ارزیابی تنوع ژنتیکی ژنوتیپ‌های Freesia hybrida با استفاده از نشانگر مولکولی ISSR

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شاهد، تهران، ایران

2 گروه ژنتیک و به نژادی، موسسه تحقیقات علوم باغبانی، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، محلات، ایران.

3 استاد، پژوهشکده گل و گیاهان زینتی، موسسه تحقیقات علوم باغبانی، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، محلات،

چکیده

هدف: هدف از پژوهش حاضر، ارزیابی تنوع ژنتیکی 23 ژنوتیپ گیاه زینتی فریزیا (Freesia hybrida) شامل شش ژنوتیپ والدینی و 17 دورگF1   حاصل از تلاقی آنها، با استفاده از 10 آغازگر ISSR به منظور بهره­برداری از این تنوع در برنامه­های به­نژادی این گیاه بوده­است.
مواد و روش‌ها: پس از استخراج DNA از برگ­های تازه و تکثیر نواحی نشانگری در دستگاه PCR و تفکیک قطعات نشانگری بر روی ژل الکتروفورز، نوارها نمره­دهی شدند و بر اساس ماتریس داده­های صفر و یک، پارامترهای نشانگری شامل تعداد لوکوس­های چند شکل، محتوای اطلاعات چندشکلی، نسبت چندگانه مؤثر، شاخص قدرت تفکیک، شاخص نشانگری و شاخص­های تنوع ژنتیکی شامل تعداد مشاهده شده و تعداد مؤثر آلل­ها، شاخص تنوع ژنی نی و شاخص اطلاعات شانون مبتنی بر داده­های نشانگر ISSR محاسبه شدند. تجزیه به مؤلفه­های اصلی بر اساس ضریب تشابه جاکارد با الگوریتم UPGMA و تجزیه خوشه­ای با استفاده از از ضرایب دایس به روش گروه­بندی وارد انجام شد.
نتایج: از مجموع 110 مکان ژنی تکثیر یافته برای 10 نشانگر ISSR، متوسط درصد چندشکلی برابر با 7/94 درصد در میان ژنوتیپ­های تحت بررسی برآورد شد. نشانگر IS-HB11 بیشترین تعداد مکان ژنی چندشکل (12)، نسبت چندگانه مؤثر (39/7)، شاخص قدرت تفکیک (83/7) و شاخص نشانگری (67/2) را به خود اختصاص داد. تجزیه خوشه­ای، ژنوتیپ­ها را به چهار گروه تفکیک و تجزیه به مؤلفه­های اصلی درستی این گروه­بندی را تأئید کرد.
نتیجه‌گیری: اندازه نسبتا بالای شاخص محتوای اطلاعات چندشکلی (368/0)، نشان داد که نشانگرهای به­کار رفته در این پژوهش از اطلاعات ژنتیکی مناسب از لحاظ  تعداد آلل­های شناسایی شده و نیز توزیع فراوانی مناسب در ژنوم گیاه فریزیا برخوردار بوده و کارایی بالای خود را در تفکیک ژنوتیپ­ها نشان دادند. همچنین بر اساس شاخص­های تنوع ژنی برآورد شده، بین والدین و دورگ­های حاصل از تلاقی آن­ها اختلاف معنی داری مشاهده نشد. با وجود این، سطح تنوع ژنتیکی موجود قابل قبول بوده و می­توان از این تنوع در برنامه­های به­نژادی فریزیا بهره­برداری نمود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Evaluation of genetic diversity of Freesia hybrida genotypes using ISSR marker

نویسندگان [English]

  • Zahra Arabi 1
  • Alaeddin Kordenaeej 1
  • Mohammad Hossein Azimi 2
  • Maryam Karimi Alavijeh 3
1 Department of Agrobiotechnology, College of Agriculture, Shahed University, Tehran, Iran
2 rnamental Plants Research Center (OPRC), Horticultural Sciences Research Institute (HSRI), Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Mahallat, Iran.
3 Ornamental Plants Research Center (OPRC), Horticultural Sciences Research Institute (HSRI), Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Mahallat, Iran
چکیده [English]

Objective
The objective of present study was to evaluate the genetic diversity within 23 genotypes of Freesia hybrida including 6 parents and their 17 F1 hybrids, using 10 ISSR primers in order to utilize such diversity in breeding program of this plant.
 
Materials and methods
After extraction of genomic DNA from fresh leaves and amplification of marker regions by the PCR, followed by the electrophoresis, a matrix of binary data was created based on scoring of electrophoretic bands. Marker parameters including number of polymorphic loci, polymorphism information content, effective multiple ratio, resolution power index, and marker index as well as genetic variation indices including observed number of alleles, effective number of alleles, Nei's gene diversity index, and Shannon's information index were calculated by using the ISSR marker data. Principle components analysis based on the Jaccard similarity coefficient with UPGMA algorithm were done followed by the cluster analysis using Dice coefficient and based on Ward’s grouping method.
 
Results
Out of 110 amplified loci of the 10 ISSR markers, the mean of polymorphism percentage 94.7% within the used genotypes was estimated. Maker IS-HB11 showed maximum number of polymorphic loci (12), effective multiple ratio (7.93), resolution power index (7.83), and marker index (2.67) as well. Cluster analysis grouped genotypes into four clusters, which was confirmed by the result of principle component analysis.
 
Conclusions
Relative high value of the polymorphism information content (0.368), showed that the ISSR makers utilized in present study were genetically well informative regarding to the number of identified alleles and their distribution in the genome of Freesia. Based on the gene diversity indices, there was no significant difference between the parental genotypes and the F1 hybrids in terms of genetic variation. However, the level of this variation was acceptable and is capable to be utilized for breeding program in this plant.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cluster analysis
  • Gene diversity
  • marker index
  • Principle component analysis
عطاری سیده زینب، شور محمود، قربانزاده نقاب محمود، تهرانی فر علی، ملک زاده شفارودی سعید (1395) بررسی تنوع ژنتیکی برخی ژنوتیپ‌های زنبق (Iris spp) با استفاده از نشانگر مولکولی ISSR. نشریه علوم باغیانی 30، 376- 382.
عرفانی ملیحه، محب الدینی مهدی،  قنبری علیرضا، صباغ نیا ناصر (1397) ارزیابی روابط فیلوژنتیکی توده­های مختلف ترشک (Rumex spp.) بومی ایران با استفاده از نشانگرISSR ، صفت­های ریخت شناسی و بررسی ساختار روزنه­ای آن­ها. تاکسونومی و بیوسیستماتیک 34، 7-18.
قنبری همدانی سمیه، عصری یونس، مهرگان ایرج (1399) مطالعه تنوع ژنتیکی و ساختار جمعیتی Ephedra major  در ایران. رستنی­ها 21(2)، 231-247.
محمدی  سید ابوالقاسم (1385) تجزیه و تحلیل داده­های مولکولی از دیدگاه بررسی تنوع ژنتیکی. نهمین کنگره علوم زراعت و اصلاح نباتات ایران، 5 شهریور 1385، تهران، ایران.
مؤمنی حسن، شیران بهروز، خدامباشی محمود، چغامیرزایی کیانوش (1392) بررسی تنوع ژنتیکی جمعیت­های گونه لاله واژگون (Fritillaria imperialis L.) در منطقه زاگرس ایران با استفاده از نشانگرهای مولکولی ISSR و صفات مورفولوژیکی. فصلنامه علوم باغبانی ایران 44(1)، 61-72.
Anderson NO (2007) Flower breeding and genetics. Springer, the Netherlands, 848 pages.
Attari SZ, Shoor M, Ghorbanzadeh Neghab M, et al. (2016) Evaluation of genetic diversity of Iris genotypes (Iris spp) using ISSR. Hortic Sci 30(3), 376- 382 (In Persian).
Botstein D, White RL, Skalnick MH, Davies RW (1980) Construction of a genetic linkage map in man using restriction fragment length polymorphism. Am J Human Genet 32, 314-331.
Bryan JE (2002) Bulbs. Timber Press. Portland, Oregon, USA. 524 pages.
Chesnokov YV, Artemyeva AM (2015) Evaluation of the measure of polymorphism information of genetic diversity. Agric Biol 50(5), 571-578.
Debener T (2012) Molecular markers for ornamental plant genetics, genomics and breeding. Acta Hortic 953, 193-200.
Doyle JJ, Doyle JL (1990) Isolation of plant DNA from fresh tissue. Focus 12(1), 12-15.
Erfani M, Mohebodini M, Ghanbari A, Sabbaghnia N (2017) Investigating phylogenetic relationships in Iranian Docke ecotypes (Rumex spp.) using ISSR markers, morphological features, and their stomata structure. Taxon Biosyst 34, 7-18 (In Persian).
Ghanbari Hamedani S, Asri Y, Mehregan I (2020) Genetic diversity and population structure of Iranian Ephedra major. Rostaniha 21(2), 231–247 (In Persian).
Jamali M, Ghanbari A, Estaji A et al. (2019) Genetic diversity of dog rose (Rosa canina L.) using ISSR markers. Iran J Genet Plant Breed 8, 1-8.
Kayis SA, Hakki EE, Pinarkara E (2010) Comparison of effectiveness of ISSR and RAPD markers in genetic characterization of seized marijuana (Cannabis sativa L.) in Turkey. Afr J Agric Res 5(21), 2925-2933.
Konopiński MK (2020) Shannon diversity index: a call to replace the original Shannon’s formula with unbiased estimator in the population genetics studies. Peer J 8, e9391.
Lewontin RC (1972) The apportionment of human diversity. Evol Biol 6, 381–398.
Ma X, Zhang XQ, Zhou YH et al. (2008) Assessing genetic diversity of Elymus sibiricus (Poaceae: Triticeae) populations from Qinghai-Tibet Plateau by ISSR markers. Biochem Sys Ecol 36(7), 514-522.
Mohammadi SA (2006) Analysis of molecular data from the perspective of genetic diversity evaluation, Proc. of 9th Iranian congress of agricultural sciences and plant breeding, Aug. 27, 2006. Tehran, Iran (In Persian).
Momeni H, Shiran B, Khodambashi M, Choghamirzaie, K (2013) Evaluation of genetic diversity of Fritillaria imperialis L. populations in zagros region of Iran using ISSR markers. Hortic Sci 44 (1), 61- 72 (In Persian).
Nadeem MA, Nawaz MA, Shahid MQ et al. (2018) DNA molecular markers in plant breeding: current status and recent advancements in genomic selection and genome editing. Biotechnol Biotechnol Equip 32, 261-285.
Ng W, Tan SG (2015) Inter-simple sequence repeat (ISSR) markers: are we doing it right? ASM Sci J 9,30–39.
Nie M (1978) Estimation of average heterozygosity and genetic distance from a small number of individuals. Genetics 89, 583–90.
Reddy MP, Sarla N, Siddiq EA (2002) Inter simple sequence repeat (ISSR) polymorphism and its application in plant breeding. Euphytica 128(1), 9-17.
Roldán-Ruiz I, Dendauw J, Van Bockstaele E et al. (2000) AFLP markers reveal high polymorphic rates in ryegrasses (Lolium spp.). Mol Breed 6, 125–134.
Rout GR and Mohapatra A (2006) Use of molecular markers in ornamental plants: A critical reappraisal. Eur J Hortic Sci 71(2), 53-68.
Soengas P, Velasco P, Padilla G et al. (2006) Genetic relationships among Brassica napus crops based on SSR markers. Hort Science 41(5), 1195-1199.
Talas Ogras T, Koban E, Metin K et al. (2017) Assessment of genetic diversity of rose genotypes using ISSR markers. Turk J Botany 41(4), 347-355
Tsumura Y, Ohba K, Strauss SH (1996) Diversity and inheritance of inter-simple sequence repeat polymorphisms in Douglas-fir (Pseudotsuga menziesii) and Sugi (Cryptomeria japonica). Theor Appl Genet 92(1), 40–45.
Vijayan K (2005) Inter simple sequence repeat (ISSR) polymorphism and its application in mulberry genome analysis. Int J Ind Entomol 10(2), 79-86.
Ward JH (1963) Hierarchical Grouping to Optimize an Objective Function. J Am Stat Assoc 58, 236–244.
Watanabe KN, Watanabe JA (2000) Genetic diversity and molecular genetics of ornamental plant species. Biotechnol Biotechnol Equip 14(2), 19-2.
Zhang LJ, Dai SL 2010 Genetic variation within and among populations of Orychophragmus violaceus (Cruciferae) in China as detected by ISSR analysis. Genet Resour Crop Evol 57(1), 55-64.
Zietkiewicz E, Rafalski A, Labuda D (1994) Genome fingerprinting by simple sequence repeat (SSR)-anchored polymerase chain reaction amplification. Genomics 20 (2), 176–183.