تاثیر ژن‌های Ppd و Vrn بر صفات زراعی مهم گندم نان (Triticum aestivum L.)

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه زراعت و اصلاح نباتات، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران.

2 زراعت و اصلاح نباتات- دانشکده کشاورزی- دانشگاه شهید باهنر کرمان

3 دانشیار گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر، کرمان، ایران.

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

5 کرمان عضو هیات علمی دانشگاه شهید باهنر کرمان

چکیده

هدف: زودرسی به عنوان مکانیزم سازگاری در محیط‌هایی با گرما و خشکی آخر فصل و یک صفت مهم در برنامه‌های به‌نژادی گندم است. Ppd و Vrn مهم‌ترین ژن‌های کنترل کننده زودرسی هستند. هدف از این تحقیق بررسی تاثیر ژن‌های Ppd و Vrn بر زودرسی، عملکرد و صفات مهم زراعی در نسل BC4F2 حاصل از تلاقی برگشتی روشن (والد تکراری) و اکسکلیبر بود
مواد و روش‌ها: جمعیت BC4F2 حاصل از تلاقی روشن و اکسکلیبر در دانشگاه شهید باهنر کرمان ایجاد شد. در این برنامه‌ی به‌نژادی، صفت زود گلدهی از رقم اکسکلیبر به رقم روشن انتقال داده شد (روشن به عنوان والد تکراری بود). این جمعیت ، شامل 175 ژنوتیپ نسل BC4F2، و والدین آنها در سال زراعی 1399-1398 در مزرعه تحقیقاتی دانشگاه شهید باهنر کرمان کشت شدند. والدین و نتاج با استفاده از نشانگرهای اختصاصی Vrn و Ppd ژنوتیپ‌یابی شدند. در این جمعیت زودرسی، عملکرد و صفات مهم زراعی بررسی شد.
نتایج: در جایگاه ژنی Ppd-1، رقم اکسکلیبر دارای آلل Ppd-D1a و رقم روشن دارای آلل Ppd-D1b بود. فراوانی آلل Ppd-D1a در جمعیت مورد بررسی 33/27 درصد، و بیش‌ترین فراوانی آللی مربوط به آلل‌های هتروزیگوت (45 درصد) بود. در جمعیت مورد بررسی ژنوتیپ‌ Ppd-D1a/ Ppd-D1a نسبت به /Ppd-D1b Ppd-D1b به طور متوسط 6 روز و نسبت به ژنوتیپ هتروزیگوت به طور متوسط 4 روز زودتر وارد فاز زایشی شدند. تغییرات آللی در مکان ژنی Vrn -1 در جمعیت مورد مطالعه نشان می‌دهد که بین نتاج در این تلاقی تنوع آللی وجود ندارد. زود سنبله‌دهی با عملکرد دانه، وزن 1000 دانه، تعداد سنبله بارور و تعداد دانه در بوته همبستگی منفی و معنی‌داری داشت.
نتیجه‌گیری: این نتایج اهمیت ژن Ppd-D1a در زودرسی و بهبود عملکرد و اجزای عملکرد را تأیید می‌کند. گزینش برای زودسنبله‌دهی باعث افزایش عملکرد دانه، وزن 1000 دانه، تعداد سنبله بارور، عملکرد بیولوژیک و وزن خشک سنبله شد. با توجه به تاثیر بزرگ و معنی دار ژن Ppd-D1a بر عملکرد و اجزای عملکرد، توصیه می‌گردد در برنامه‌های به­نژادی گندم، گزینش به کمک نشانگر این ژن مورد توجه قرار گیرد. تا قبل از نسل BC4F2 گزینش فنوتیپی انجام شد و تنوع ژن Vrn در جمعیت تثبیت شده بود.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Effect of Ppd and Vrn genes on important agronomic traits of bread wheat (Triticum aestivum L.)

نویسندگان [English]

  • Somayeh Aminizadeh 1
  • Roohollah Abdolshahi 2
  • Shahram Pourseyedi 3
  • Qasem Mohammadi Nezhad 4
  • Mahdi Mohayeji 5
  • Hasan Farahbakhsh 1
1 , Department of Agronomy and Plant Breeding, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran.
2 Shahid Bahonar University of Kerman
3 Dept. Agricultural Biotechnology, College of Agriculture, Shahid Bahonar University, Kerman, Iran.
4 استاد، گروه زراعت و اصلاح نباتات و پژوهشکده فناوری تولیدات گیاهی (RTIPP)، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران
5 Dept. of Agronomy and Plant Breeding, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman
چکیده [English]

Objective
Early heading as an adaptation mechanism for end season heat and drought stress is an important goal in wheat breeding programs. Photoperiod (Ppd) and vernalization (Vrn) are the most important genes controlling early heading in bread wheat. The aim of the present study was to investigate the effect of Ppd and Vrn genes on early heading, grain yield and important agronomic traits in BC4F2 generation of Roshan (recurrent parent) and Excalibur backcross.
Materials and methods
A BC4F2 population resulted from backcross of Roshan and Excalibur was generated in Shahid Bahonar University of Kerman. In this breeding program, early heading was transferred from Excalibur cultivar to Roshan (recurrent parent). This population, including 175 BC4F2 progenies, and their parents were cultivated in the research field of Shahid Bahonar University of Kerman in the 2019-2020 growing season. The progenies were genotyping using specific markers Vrn-B1, Vrn-D1 and Ppd-D1. In this population, early heading, grain yield and important agronomic traits were evaluated.
Results
Excalibur and Roshan had Ppd-D1a, and Ppd-D1b alleles, respectively. The frequency of Ppd-D1a/Ppd-D1a and heterozygous genotypes in the evaluated population were 27.33% and 415%, respectively. In this population, Ppd-D1a/Ppd-D1a, which is photoperiod insensitive genotype, was 6 and 4 days earlier heading than Ppd-D1b/Ppd-D1b and Ppd-D1a/Ppd-D1b genotypes, respectively. There was no allelic diversity between progeny for Vrn-1 locus. Early heading had a significant negative correlation with grain yield, 1000-grain weight, spikes number and grains number per spike.
Conclusions
The results confirm the importance of Ppd-D1a gene in the early heading, grain yield and yield components. Selection for early heading increased grain yield, 1000-grain weight, spikes number, biological yield, stover biomass at harvest and spikes dry weight. Due to the large and significant effect of Ppd-D1a gene on grain yield and yield components, we recommend marker assisted selection of this gene in wheat breeding programs. Phenotypic selection was performed before BC4F2 generation and Vrn gene diversity was established in the population.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bread wheat
  • Early heading
  • Marker assisted backcrossing (MAB)
  • photoperiod genes (Ppd)
  • Vernalization genes (Vrn)
درانی‌نژاد مریم، عبدالشاهی روح اله، کاظمی‌پور علی، مقصودی مود علی اکبر (1398) تاثیر زودسنبله‌دهی بر عملکرد و اجزای عملکرد در سه زمینه زنتیکی متفاوت گندم نان ایرانی. نشریه زراعت دیم ایران 8، 152-141.
فرودی‌صفات شهرزاد، عبدالشاهی روح اله، مهیجی مهدی (1399) تاثیر گزینش ژن Ppd-D1a و زود سنبله‌دهی بر صفات مهم زراعی گندم نان (Triticum aestivum L.). مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 12، 44-25.
محمدفام مهناز، گلکاری صابر، صادق‌زاده بهزاد (1395) شناسایی ملکولی تنوع اللی در مکان‌های زنی VRN-1 و VRN-B3، کنترل‌کننده نیاز بهاره‌سازی در ژنوتیپ‌های گندم بر مبنای چند شکلی موجود در پروموتر و نواحی اینترون. نشریه زراعت دیم ایران 5، 245-185.
نظری محسن، ایزانلو علی، قادری محمد قادر، علیزاده زهره (1395) بررسی تنوع آللی ژن‌های VRN1 و Ppd1 در ارقام مختلف گندم نان. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 8، 124-111.
 
 
 
References
Abdolshahi R, Nazari M, Safarian A et al. (2015) Integrated selection criteria for drought tolerance in wheat (Triticum aestivum L.) breeding programs using discriminant analysis. Field Crops Res 174, 20-29.
Abdolshahi R, Safarian A, Nazari M et al. (2013) Screening drought-tolerant genotypes in bread wheat (Triticum aestivum L.) using different multivariate methods. Arch Agron Soil Sc 59, 685-704.
Aisawi KAB, Reynolds MP, Singh RP, Foulkes MJ (2015) The physiological basis of the genetic progress in yield potential of CIMMYT spring wheat cultivars from 1966 to 2009. Crop Sci 55, 1749-1764.
Álvaro F, Isidro J, Villegas D et al. (2008) Breeding effects on grain filling, biomass partitioning, and remobilization in Mediterranean durum wheat. Agron J 100, 361-370.
Araus JL, Cairns JE (2014) Field high-throughput phenotyping: the new crop breeding frontier. Trends Plant Sci 19, 52-61
Beales J, Turner A, Griffiths S et al. (2007) A pseudo-response regulator is misexpressed in the photoperiod insensitive Ppd-D1a mutant of wheat (Triticum aestivum L.). Theor Appl Genet 115, 721-733.
Chen A, Dubcovsky J (2012) Wheat TILLING mutants show that the vernalization gene VRN1 down-regulates the flowering repressor VRN2 in leaves but is not essential for flowering. PLoS Genet 12, e1003134.
Chen H, Moakhar NP, Iqbal M et al. (2016) Genetic variation for flowering time and height reducing genes and important traits in western Canadian spring wheat. Euphytica 208, 377-390.
Chen L, Yang Y, Cui C et al. (2018) Effects of Vrn-B1 and Ppd-D1 on developmental and agronomic traits in Rht5 dwarf plants of bread wheat. Field Crops Res 219, 24-32.
Chouard P (1960) Vernalization and its relations to dormancy. Annu Rev Plant Physiol 11, 191-238.
Diab AA, Teulat-Merah B, This D et al. (2004) Identification of drought-inducible genes and differentially expressed sequence tags in barley. Theor Appl Genet 109, 1417-1425.
Díaz A, Zikhali M, Turner AS et al. (2012) Copy number variation affecting the Photoperiod-B1 and Vernalization-A1 genes is associated with altered flowering time in wheat (Triticum aestivum). PloS One 7(3), e33234.
Dorrani-Nejad M, Abdoshahi R, Kazemi Pour A, Maghsoudi Moud AK (2020) Effect of early heading on yield and yield components of three Iranian wheat genetic backgrounds. Iranian J. Dryland Agric 8, 141-152 (In Persian).
Foroodi safat Sh, Abdolshahi R, Mohayeji M Maghsodi-mod A (2020) Effect of selection for Ppd-D1a gene and early heading on important agronomic trait of bread wheat (Triticum aestivum L.). Agric Biotechnol J 12, 25-44 (In Persian).
Fu D, Szűcs P, Yan L et al. (2005) Large deletions within the first intron in VRN-1 are associated with spring growth habit in barley and wheat. Mol Genet Genomics 273, 54-65.
Ishimaru T, Hirabayashi H, Ida M et al. (2010) A genetic resource for early-morning flowering trait of wild rice Oryza officinalis to mitigate high temperature-induced spikelet sterility at anthesis. Ann Bot 106, 515-520
Izanloo A, Condon AG, Langridge P et al. (2008) Different mechanisms of adaptation to cyclic water stress in two South Australian bread wheat cultivars. J Exp Bot 59(12), 3327-3346
Kamran A, Iqbal M, Spaner D (2014) Flowering time in wheat (Triticum aestivum L.): a key factor for global adaptability. Euphytica 197, 1-26.
Kilic H and Yagbasanlar T (2010) The effect of drought stress on grain yield, yield components and some quality traits of durum wheat (Triticum turgidum ssp. durum) cultivars. Not Bot Horti Agrobot Cluj Napoca 38, 164–170.
Kiss T, Balla K, Veisz O et al. (2014) Allele frequencies in the VRN-A1, VRN-B1 and VRN-D1 vernalization response and PPD-B1 and PPD-D1 photoperiod sensitivity genes, and their effects on heading in a diverse set of wheat cultivars (Triticum aestivum L.). Mol Breed 34, 297-310.
Langer SM, Longin CFH, Würschum T (2014) Flowering time control in European winter wheat. Front Plant Sci 5, 537.
Lopes MS, Reynolds MP, Manes Y et al. (2012) Genetic yield gains and changes in associated traits of CIMMYT spring bread wheat in a “historic” set representing 30 years of breeding. Crop Sci 52, 1123-1131
Mir RR, Zaman-Allah M, Sreenivasulu N et al. (2012) Integrated genomics, physiology and breeding approaches for improving drought tolerance in crops. Theor Appl Genet 125, 625-645.
Mohammadfam M, Golkari S, Sadegzadeh B (2017) Molecular characterization of allelic variation at the VRN-1 and VRN-B3 loci controlling vernalization requirement in wheat genotypes based on polymorphism in the promoter and intron regions. Rainfed Agric Iran 5, 185-245 (In Persian).
Mondal S, Singh RP, Mason ER et al. (2016) Grain yield, adaptation and progress in breeding for early-maturing and heat-tolerant wheat lines in South Asia. Field Crops Res 192, 78-85.
Mondal S, Singh RP, Crossa J et al. (2013) Earliness in wheat: a key to adaptation under terminal and continual high temperature stress in South Asia. Field Crops Res 151, 19-26.
Nazari M, Izanlou A, Qaderi MQ, Alizadeh Z (2016) Evaluation of allelic diversity of VRN1 and Ppd1 genes in different bread wheat cultivars. Agric Biotechnol J 8, 111-124 (In Persian).
Ogbonnaya FC, Rasheed A, Okechukwu EC (2017) Genome-wide association study for agronomic and physiological traits in spring wheat evaluated in a range of heat prone environments. Theor Appli Genet 130, 1819-35.
Rahman MM, Crain J, Haghighattalab A et al. (2021) Improving wheat yield prediction using secondary traits and high-density phenotyping under heat-stressed environments. Front Plant Sci, 1977.
Royo C, Ammar K, Alfaro C et al. (2018) Effect of Ppd-1 photoperiod sensitivity genes on dry matter production and allocation in durum wheat. Field Crops Res 221, 358-367.
Saghai-Maroof MA, Soliman K, Jorgensen RA, Allard RW (1984) Ribosomal DNA spacer-length polymorphisms in barley: Mendelian inheritance, chromosomal location, and population dynamics. Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 81:8014-8018.
Salamini F, Özkan H, Brandolini A et al. (2002) Genetics and geography of wild cereal domestication in the near east. Nat Rev Genet 3, 429-441.
Salgotra RK, Stewart CN (2020) Functional markers for precision Plant breeding. Int J Mol Sci 21, 4792.
Shcherban AB, Börner A, Salina EA (2015) Effect of VRN‐1 and PPD‐D1 genes on heading time in European bread wheat cultivars. Plant Breed 134, 49-55.
Trevaskis B (2010) The central role of the VERNALIZATION1 gene in the vernalization response of cereals. Funct Plant Biol 37, 479-487.
Tshikunde NM, Mashilo J, Shimelis H, Odindo A (2019). Agronomic and physiological traits, and associated quantitative trait loci (QTL) affecting yield response in wheat (Triticum aestivum L.): a review. Front Plant Sci 10, 1428.
Zhang XK, Xiao YG, Zhang Y et al. (2008). Allelic variation at the vernalization genes Vrn-A1, Vrn-B1, Vrn-D1, and Vrn-B3 in Chinese wheat cultivars and their association with growth habit. Crop Sci 48, 458-70.
Zhang Z, Wang P, Li Y et al. (2014) Global transcriptome analysis and identification of the flowering regulatory genes expressed in leaves of Lagerstroemia indica. DNA Cell Biol 33,680-688.