پویش جامع ژنومی برای شناسایی نواحی ژنومی مرتبط با صفات فیزیولوژی و زراعی در گندم نان تحت شرایط تنش خشکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی کارشناسی ارشد ژنتیک و به نژادی گیاهی، گروه تولید وژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنرکرمان، کرمان، ایران.

2 استادیارژنتیک و به نژادی گیاهی، پژوهشکده فناوری تولیدات گیاهی، دانشگاه شهید باهنرکرمان، کرمان، ایران.

3 استاد ژنتیک و به نژادی گیاهی، گروه تولید وژنتیک گیاهی، پژوهشکده فناوری تولیدات گیاهی، دانشگاه شهید باهنرکرمان، کرمان، ایران. رایانامه

4 دانشجوی دکترای رشته ژنتیک و به نژادی گیاهی، گروه ژنتیک و به نژادی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران

چکیده

هدف: خشکی یکی از مهم‌ترین تنش‌های محیطی است که بر رشد و نمو گندم تأثیر منفی می‌گذارد. این مطالعه به منظور تعیین ساختار جمعیت و شناسایی نشانگرهای پیوسته با صفات فیزیولوژی و زراعی در گندم نان در شرایط تنش خشکی انجام شد.
مواد و روش‌ها: 238 ژنوتیپ مختلف گندم نان در قالب طرح بلوک‏های کامل تصادفی با دو تکرار در شرایط تنش خشکی مورد ارزیابی قرار گرفتند. صفات فیزیولوژی از جمله تبادل دی اکسید کربن، سرعت فتوسنتز و میزان کلروفیل و صفات مختلف زراعی شامل روز تا سنبله‏دهی، روز تا رسیدگی، طول و عرض برگ پرچم، ارتفاع بوته، وزن دانه در بوته، تعداد دانه در واحد سطح، عملکرد دانه و عملکرد بیولوژیک اندازه‏گیری شدند. تعیین ژنوتیپ با استفاده از آرایه چند شکلی تک نوکلئوتیدی(SNP) با تراکم 9K در شرکت TraitGenetic کشور آلمان صورت گرفت. تجزیه ساختار جمعیت با استفاده از 17093 نشانگر SNP و در محیط R انجام شد. تجزیه ارتباطی بین داده‏های فنوتیپی و نشانگرهای SNP با استفاده از نرم افزار TASSEL و روش مدل خطی عمومی (GLM) انجام شد.
نتایج: بر اساس تجزیه ساختار جمعیت، 238 ژنوتیپ گندم در 5 زیرگروه تقسیم‌بندی شدند. در مجموع 132 ارتباط نشانگر-صفت (MTAs) برای صفات مختلف شناسایی شدند. از این بین چهار SNP، بر روی کرموزوم‌های 6B، 4A، و 6A با صفات تعداد دانه در واحد سطح، وزن دانه و عملکرد اثر پلیوتروپیک داشتند. تعداد هشت MTA برای وزن دانه بر روی کروموزوم‏های 4B، 5B، 6B و 7A شناسایی شد. بیشترین تعداد SNP بر روی کروموزوم 6B قرار داشتند که ناحیه‌ای را در فاصله 519-481 مگا جفت باز پوشش دادند. برای تعداد دانه در واحد سطح نیز دوازده MTA بر روی کروموزوم‏های 3B، 4A، 5A، 6A و 6B مکان‏یابی شدند. که بیشترین تعداد SNP در فاصله 561-492 مگا جفت باز و بر روی کروموزوم 6B قرار داشتند. این ناحیه از کرموزوم 6B با ناحیه شناسایی شده برای وزن دانه در بوته نیز هم‏پوشانی داشت، که نشان‏دهنده اهمیت این ناحیه از ژنوم گندم در بهبود عملکرد گندم نان می‌باشد.
نتیجه‌گیری: نتایج حاصل از این تحقیق به طور بالقوه به اصلاح‌کنندگان در بهبود افزایش پتانسیل عملکرد گندم کمک می‌کند. از نشانگرهای شناسایی شده می‏توان در برنامه‌های انتخاب به کمک نشانگر استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Genome-wide association mapping to identify genomic regions related to physiological and agronomic traits in bread wheat under drought stress conditions

نویسندگان [English]

  • Malihe Rahimi-Sadegh 1
  • Somayeh Sardouei-Nasab 2
  • Ghasem Mohammadi-Nejad 3
  • Shokoofeh KHandani 4
1 M.Sc. Student of Genetics and Plant Breeding, Department of Plant Production and Genetics, College of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
2 Assistant Professor of Genetics and Plant Breeding, Research and Technology Institute of Plant Production (RTIPP), Shahid-Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
3 Professor of Genetics and Plant Breeding, Research and Technology Institute of Plant Production (RTIPP), Shahid-Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran
4 Ph.D. Candidate of Genetics and Plant Breeding, College of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده [English]

Objective
Drought is one of the major environmental stresses that adversely affect the growth and development of wheat. This study aimed to determine the structure of the population and to identify markers associated with physiological and agronomic traits in bread wheat under drought stress conditions.
Materials and methods
A total of 238 bread wheat genotypes were evaluated using a randomized complete block design with two replications under drought stress conditions. Various physiological traits, including carbon dioxide exchange, photosynthesis rate, and chlorophyll content, as well as agronomic traits such as days to heading, days to maturity, flag leaf length and width, plant height, seed weight per plant, number of seeds per unit area, seed yield, and biological yield, were measured. Genotyping was performed using 9K SNP array. The population structure analysis was conducted using 17,093 SNP markers in R software. Marker-trait association (MATs) was carried out using GLM model in TASSEL.
Results
The analysis of population structure divided the 238 wheat genotypes into five subgroups. A total of 132 MTAs were identified for different traits. Notably, four SNPs, on chromosomes 6B, 4A and 6A exhibited pleiotropic effects on traits such as seed number per unit area, seed weight, and yield. Furthermore, eight MTAs for seed weight were identified on chromosomes 4B, 5B, 6B, and 7A. Chromosome 6B contained the highest number of SNPs, covering a region between 481-519 Mbp. For the number of seeds per unit area, 12 MTAs were located on chromosomes 3B, 4A, 5A, 6A, and 6B. The region with the highest number of SNPs was found between 561-492 Mbp on chromosome 6B, which overlapped with the region associated with seed weight per plant. These findings highlight the significance of this specific region in the wheat genome for improving bread wheat yield.
Conclusions
The results of this research provide valuable insights for breeders seeking to enhance wheat yield potential. Identified markers associated with key agronomic traits can be utilized in marker-assisted selection programs, aiding in the selection of desired traits.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bread wheat
  • Drought stress
  • SNP
  • Genome-wide association mapping

مراجع

محمدی یوسف، محمدی سید ابوالقاسم، مقدم محمد، روستایی مظفر( 1395) شناسایی نشانگرهای مولکولی پیوسته با ژنهای کنترل کننده عملکرد دانه، طول و عرض برگ پرچم و برگ دوم در گندم نان در شرایط دیم و آبیاری تکمیلی. فصلنامه تحقیقات غلات 6، 282-271.
References
Bhatta M, Morgounov A, Belamkar V, Baenziger PS (2018) Genome-wide association study reveals novel genomic regions for grain yield and yield-related traits in drought-stressed synthetic hexaploid wheat. Int J Mol Sci 19, 3011.
Cattivelli L, Reza F, Badeck FW et al. (2008) Drought tolerance improvement in crop plants: An integrated view from breeding to genomics. Field Crops Res 105, 1-14.
Chen S, Gao R, Wang H et al. (2015) Characterization of a novel reduced height gene (Rht23) regulating panicle morphology and plant architecture in bread wheat. Euphytica, 203, 583-594.
Cockram J, White J, Zuluaga DL et al. (2010) Genome-wide association mapping to candidate polymorphism resolution in the unsequenced barley genome. Proc Natl Acad Sci 107, 21611-21616.
Cui F, Li J, Ding A et al. (2011) Conditional QTL mapping for plant height with respect to the length of the spike and internode in two mapping populations of wheat. Theor Appl Genet 122, 1517-1536.
Edae EA, Byrne PF, Haley SD et al. (2014) Genome-wide association mapping of yield and yield components of spring wheat under contrasting moisture regimes. Theor Appl Genet 127,791-807.
Food and Agriculture Organization (2016) FAOSTAT database. http://faostat.fao.org/beta/en/.
François O (2016) Running structure-like population genetic analyses with R. R tutorials in population genetics, U. Grenoble‐Alpes, 1, 1-9.
Garris AJ, Tai TH, Coburn J, Kresovich S, McCouch S (2005) Genetic structure and diversity in Oryza sativa L. Genetics 169, 1631-1638.
Guan P, Lu L, Jia L et al. (2018) Global QTL analysis identifies genomic regions on chromosomes 4A and 4B harboring stable loci for yield-related traits across different environments in wheat (Triticum aestivum L.). Front Plant Sci 9, 529.
Gupta PK, Balyan HS, Gahlaut V (2017) QTL analysis for drought tolerance in wheat: present status and future possibilities. J Agron 7, e5.
Lesk C, Rowhani P, Ramankutty N (2016) Influence of extreme weather disasters on global crop production. Nature 529, 84–87.
Li J, Ji L (2005) Adjusting multiple testing in multilocus analyses using the eigenvalues of a correlation matrix. Heredity 95, 221-7.
Liang C, Ge Y, Su L. Bu J (2015) Response of plasma membrane H+-ATPase in rice (Oryza sativa) seedlings to simulated acid rain Environ. Sci Pollut Res 22, 535-545.
Maulana F, Ayalew H, Anderson JD et al. (2018) Genome-Wide Association Mapping of Seedling Heat Tolerance in Winter Wheat. Front Plant Sci 9, 1272.
Mohammadi Y, Mohammadi SA, Moghaddam M, Rostaei M (2016) Identification of molecular markers linked to the genes controlling width and length flag and second leaves and grain yield in bread wheat under rainfed and supplementary irrigation conditions. Cereal Res 6, 271-282 (In persian).
Peleg Z, Blumwald E (2011) Hormone balance and abiotic stress tolerance in crop plants. Curr Opin Plant Biol 14, 290-295.
Rajaram S (2010) Challenges in wheat research and development. The International Dimension of the American Society of Agronomy: Past and Future 1:39-47.
Rousset M, Bonnin I, Remoué C et al. (2011) Deciphering the genetics of flowering time by an association study on candidate genes in bread wheat (Triticum aestivum L.). Theor Appl Genet 123, 907-926
Saleem U, Khaliq I, Mahmood T, Rafique M (2006) Phenotypic and genotypic correlation coefficients between yield and yield components in wheat. J Agric Res 44, 1-6.
Schierenbeck M, Alqudah AM, Lohwasser U et al. (2021) Genetic dissection of grain architecture-related traits in a winter wheat population. BMC Plant Biol 21, 1-4.
Spataro G, Tiranti B, Arcaleni P et al. (2011) Genetic diversity and structure of a worldwide collection of Phaseolus coccineus L Theor Appl Genet 122, 1281-1291.
Sukumaran S, Dreisigacker S, Lopes M et al. (2015) Genome-wide association study for grain yield and related traits in an elite spring wheat population grown in temperate irrigated environments. Theor Appl Genet 128, 353–363.
Voss-Fels KP, Keeble-Gagnère G, Hickey LT et al. (2019) High-resolution mapping of rachis nodes per rachis, a critical determinant of grain yield components in wheat. Theor Appl Genet 132, 2707–19
Watson DJ (1952) The physiological basis of variation in yield. Adv Agron 4, 101-145.
Zeng ZB (1993) Theoretical basis for separation multiple linked gene effects in mapping of quantitative trait loci. Proc Natl Acad Sci USA 90, 10972-10976.
Zhang Y, Liu H, Yan G (2021) Characterization of near-isogenic lines confirmed QTL and revealed candidate genes for plant height and yield-related traits in common wheat. Mol Breed 41, 1-17.
مجله بیوتکنولوژی کشاورزی
دوره 15، شماره 4
آذر 1402
صفحه 23-42

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار