روی کروموزوم B2 که در فاصله 98 و 5/233 سانتی­مورگان از ابتدای کروموزوم قرار دارند. منشاء آن­ها به ترتیب الل­های والد روشن و
الل­های والد فلات می­باشد. QTL سوم بر روی کروموزوم D2 و در فاصله 5/76 سانتی­مورگان از ابتدای کروموزوم واقع است و مربوط به والد فلات می­باشد. QTL چهارم بر روی کروموزوم B5 و در فاصله 5/149 سانتی­مورگان از ابتدای کروموزوم قرار دارد و مربوط به والد فلات
 می­باشد. این چهار QTL جمعاً 9/19 درصد از تغییرات فنوتیپی طول برگ پرچم را توجیه کردند. در پژوهشی QTL  های کنترل­کننده طول برگ پرچم واقع بر کروموزوم­های B3 و B5 مکان­یابی شدند (Mason et al., 2010).

QTL­های ارتفاع بوته: برای صفت ارتفاع بوته سه QTL مستقر در کروموزوم­های B4، A5 و A7 با LOD بالای 5/2 مکان­یابی شد. این QTLها به ترتیب دارای اثر افزایشی 36/5 ، 38/4 و41/3 بودند و در مجموع  48/19 درصد از تنوع فنوتیپی ارتفاع بوته را توجیه کردند. با توجه به اینکه والد روشن از نظر ارتفاع بلندتر از والد فلات می­باشد نتیجه می­گیریم اثر افزاینده این سه QTL مربوط به الل­های والد روشن می­باشد که باعث افزایش ارتفاع بوته شده است. در مطالعه­ای QTLهای مرتبط با ارتفاع بوته واقع بر کروموزوم­های B4، D4، A7 و B7 گزارش شدند (Sourdille et al., 2002).  

QTL­ وزن کاه: برای صفت وزن کاه یک QTL بزرگ­اثر با 36/11=LOD و اثر افزایشی 51/91 واقع بر کروموزوم D1 تشخیص داده شد که در فاصله 5/86 سانتی مورگان از ابتدای کروموزوم قرار دارد و تاًثیر بسیار زیادی روی این صفت دارد به­طوری­که 6/16 درصد از تنوع فنوتیپی این صفت را توجیه کرد. منشا این QTL الل­های والد روشن می­باشد.

QTL­­های طول سنبله: دو مکان ژنی برای طول سنبله روی کروموزوم­های B1 و B3 با LOD بالای 5/2 به ترتیب با ضریب تبیین 17/6 و 03/9 درصد، اثر افزایشی 41/0 و 55/0- شناسایی شدند. این دو QTL درفاصله 203 و 5/136 سانتی­مورگان از ابتدای کروموزوم قرار دارند. منشاء qSPL1B والد روشن و منشاء qSPL3B والد فلات می­باشد. در یک بررسی QTL­هایی برای طول سنبله بر روی کروموزوم­های B1، A4 و A5 مکان­یابی شد (Borner et al., 2002). در مطالعه دیگر QTL­هایی برای این صفت بر روی کروموزوم­های A1، B1، D1، D2، A4، A5 و D5 شناسایی شد (Gupta et al., 2007).

QTL­­های طول غلاف برگ پرچم: 79/13 درصد از تنوع فنوتیپی این صفت توسط دو QTL مکان­یابی شده توجیه شد که به ترتیب با اثر افزایشی 61/0- و 84/0 ، ضریب تبیین 69/5 و 1/8 درصد، با فاصله 130 و 74 سانتی­مورگان از ابتدای کروموزوم D1 و B4 قرار دارند. اثر کاهنده qFLSL1D مربوط به الل­های والد فلات و اثر افزاینده qFLSL4B مربوط به الل­های والد روشن می­باشد. برای هر یک از صفات تعداد دانه­های سنبله اصلی، شاخص برداشت، عرض برگ پرچم و طول دوره پرشدن دانه یک QTL با مشخصات مندرج در جدول 2 شناسایی شد. طی یک بررسی در گندم نان برای صفت تعداد دانه­های سنبله اصلی QTL­هایی واقع بر کروموزوم­های A1، B1، B2، D2، B3، D3 وD7 و برای شاخص برداشت روی کروموزوم­های D2، B3، B4 و A6 مکان­یابی شد (Gupta et al., 2007).  

همچنین در یک بررسی دیگر QTL­های کنترل­کننده عرض برگ پرچم روی کروموزوم­های D1، B2 و A7 و طول دوره پرشدن دانه روی کروموزوم­های B1، A2 و D2 شناسایی شدند (Mason et al., 2010). در پژوهشی دیگر QTL­های مرتبط با دوره پرشدن دانه بر روی کروموزوم­های B3، A5، A6 و A7 تشخیص داده شدند (Golabadi et al., 2012). در مطالعه­ای دیگر  QTL­های مرتبط با زمان پرشدن دانه بر روی کروموزوم­های A5 و B5 مکان­یابی شدند (Borner et al., 2002).

 شناسائی نواحی ژنومی بزرگ­اثر مرتبط با عملکرد و اجزای عملکرد دانه در شرایط تنش خشکی پس از تعیین اعتبار می­تواند در برنامه­های به­نژادی و انتخاب به کمک نشانگر برای ایجاد ارقام پرعملکرد و متحمل مورد استفاده قرار گیرد.

 

 


جدول2- جایگاه­های کروموزومی شناسایی شده برای صفات مختلف در شرایط کم­آبی با استفاده از روش نقشه­یابی فاصله­ای مرکب جامع ICIM.

Table 2- Identified QTLS for different traits under limited irrigation condition using ICIM method.

صفات

Traits

 

 

کروموزوم

Chromosome

 

نشانگر راست

Right Marker

 

نشانگر چپ

Left Marker

 

موقعیت (سانتی مورگان)

Position (cM)

 

LOD

 

 

 

درصد واریانس

Variance Percentage

اثر افزایشی

Additive Effect

طول دوره پرشدن دانه

Grain filling period

21

wPt-664022

wPt-663984

36.5

2.75

4.2

1.1087

تعدا دانه­های سنبله اصلی

Grain No. of main spike

16

wPt-5730

wPt-671760

222.5

3.79

7.14

-3.6850

وزن کاه (تن در هکتار)

Straw weight (ton/ha)

3

 

 

wPt-5503

 

 

rPt-4471

 

 

86.5

 

 

11.36

 

 

16.61

 

 

91.5056

 

 

وزن هزاردانه (گرم)

Thousand-grain weight (g)

5

 

 

wPt-4301

 

 

wPt-8349

 

 

105.5

 

 

2.76

 

 

4.4

 

 

1.5344

 

 

 

 

8

wPt-669517

wPt-0446

39.5

6.99

13.79

-3.0510

 

11

wPt-6869

wPt-2525

12

2.89

7.28

1.9943

ارتفاع بوته (سانتی­متر)

Plant height (cm)

11

 

wPt-1708

 

wPt-731887

 

68.5

 

4.46

 

7.87

 

5.3579

 

 

 

13

 

wPt-4778

 

wPt-9094

 

165.5

 

4.08

 

6.92

 

4.3809

 

 

19

wPt-0961

wPt-2525

47

3.23

4.69

3.4073

طول برگ پرچم (سانتی­متر)

Flag leaf length (cm)

5

wPt-4664

wPt-7883

98

3.77

7.07

-0.9598

 

5

wPt-4199

wPt-6576

233.5

2.64

3.54

0.6778

 

 

6

 

wPt-0071

 

wPt-733725

 

76.5

 

3.17

 

4.44

 

0.8275

 

 

14

wPt-731740

wPt-3922

149.5

3.52

4.85

0.7854

عرض برگ پرچم (سانتی­متر)

Flag leaf width (cm)

4

 

 

wPt-666658

 

 

wPt-7442

 

 

39.5

 

 

2.77

 

 

5.92

 

 

0.0578

 

 

طول غلاف برگ پرچم (سانتی­متر)

Flag leaf sheath  length (cm)

3

 

 

wPt-9380

 

 

wPt-733835

 

 

130

 

 

3.21

 

 

5.69

 

 

-0.61

 

 

 

11

wPt-9067

wPt-1708

74

4.97

8.1

0.8412

طول پدانکل (سانتی­متر)

Peduncle length (cm)

11

 

wPt-9067

 

wPt-1708

 

76

 

9.41

 

17.15

 

3.7310

 

 

17

wPt-9124

wPt-1730

174.5

2.72

4.41

-1.5740

طول سنبله (سانتی­متر)

Spike length (cm)

2

wPt-0705

wPt-2526

203

4.33

6.17

0.4137

 

8

wPt-743775

wPt-7254

136.5

5.18

9.03

-0.5507

طول ریشک (سانتی­متر)

Awn length (cm)

3

 

wPt-2968

 

wPt-7437

 

42.5

 

2.53

 

3.83

 

0.6446

 

 

8

wPt-6785

wPt-731910

431.5

2.61

4.17

0.5902

شاخص برداشت

Harvest Index

16

 

tPt-8252

 

wPt-5730

 

226.5

 

18.96

 

26.24

 

-1.4048

 

 

17

tPt-2055

wPt-0446

102

2.83

6.93

-0.0293

 

شکل 1- نقشه پیوستگی 13 کروموزوم برای QTLهای شناسایی شده برای صفات مورد ارزیابی. (صرفا کروموزوم­های واجد  QTLنشان داده شده­اند).

Figure 1- Genetic linkage map of 13 chromosomes for detected quantitative trait loci (QTLs) for evaluated traits on some chromosomes. Only linkage groups with considerable QTLs are shown.

 

ادامه شکل 1.

Figure 1- (continued).

 

ادامه شکل 1.

Figure 1- (continued).

 

منابع

Ashraf M, Foolad MR (2007). Roles of glycine betaine and proline in improving plant abiotic stress resistance. Environmental and Experimental Botany 59: 206–216. 

Azadi A, Mardi M, Hervan EM, Mohammadi SA, Moradi F, Tabatabaee MT, Pirseyedi SM, Ebrahimi M, Fayaz F, Kazemi M, Ashkani S, Nakhoda B, Mohammadi-Nejad G (2014). QTL mapping of yield and yield components under normal and salt-stress conditions in bread wheat (Triticum aestivum L.). Plant Molecular Biology Reporter 33: 102-120.

 Borner A, Schumann E, Furste A, Coster H, Leithold B, Roder M, Weber W (2002). Mapping of quantitative trait loci determining agronomic important characters in hexaploid wheat (Triticum aestivum L.). Theoretical and Applied Genetics 105: 921-936.

 Cattivelli L, Rizza F, Badeck FW, Mazzucotelli E, Masterangelo AM, Francia E, Mare C, Tondelli A, Stanca AM (2008). Drought tolerance improvement in crop plants: an integrated view from breeding to genomics. Field Crop Research 105: 1-14.

Fotokian MH, Ahmadi G, Amiri oghan H, Sadatnori A, Naji AM, Mohammadi-Nejad G, Mohaddesi A, Agahi K (2010). Identification of Quantitative Trait Loci related to plant height, number of tiller and flag leaf length and width in rice (Oryza sativa L.) using microsattelite markers. Iranian Journal of Biology 23: 488-497.

Golabadi M, Arzani A, Mirmohammadi Maibody SAM (2012). Mapping of loci controlling phenological traits in durum wheat under drought stress and non-stress conditions using SSR markers. Iranian Journal of Crop Sciences 13: 712-729.

 Heidari B, Saeidi G, Sayed Tabatabaei BE, Suenaga K (2012). QTLs Involved in Plant Height, Peduncle Length and Heading Date of Wheat (Triticum aestivum L.). Journal of Agriculture Science and Technology 14: 1093-1104.

Manickavelu A, Nadarajan N, Ganesh SK, Gnanamalar RP, Chandra Babu R (2006). Drought tolerance in rice: morphological and molecular genetic consideration. Plant Growth Regul 50: 121-138.

Mason R E, Mondal S, Beecher FW, Pacheco A, Jampala B, Ibrahim AM, Hays DB (2010). QTL associated with heat susceptibility index in wheat (Triticum aestivum L.) under short-term reproductive stage heat stress. Euphytica 174: 423-436.

Mir R R, Zaman-Allah M, Sreenivasulu N, Trethowan R, Varshney R K (2012). Integrated genomics, physiology and breeding approaches for improving drought tolerance in crops. Theoretical and Applied Genetics 125: 625-645.

Mir Drikvand R, Najafian G, Bihamta MR, Ebrahimi A (2015). Detection of QTLs Associated to Some Grain Traits in Bread Wheat (Triticum aestivum L.), Using Association Mapping. Journal of Plant Genetic Research 1: 43-54.

Mohammadi V, Ghanadha MR, Zali AA, Yazdi-Samadi B, Byrne P (2005). Mapping QTLs for Morphological Traits in Wheat. Iranian Journal of Agriculture Science 36: 145-157.

Gupta PK, Balyan HS, Kulwal PL, Kumar N, Kumar A, Mir RR, Muhan A, Kumar J )2007(. QTL analysis for some quantitative traits in bread wheat. Journal of Zhejiang University Science B 8: 807-814.

Ramya P, Chaubal A, Kulkarni K, Gupta L, Kadoo N, Dhaliwal HS, Chhuneja P, Lagu M, Gupta V (2010). QTL mapping of 1000-kernel weight, kernel length, and kernel width in bread wheat (Triticum aestivum L.). Journal of Applied Genetics 51: 421-429.

Shah MM, Gill KS, Baenziger PS, Yen Y, Kaeppler SM, Ariyarathne HM (1999). Molecular mapping of loci for agronomic traits on chromosome 3A of bread wheat. Crop Science 39: 1728-1732.

Sourdille P, Cadalen T, Gay G, Gill B, Bernard M (2002). Molecular and physical mapping of genes affecting awning in wheat. Plant Breeding 121: 320—324.

 Wei L, Bai S, Li J, Hou X, Wang X, Li H, Zhang B, Chen W, Liu D, Liu B, Zhang H (2014). QTL Positioning of Thousand Wheat Grain Weight in Qaidam Basin. Open Journal of Genetics 4: 239-244.

 


QTL mapping of grain yield and yield components in pure lines derived from Roshan × Falat bread wheat varieties (Triticum aestivum L.) under limited irrigation condition

 

Dorrani-Nejad M.1, Mohammadi-Nejad G.*2, Nakhoda B.3

 

1MS Student of Plant Breeding, Member of young researcher association, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Iran.

2Assoc. Prof. of Plant Breeding, Center of Excellence for a biotic stresses in cereal crops, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Iran.

3Assist. Prof. Department of Molecular physiology, Agricultural Biotechnology Research Institute of Iran, Karaj, Iran.

 

Abstract

In order to identify QTLs associated with grain yield and yield components in Bread Wheat under limited irrigation condition using ICIM method, 305 pure lines (F8)  generation of bread wheat derived from cross between Roshan and Falat along with four standard cultivar namely Roshan, Falat, Mahdavi and Shahpasand, were evaluated based on Augmented design. Stress treatment was cut off irrigation at heading stage. Grain yield and other agronomic traits were measured as the phenotypic traits. The result revealed that there are transgressive segregations for all under studied traits. A genetic map was constructed with 808 DArTs markers which these markers covered 5395.69 CM of the genome with the average of 7CM. In total 24 QTLs were identified on 13 chromosomes with additive effect for 12 traits. Four QTLs had R2>10. The qAL6A was identified for awn length that explained 26.24 percent of the total phenotypic variance. qPL4B was found for peduncle length and contributed 17.15 percent of phenotypic variance and is locating at the same interval with flag leaf sheath length QTL. This phenomenon could be due to polytrophic or due to linkage effect of those genes which control these two traits. Major QTLs associated with grain yield and yield components under limited irrigation condition after validation can be used in plant breeding programs and marker-assisted selection in order to produce tolerant and high performance wheat varieties.

 

Key words: Bread wheat, moisture stress, QTL.



* نویسنده مسئول: قاسم محمدی نژاد                                تلفن: 03433257510                  Email: mohammadinejad@uk.ac.ir

* Corresponding Author: Mohammadi-Nejad G.          Tel: 03433257510      Email: Mohammadinejad@uk.ac.ir

 
Ashraf M, Foolad MR (2007). Roles of glycine betaine and proline in improving plant abiotic stress resistance. Environmental and Experimental Botany 59: 206–216. 
Azadi A, Mardi M, Hervan EM, Mohammadi SA, Moradi F, Tabatabaee MT, Pirseyedi SM, Ebrahimi M, Fayaz F, Kazemi M, Ashkani S, Nakhoda B, Mohammadi-Nejad G (2014). QTL mapping of yield and yield components under normal and salt-stress conditions in bread wheat (Triticum aestivum L.). Plant Molecular Biology Reporter 33: 102-120.
 Borner A, Schumann E, Furste A, Coster H, Leithold B, Roder M, Weber W (2002). Mapping of quantitative trait loci determining agronomic important characters in hexaploid wheat (Triticum aestivum L.). Theoretical and Applied Genetics 105: 921-936.
 Cattivelli L, Rizza F, Badeck FW, Mazzucotelli E, Masterangelo AM, Francia E, Mare C, Tondelli A, Stanca AM (2008). Drought tolerance improvement in crop plants: an integrated view from breeding to genomics. Field Crop Research 105: 1-14.
Fotokian MH, Ahmadi G, Amiri oghan H, Sadatnori A, Naji AM, Mohammadi-Nejad G, Mohaddesi A, Agahi K (2010). Identification of Quantitative Trait Loci related to plant height, number of tiller and flag leaf length and width in rice (Oryza sativa L.) using microsattelite markers. Iranian Journal of Biology 23: 488-497.
Golabadi M, Arzani A, Mirmohammadi Maibody SAM (2012). Mapping of loci controlling phenological traits in durum wheat under drought stress and non-stress conditions using SSR markers. Iranian Journal of Crop Sciences 13: 712-729.
 Heidari B, Saeidi G, Sayed Tabatabaei BE, Suenaga K (2012). QTLs Involved in Plant Height, Peduncle Length and Heading Date of Wheat (Triticum aestivum L.). Journal of Agriculture Science and Technology 14: 1093-1104.
Manickavelu A, Nadarajan N, Ganesh SK, Gnanamalar RP, Chandra Babu R (2006). Drought tolerance in rice: morphological and molecular genetic consideration. Plant Growth Regul 50: 121-138.
Mason R E, Mondal S, Beecher FW, Pacheco A, Jampala B, Ibrahim AM, Hays DB (2010). QTL associated with heat susceptibility index in wheat (Triticum aestivum L.) under short-term reproductive stage heat stress. Euphytica 174: 423-436.
Mir R R, Zaman-Allah M, Sreenivasulu N, Trethowan R, Varshney R K (2012). Integrated genomics, physiology and breeding approaches for improving drought tolerance in crops. Theoretical and Applied Genetics 125: 625-645.
Mir Drikvand R, Najafian G, Bihamta MR, Ebrahimi A (2015). Detection of QTLs Associated to Some Grain Traits in Bread Wheat (Triticum aestivum L.), Using Association Mapping. Journal of Plant Genetic Research 1: 43-54.
Mohammadi V, Ghanadha MR, Zali AA, Yazdi-Samadi B, Byrne P (2005). Mapping QTLs for Morphological Traits in Wheat. Iranian Journal of Agriculture Science 36: 145-157.
Gupta PK, Balyan HS, Kulwal PL, Kumar N, Kumar A, Mir RR, Muhan A, Kumar J )2007(. QTL analysis for some quantitative traits in bread wheat. Journal of Zhejiang University Science B 8: 807-814.
Ramya P, Chaubal A, Kulkarni K, Gupta L, Kadoo N, Dhaliwal HS, Chhuneja P, Lagu M, Gupta V (2010). QTL mapping of 1000-kernel weight, kernel length, and kernel width in bread wheat (Triticum aestivum L.). Journal of Applied Genetics 51: 421-429.
Shah MM, Gill KS, Baenziger PS, Yen Y, Kaeppler SM, Ariyarathne HM (1999). Molecular mapping of loci for agronomic traits on chromosome 3A of bread wheat. Crop Science 39: 1728-1732.
Sourdille P, Cadalen T, Gay G, Gill B, Bernard M (2002). Molecular and physical mapping of genes affecting awning in wheat. Plant Breeding 121: 320—324.
 Wei L, Bai S, Li J, Hou X, Wang X, Li H, Zhang B, Chen W, Liu D, Liu B, Zhang H (2014). QTL Positioning of Thousand Wheat Grain Weight in Qaidam Basin. Open Journal of Genetics 4: 239-244.