تأثیر ژن‌های بهاره‌سازی و دوره نوری بر گلدهی گندم نان (Treaticum aestivum L.) با استفاده از لاین‌های ایزوژن نزدیک در سه زمینه ژنتیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دکتری اصلاح نباتات، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران.

2 استادیار، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی ، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران

3 دانشیار، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی ، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران.

4 استاد، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی ، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران

چکیده

هدف: زمان گلدهی در گندم توسط سه گروه ژنی شامل ژن‌های مسئول دوره نوری، بهاره‌سازی و زودرسی ذاتی کنترل می‌شود. هدف از این پژوهش بررسی تأثیر ژن‌های بهاره‌سازی و دوره نوری بر گلدهی گندم نان با استفاده از لاین‌های ایزوژن نزدیک در سه زمینه ژنتیکی بود.
مواد و روش‌ها: از زودسنبله‌ده‌ترین و دیرسنبله‌ده‌ترین ژنوتیپ‌های سه جمعیت نسل BC5F2 حاصل از تلاقی برگشتی ارقام ایرانی کل‌حیدری، مهدوی و روشن (والدین تکراری) با رقم استرالیایی اکسکلیبر (والد بخشنده زودرسی) به همراه والدین تلاقی‌ها (ارقام کل‌حیدری، مهدوی، روشن و اکسکلیبر) استخراج DNA ژنومی صورت گرفت. از واکنش زنجیره‌ای پلیمراز (PCR) با استفاده از آغازگرهای اختصاصی برای تکثیر ژن‌های Ppd و Vrn استفاده شد.
نتایج: دو رقم اکسکلیبر و مهدوی در مکان ژنی Ppd-D1 دارای آلل Ppd-D1a و ارقام روشن و کل‌حیدری دارای آلل Ppd-D1b بودند. در این مکان ژنی مطابق انتظار، نتاج زودسنبله‌ده و دیرسنبله‌ده زمینه ژنتیکی رقم مهدوی شبیه والدین بودند. در زمینه ژنتیکی رقم روشن، نتاج دیرسنبله‌ده هموزیگوت و شبیه والد تکراری اما نتاج زودسنبله‌ده هتروزیگوت بود. در زمینه ژنتیکی رقم کل‌حیدری نتاج زودسنبله‌ده و دیرسنبله‌ده هر دو هتروزیگوت بودند. دلیل این امر می‌تواند وجود یک سری ژن‌های تغییردهنده باشد که تحت تأثیر زمینه ژنتیکی هستند. ارقام اکسکلیبر، کل‌حیدری و مهدوی در مکان ژنی Vrn-B1 دارای آلل Vrn-B1a و در مکان ژنی Vrn-D1 دارای آلل vrn-D1 بودند. رقم روشن در مکان ژنی Vrn-B1 دارای آلل vrn-B1 و در مکان ژنی Vrn-D1 دارای آلل Vrn-D1a بود. از آنجایی‌که ارقام اکسکلیبر، کل‌حیدری و مهدوی تنوع ژنتیکی نداشتند، مطابق انتظار نتاج زودسنبله‌ده و دیرسنبله‌ده در زمینه‌های ژنتیکی ارقام کل‌حیدری و مهدوی در هر دو مکان‌ ژنی شبیه والدین بودند. در زمینه ژنتیکی رقم روشن، از آنجا که آلل زمستانه مکان ژنی Vrn-B1 و آلل بهاره مکان ژنی Vrn-D1 ایجاد زودرسی می‌نمایند، نتاج زودسنبله‌ده و دیرسنبله‌ده شبیه والد تکراری بودند.
نتیجه‌گیری:
آلل Ppd-D1a در زمینه ژنتیکی رقم روشن به خوبی توانست نتاج زودسنبله‌ده را از دیرسنبله‌ده تفکیک نماید، این نتیجه اهمیت و نقش این آلل را در زودرسی نشان می‌دهد. نتاج زودسنبله‌ده و دیرسنبله‌ده زمینه ژنتیکی رقم روشن از لحاظ دو مکان ژنی Vrn-B1 و Vrn-D1 تفاوت نداشتند. دلیل این امر آن است که این نتاج حاصل تلاقی برگشتی پنجم ارقام روشن و اکسکلیبر می‌باشند و تا این نسل فقط گزینش فنوتیپی برای زودرسی انجام شده بود و ژن‌های مسئول دیررسی در این مکان‌های ژنی طی گزینش فنوتیپی حذف شده‌اند.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

The Effect of Photoperiod and Vernalization Genes on Phenology of Bread Wheat (Treaticum aestivum L.) in Three Genetic Backgrounds Using Near-isogenic Lines (NILs)

نویسندگان [English]

  • Maryam Dorrani-Nejad 1
  • Ali Kazemi Pour 2
  • Ali Akbar Maghsoudi Moud 3
  • Roohollah Abdoshahi 4
1 Ph.D. Plant Breeding, Department of Plant Genetics and Production Engineering, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
2 Assistant Professor, Department of Plant Genetics and Production Engineering, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
3 Associate Professor, Department of Plant Genetics and Production Engineering, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran,
4 Professor, Department of Plant Genetics and Production Engineering, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
چکیده [English]

Objective
Flowering time in bread wheat is controlled by three groups of genes including photoperiod (Ppd), vernalization (Vrn) and earliness per se (Eps). The objective of the present study was to assess the effect of photoperiod and vernalization genes on phenology of bread wheat using near-isogenic lines (NILs) in three genetic backgrounds.
Materials and methods
Genomic DNA was extracted from parents, the earliest and the latest heading genotypes of each BC5F2 population obtained from backcrossing three Iranian cultivars including Roshan, Mahdavi and Kalheydari (recurrent parents) with Australian cultivar, Excalibur (donor parent). PCR was performed using specific primers for Ppd and Vrn genes.
Results
Excalibur and Mahdavi had Ppd-D1a allele whereas Kalheydari and Roshan were carrying Ppd-D1b allele. As it was expected, early and late heading progeny of Mahdavi were similar to parents. Late heading progeny of Roshan was homozygote and similar to recurrent parent whereas early heading progeny was heterozygote. Early and late heading progeny of Kalheydari were heterozygote. The reason for this could be the presence of modifier genes that are influenced by genetic background. Excalibur, Kalheydari and Mahdavi were possessed Vrn-B1a and vrn-D1 alleles, while Roshan carried vrn-B1 and Vrn-D1a alleles in Vrn-B1 and Vrn-D1 loci, respectively. Since Excalibur, Kolhaydari and Mahdavi did not show genetic diversity, as it was expected, early and late heading progeny were similar to their parents. In Roshan background, since vrn-B1 and Vrn-D1a improve earliness, early and late heading progeny were similar to recurrent parent.
Conclusions
The Ppd-D1a allele discriminated early and late heading progeny of Roshan genetic background. This result showed the importance and role of this gene on earliness. Early and late heading progeny of Roshan were similar to Vrn-B1 and Vrn-D1 loci. The reason is phenotypic selection for earliness in backcrossing program, where genes controlling late maturity have not selected during phenotypic selection.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bread wheat
  • Earliness
  • Near-isogenic Lines
  • Photoperiod genes
  • Vernalization genes

مراجع

امینی‌زاده سمیه، عبدالشاهی روح اله، پورسیدی شهرام و همکاران (1401) تأثیر ژن‌های VRN1 و Ppd1 بر صفات مهم زراعی گندم نان. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 14(1)، 134-117.
فرودی‌صفات شهرزاد، عبدالشاهی روح اله، مهیجی مهدی (1399) تاثیر گزینش ژن Ppd-D1a و زودسنبله‌دهی بر صفات مهم زراعی گندم نان (Triticum aestivum L.). مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 12(3)، 44-25.
نظری محسن، ایزانلو علی، قادری محمدقادر، علیزاده زهره (1395) بررسی تنوع آللی ژن‌های VRN1 و Ppd1 در ارقام مختلف گندم نان. مجله بیوتکنولوژی کشاورزی 8(1)، 124-111.
References
Addisu M, Snape JW, Simmonds JR, Gooding MJ (2009) Reduced height (Rht) and photoperiod insensitivity (Ppd) allele associations with establishment and early growth of wheat in contrasting production systems. Euphytica 166, 249-267.
Amasino R (2004) Vernalization, competence, and he epigenetic memory of winter. Plant cell 16, 2553-2559.
Aminizadeh S, Abdolshahi R, Pourseyedi S et al. (2022) Effect of Ppd and Vrn genes on important agronomic traits of bread wheat (Triticum aestivum L.). Agric Biotechnol J 14(1), 117-134.
Andeden E, Yediay F, Baloch F et al. (2011) Distribution of vernalization and photoperiod genes (Vrn-A1, Vrn-B1, Vrn-D1, Vrn-B3, Ppd-D1) in Turkish bread wheat cultivars and landraces. Cereal Res Commun 39(3), 352-364.
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.
Cane K, Eagles HA, Laurie DA et al. (2013) Ppd-B1 and Ppd-D1 and their effects in southern Australian wheat. Crop Pasture Sci 64(2), 100-114.
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 8, 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.
Distelfeld A, Li C, Dubcovsky J (2009) Regulation of flowering in temperate cereals. Curr Opin Plant Biol 12(2), 178-184.
Dubcovsky J, Lijavetzky D, Appendino L, Tranquilli G (1998) Comparative RFLP mapping of Triticum monococcum genes controlling vernalization requirement. Theor Appl Genet 97, 968-975.
Flhor BM, Hunt JR, Kirkegaard JA et al. (2018) Fast winter wheat phenology can stabilise flowering date and maximise grain yield in semi-arid Mediterranean and temperate environments. Field Crops Res 223, 12-25.
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(3), 25-44 (In Persian).
Foulkes MJ, Sylvester-Bradley R, Worland AJ, Snape JW (2004) Effects of a photoperiod-response gene Ppd-D1 on yield potential and drought resistance in UK winter wheat. Euphytica 135(1), 63-73.
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.
Galiba GQ, Quarrie SA, Sutka J et al. (1995) RFLP mapping of the vernalization (Vrn1) and frost resistance (Fr1) genes on chromosome 5A of wheat. Theor Appl Genet 90, 1174-1179.
Hemming MN, Fieg S, James Peacock W et al. (2009) Regions associated with repression of the barley (Hordeum vulgare) vernalization1 gene are not required for cold induction. Mol Genet Genomics 282, 107-117.
Iqbal M, Navabi A, Salmon DF et al. (2007) Genetic analysis of flowering and maturity time in high latitude spring wheat: genetic analysis of earliness in spring wheat. Euphytica 154, 207-218.
Iqbal M, Shahzad A, Ahmed I (2011) Allelic variation at the Vrn-A1, Vrn-B1, Vrn-D1, Vrn-B3 and Ppd-D1a loci of Pakistani spring wheat cultivars. Electron J Biotechnol 14(1), 1-2.
Kamran A, Iqbal M, Spaner D (2014) Flowering time in wheat (Triticum aestivum L.): a key factor for global adaptability. Euphytica 197, 1-26.
Langer SM, Longin CFH, Würschum T (2014) Flowering time control in European winter wheat. Front Plant Sci 5, 537.
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(1), 111-124 (In Persian).
Nitcher R, Pearce S, Tranquilli G et al. (2014) Effect of the Hope FT-B1 allele on wheat heading time and yield components. J. Hered. 105(5), 666- 675.
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, 1819-1835.
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.
Royo C, Dreisigacker S, Soriano JM et al. (2020) Allelic variation at the vernalization response (Vrn-1) and photoperiod sensitivity (Ppd-1) genes and their association with the development of durum wheat landraces and modern cultivars. Front Plant Sci 11, 838.
Shcherban AB, Börner A, Salina EA (2015) Effect of VRN1 and PPDD1 genes on heading time in European bread wheat cultivars. Plant Breed 134(1), 49-55.
Snape JW, Butterworth K, Whitechurch E, Worland AJ (2001) Waiting for fine times: genetics of flowering time in wheat. In Wheat in a Global Environment: Proceedings of the 6th International Wheat Conference, 5–9 June 2000, Budapest, Hungary (pp. 67-74). Springer Netherlands.
Trevaskis B, Hemming MN, Dennis ES, Peacock WJ (2007) The molecular basis of vernalization-induced flowering in cereals. Trends Plant Sci 12(8), 352-357.
Worland AJ (1996) The influence of flowering time genes on environmental adaptability in Europ wheats Euphytica 89, 49-57.
Worland AJ, Börner A, Korzun V et al. (1998) The influence of photoperiod genes on the adaptability of European winter wheats. Euphytica 100, 385-394.
Yan L, Helguera M, Kato K et al. (2004) Allelic variation at the VRN-1 promoter region in polyploid wheat. Theor Appl Genet 109, 1677-1686.
Zaitseva OI, Lemesh VA (2015) Allelic composition in the Vrn-A1, Vrn-B1, and Vrn-B3 genes of double haploid lines of hexaploid triticale. Russ J Genet 51, 653-660.
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(2), 458-470.
Zhang YP, Uyemoto JK, Kirkpatrick BC (1998) A small-scale procedure for extracting nucleic acids from woody plants infected with various phytopathogens for PCR assay. J. Virol Meth 71(1), 45-50
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 15، شماره 3
مهر 1402
صفحه 295-310

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار