Document Type : Research Paper
Authors
Abstract
Keywords
ردیابی مکانهای ژنی مرتبط با مولفههای جوانهزنی برنج در تنش اسمتیک خشکی
حسین صبوری*1، مهناز کاتوزی2
1 دانشیارگروه تولیدات گیاهی، دانشکده کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه گنبد کاووس.
2 کارشناس ارشد زراعت و دانشجوی کارشناسی ارشد اصلاح نباتات دانشگه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان.
تاریخ دریافت: 02/10/1391، تاریخ پذیرش: 26/03/1392
چکیده
قدرت جوانهزنی بالا یکی از فاکتورهای مهم برای استقرار گیاه در شرایط تنش خشکی است. شناخت ساختار ژنتیکی صفات مرتبط با جوانهزنی در شرایط تنش یکی از اهداف برنامههای اصلاحی میباشد. سرعت جوانه زنی، طول ریشه چه و طول ساقه چه در شرایط تنش اسمتیک خشکی با استفاده از نقشه ژنتیکی حاصل از 74 نشانگر ریزماهواره و 192 خانواده F2:4 (12 گروه پیوستگی) جمعیت طارم محلی × خزر ردیابی شد. در این مطالعه سه QTL با اثر افزایشی مثبت در جهت افزایش قدرت بذر در فاصله بین نشانگرهای RM466 و RM259 روی کروموزوم 1 شناسایی شد. از بین QTLهای تشخیص داده شده qGR-1a بزرگ اثر بوده و بیش از 27/26 درصد از تغییرات مرتبط با سرعت جوانه زنی را کنترل نمود. همبستگی بین صفات مذکور و همپوشانی QTLها ناحیه مذکور نشان داد که از این ناحیه کروموزومی می توان برای برنامه های انتخاب به کمک نشانگر استفاده نمود.
کلمات کلیدی: برنج، تحمل به خشکی، جوانه زنی، مکان یابی ژنهای کمی.
مقدمه
استفاده از ارقام دارای قدرت جوانهزنی بالا در نواحی گرمسیری که با تنش خشکی مواجه هستند، امری ضروری است. به طوریکه امروزه قدرت جوانه زنی بالا یکی از صفاتی است که در ایجاد و توسعه ارقام برنج اصلاح شده مورد توجه قرار میگیرد (Sabouri et al., 2008). با رشد چشمگیر استفاده از نشانگرهای مولکولی از دهه 70 ابزارهای قدرتمندی برای تجزیه و تحلیل ژنتیکی صفات کمی مرتبط با جوانهزنی فراهم گردیده است (Redona and Mackill, 1996). در مطالعهای Redona and Mackill (1996) سیزده QTL ردیابی نمودند که چهار QTL طول ساقهچه (روی کروموزومهای 1، 3 و 9) دو QTL طول ریشهچه (روی کروموزمهای 1 و 2) دو QTL طول کلئوپتیل (روی کروموزمهای 3 و6 ) و پنج QTL طول مزوکوتیل (روی کروموزومهای ،1 3، 5 و 7) را تحت تاثیر قرار دادند. در مطالعهای برای توان ذخیرهای بذر سه QTL روی کروموزومهای 9، 11 و 12 گزارش شد
(Zeng et al.,2006). این QTLها مجموعا 4/35 درصد از تغییرات فنوتیپی کل را توجیه نمودند. QTLهای مرتبط با سرعت جوانهزنی، طول ریشهچه و طول ساقهچه در تنش اسمتیک حاصل از سوربیتول ردیابی شد (Sabouri et al., 2008). QTLهای بزرگ اثر مکان یابی شده برای طول ساقهچه در این مطالعه روی کروموزوم پنج و دوازده قرار داشتند.
برای شناسایی QTLهای مرتبط با تحمل به خسارت قلیایی، 120 لاین دابل هاپلوئید (DH) حاصل ازتلاقی بین لاین TN1 و Chunjiang 06 مورد استفاده قرار گرفتند. در پژوهشی چهارده QTL افزایشی و سیزده جفت QTL اپیستاتیک کنترل کننده تحمل به قلیایی ردیابی شد (Cheng et al., 2008). دو QTL با اثر اصلی در منطقهRM251–RM3280 روی کروموزوم 3 شناسایی شدند و 3 QTLs با اثر اصلی بین RM3286 و RM1279 روی کروموزوم 7 مکانیابی شد. جایگاههای اپیستاتیک RM1- RM1195، RM1358-RM290 ، RM1279 - RM505 و RM1246 - RM519 به ترتیب بر روی کروموزوم 1، 2، 7 و 12 تحت تنش قلیایی با اهمیت گزارش شدند. برخی از QTLهای تحمل به تنش قلیایی با QTLهای تحمل به شوری مطابقت داشتند.
با استفاده از تعدادی از جمعیت اینبرد لاین نوترکیب (RIL) که شامل195 لاین حاصل از تلاقی Zhenshan 97B (رقم بومی) و IRAT109 (رقم آپلند)، QTLهای طول کلئوپتیل و شاخص مقاومت به خشکی شناسایی شد. ارتباط معنی داری مثبت بین طول کلئوپتیل و شاخص مقاومت به خشکی تحت شرایط تنش آب وجود داشت. در شرایط نرمال و تنش، به ترتیب یازده و چهار QTL برای طول کلئوپتیل و شاخص مقاومت به خشکی روی کروموزوم 1، 2، 4، 5، 6، 7، 9، 11 و 12 با استفاده ازنقشه پیوستگی SSR ردیابی شد. QTLهای طول کلئوپتیل و شاخص مقاومت به خشکی در ناحیه مشابهی با QTLهای تعداد و وزن ریشه قرار داشتند. علاوه بر این، 16 و 3 جفت جایگاه اپیستاتیک برای طول کلئوپتیل و شاخص مقاومت به خشکی ردیابی شد که به ترتیب 17/57 درصد و 93/11 درصد از تنوع را بیان نمودند (Hu et al., 2007).
در مطالعهای مجموعهای از لاینهای نوترکیب اینبرد برای صفات قدرت گیاهچه در محیط های طبیعی مزرعه شامل دو تیمار (نرمال و خشکی) ارزیابی شدند. نه QTL با صفات مرتبط با قدرت گیاهچه شناسایی شد. این QTL ها چهار تا 14 درصد از کل تنوع را بیان نمودند. در میان این QTLها، سه و چهار QTL فقط در شرایط تنش و دو تا بین دو تیمار مشترک بود. چهار QTL به طور همزمان روی دو صفت یا بیشتر اثر داشتند. مقایسه QTL ها نشان داد که نتایج مکانیابی QTL بر اساس ارزیابی های مزرعهای می تواند تا حدی با محققانی که بر اساس آزمونهای آزمایشگاهی انجام شده یکسان میباشد (Zhou et al., 2007).
جمعیت F9 لاینهای اینبرد نوترکیب (RIL) حاصل از تلاقی بین IR28 وDaguandao برای تهیه نقشه پیوستگی و شناسایی صفات با قدرت جوانه زنی بذرها مانند سرعت جذب آب، سرعت جوانه زنی، شاخص جوانه زنی ، طول ریشه، طول ساقه و قدرت بذر در دمای 14 درجه سانتیگراد استفاده شد. نتایج نشان داد که صفات مذکور دارای توزیع پیوسته هستند و چندین ژن کنترل آنها را بر عهده دارند. در مجموع هفت QTL روی کروموزومهای 4 ، 6 و 9 دو تا مرتبط با سرعت جذب آب (qIR-6, qIR-9)، یکی برای سرعت جوانه زنی (qGR - 4)، دو تا مرتبط با شاخص جوانه زنی(qGI-4-1, qGI-4-2) و دو تا برای طول ریشه (qRL-4-1, qRL-4-2) بودند. هیچ QTL ای برای کنترل طول ساقه و قدرت بذر شناسایی نشد. دو QTL بزرگ اثر بیش از 30 درصد از واریانس فنوتیپی را توجیه نمودند. بسیاری ازQTL های مشاهده شده در مناطقی گزارش شدند که قبلا برای تحمل به سرما گزارش شده بود. با این وجود qRL - 4 - 2 قبلاً گزارش نشده بود (Wang et al., 2009).
جمعیت لاین های نوترکیب اینبرد حاصل از تلاقی بین IR26 و Jiucaiqing برای شناسایی قابلیت جوانه زنی بذر برنج تحت تنش شوری کلرید سدیم مورد استفاده قرار گرفت. شش صفت جوانه زنی شامل سرعت جذب آب، سرعت جوانه زنی، شاخص جوانه زنی، طول ریشه، طول ساقه و شاخص قدرت بذر مورد بررسی قرار گرفت. اختلافات معنی دار در همه صفات تحت تنش شوری در میان لاینهای برنج مشاهده شد. توزیع فراوانی صفات جوانه زنی تحت تنش شوری در جمعیت RIL تفکیک پیوسته نشان داد که نشان میدهد صفات کمی آنها توسط چندین ژن کنترل میشوند. صفات جوانه زنی تحت تنش شوری توسط دو یا سه ژن اصلی عمدتا وراثت پذیری بالا، که 5/12 تا 99/0 درصد تنوع فنوتیپی بیان کرد. شاخص جوانه زنی، شاخص قدرت بذر و طول ریشه توسط دو ژن اصلی کنترل شد (Wang et al., 2010). این مطالعه با هدف تعیین ساختار ژنتیکی و نوع اثرات حاکم بر خصوصیات مرتبط با جوانه زنی با روش مکان یابی صفات کمی در جمعیت برنج ایرانی حاصل از تلاقی طارم محلی × خزر اجرا شد.
مواد و روشها
به منظور مکان یابی ژنهای کنترل کننده صفات جوانه زنی در جمعیت برنج ایرانی، ارقام طارم محلی با خزر تلاقی داده شدند و DNA ژنومی 192 بوته به تصادف آنها به روش CTAB (Saghi Maroof et al., 1994) استخراج گردید. اندازهگیری های فنوتیپی بر روی فامیلهای F4 انجام گرفت و صفات سرعت جوانه زنی، طول ریشه چه، طول ساقه چه روی نمونه 100 بذر از 20 بوته هر خانواده در محلول حاوی مانیتول با هدایت الکتریکی 16 دسی زیمنس بر متر ثبت شد. برای تهیه نقشه پیوستگی ژنتیکی نشانگرهای SSR در جمعیت مورد مطالعه، از داده های ژنوتیپی 74 نشانگر چند شکل در دو والد و 192 فرد جمعیت 2F استفاده گردید. گروههای پیوستگی اولیه با استفاده از نرم افزارهایMap Manager (Manly and Olson, 1999) ایجاد شدند. QTL های کنترل کننده صفات مرتبط با تحمل به تنش اسمتیک خشکی، با استفاده از نقشه پیوستگی تهیه شده و ارزشهای فنوتیپی صفات شناسایی شدند. برای این منظور، از روش مکانیابی فاصله‌ای مرکب استفاده شد. مکانیابی فاصله‌ای مرکب با استفاده از نرم افزار QTL Cartographer (Basten et al., 2001) انجام شد.
نتایج و بحث
بررسی فنوتیپی صفات مورد مطالعه حاکی از وجود تغییرات کمی و پیوسته بود (شکل 1). برای هر سه صفت سرعت جوانه زنی، طول ریشه چه و طول ساقه چه ارزش های بیشتر از والد دارای حداکثر مقدار صفت و کمتر از والد دارای حداقل صفت دیده شد که مبین تفکیک متجاوز برای صفات مورد مطالعه بود. آمارههای توصیفی برای صفات مورد مطالعه در جدول 1 آمده است. ضریب چولگی و کشیدگی برای کلیه صفات معنیدار نشد. برای سرعت جوانه زنی چهار QTL به ترتیب با نسبت درستنمایی 39/17، 45/12، 44/22 و 19/21 مشاهده شد که مجموعا بیش از 50 درصد از تغییرات مربوط به سرعت جوانه زنی را کنترل نمودند (جدول 2 و شکل 2). از بین QTLهای ردیابی شده qGR-1a 27/26 درصد از تغییرات مرتبط با سرعت جوانه زنی را کنترل نمود. ازآنجائیکه QTL مذکور بیش از 20 درصد از تغییرات را بخود اختصاص داد بزرگ اثر شناخته شده و آلل های افزایشی این QTL از والد خزر باعث افزایش سرعت جوانه زنی شد، این QTL را برای برنامه های انتخاب به کمک نشانگر کاندید ساخت. درجه غالبیت در هر چهار QTL مثبت بود و نوع عمل ژن جز در qGR-1a فوق غالبیت بود. برای طول ریشه چه نیز چهار QTL تشخیص داده شد که از بین آنها qRL-10 بیش از سایر QTLها توانست تغییرات طول ریشه را کنترل کند (55/21). آلل های افزایش دهنده طول ریشه چه از والد خزر توانست 88/0 سانتی متر طول ریشه چه را افزایش دهد. از بین QTLهای مشخص شده، qRL-10 با نسبت درستنمایی 23/31 و اثر افزایشی 21/3 سانتی متر، 27/17 درصد از تغییرات طول ریشه چه را کنترل نمود. برای طول ساقه چه پنج QTL ردیابی شد که بالاترین تغییرات را QTL روی کروموزوم 7 توجیه نمود (qSL-7). موقعیت مکانی qSL-7 در مطالعه حاضر با QTLهای ردیابی شده توسط محققین دیگر برای سرعت جوانه زنی مطابقت داشت (Zhang et al., 2005a,b). اثر افزایشی این ناحیه از ژنوم برنج روی کروموزوم هفت در هر دو مطالعه مثبت و در جهت افزایش قدرت جوانهزنی گزارش شد. بالا بودن درصد توجیه این QTL آنرا کاندید بسیار مناسبی برای برنامههای انتخاب به کمک نشانگر ساخت. برای طول ساقه چه نیز یک QTL روی کروموزوم یک ردیابی شد که توانست 17/18 درصد از تغییرات مربوط به طول ساقه چه را کنترل کند. QTLهای مرتبط با فاصله RM466-RM259 روی کروموزوم 1، هر سه صفت درصد جوانهزنی، طول ساقه چه و طول ریشهچه را کنترل کردند، ضمن اینکه همبستگی فنوتیپی این دو صفت نیز بسیار بالا بود.
وجود همبستگیهای منفی و معنی دار بین صفات میتواند به وسیله اثرات پلیوتروپی یا پیوستگی شدید بین ژنهای کنترل کننده آنها توصیف شود. صفات همبسته اغلب به وسیله QTLهایی کنترل می شوند که در نواحی مشابهی بر روی کروموزومها قرار دارند (Paterson et al., 1994). چنین نتایجی برای امتیاز ژنوتیپی در این مطالعه نیز مشاهده شد (جدول 3). درصد جوانهزنی، طول ساقه چه و طول ریشهچه دارای همبستگیهای معنیدار بودند. QTLهای شناسایی شده برای درصد جوانهزنی، صفات طول ساقه چه و طول ریشهچه را نیز کنترل نمودند. ضرایب همبستگی بین درصد جوانهزنی، طول ساقه چه و طول ریشهچه در جدول 3 آمده است. بنابراین میتوان نتیجه گرفت که احتمالا برای ژنهای کنترل کننده این صفات پلیوتروپی حاکم بوده و برای تجمع ژن های مفید و هرمی کردن ژنها میتوان از آنها استفاده نمود.
جدول1- آمارههای توصیفی برای صفات مرتبط با جوانهزنی.
Table 1- Descriptive statistics for germination traits.
|
طول ساقهچه Plumule lenght |
طول ریشهچه Radicle lenght |
سرعت جوانهزنی Germination rate |
|
|
3.7987±0.115 |
5.0194±0.121 |
8.7587±0.101 |
میانگین Mean |
|
4.0000 |
4.9750 |
9.0020 |
میانه Median |
|
1.59607 |
1.67783 |
1.41036 |
انحراف استاندارد Std. Deviation |
|
2.547 |
2.815 |
1.989 |
واریانس Variance |
|
-0.140±0.158 |
0.104±0.165 |
-0.739±0.575 |
چولگی Skewness |
|
-0.735±0.421 |
-0.690±0.354 |
0.165±0.346 |
کشیدگی Kurtosis |
|
7.60 |
7.50 |
7.00 |
دامنه Range |
جدول2- QTLهای شناسایی شده برای صفات مرتبط با جوانهزنی.
Table 2- Detected QTLs for germination traits.
|
صفات Traits |
QTL |
کروموزوم Chromosome |
نشانگرهای مجاور Flanking markers |
نقطه اوج Pick point |
نسبت درستنمایی Likelihood ratio |
اثر افزایشی Addative effect |
اثر غالبیت Dominant effect |
واریانس بیان شده Explained variance |
|
|
||||||||
|
سرعت جوانه زنی Germination rate |
qGR-1a |
1 |
RM466-RM259 |
26.8 |
17..39 |
3.31 |
1.32 |
26.27 |
|
qGR-1b |
1 |
RM562-RM543 |
32.1 |
12.45 |
-2.10 |
2.45 |
15.31 |
|
|
qGR-3 |
3 |
RM7389-RM7000 |
12 |
22.44 |
0.99 |
21.17 |
13.71 |
|
|
qGR-7 |
4 |
RM320-RM134 |
71.6 |
21.19 |
-0.32 |
4.32 |
18.84 |
|
|
طول ریشه چه Root length |
qRL-1a |
1 |
RM466-RM259 |
23.2 |
32.23 |
3.21 |
-0.65 |
17.27 |
|
qRL-1b |
7 |
RM259-RM3148 |
45.2 |
11.98 |
1.87 |
34.12 |
11.32 |
|
|
qRL-1c |
1 |
RM3148-RM5302 |
38.6 |
23.43 |
0.11 |
21.67 |
12.25 |
|
|
qRL-10 |
10 |
RM184-RM3152 |
59 |
37.25 |
0.88 |
1.19 |
21.55 |
|
|
طول ساقه چه Shoot lengh |
qSL-1a |
1 |
RM8235-RM8144 |
42.1 |
11.23 |
5.34 |
-0.77 |
18.77 |
|
qSL-1b |
1 |
RM3148-RM8097 |
67.7 |
65.23 |
-0.25 |
-0.89 |
14.21 |
|
|
qRL-3 |
7 |
RM320-RM478 |
91.9 |
21.11 |
2.23 |
12.54 |
16.14 |
|
|
qRL-7 |
8 |
RM152-RM8264 |
76.4 |
26.94 |
2.61 |
23.12 |
20.21 |
|
|
qSL-10 |
1 |
RM543-RM8231 |
25.3 |
42.87 |
4.71 |
0.89 |
9.12 |
جدول 3- ماتریس همبستگی بین صفات مورد ارزیابی.
Table 3- Correlation matrics of evaluated traits.
|
طول ساقهچه Plumule lenght |
طول ریشهچه Radicle lenght |
سرعت جوانهزنی Germination rate |
Traits |
|
|
|
1 |
سرعت جوانهزنی Germination rate |
|
|
1 |
0.692** |
طول ریشهچه Radicle lenght |
|
1 |
0.584** |
0.363** |
طول ساقهچه Plumule lenght |
|
سانتیمتر Centimeter |
|
سانتیمتر Centimeter |
|
|
ب B |
|
الفA |
|
|
سانتیمتر Centimeter |
|
|
ج C |
|
شکل 1- نمودار ستونی صفات مورد بررسی، الف- سرعت جوانهزنی، ب-طول ریشهچه و ج-طول ساقهچه.
Figure 1- Histogram of evaluated traits, A. germination rate, B. radicle length, C. plumule length.
شکل 2 – نقشه پیوستگی نشانگر های SSRجمعیت F2 حاصل از تلاقی طارم محلی در خزر همراه با مکان های ژنی کنترل کننده صفات مرتبط با جوانه زنی در برنج.
Figure 2- linkage map of SSR merkers of F2 population caused Tarom Mahalli × Khazar with QTLs controlling of germination traits.
منابع
Basten CJ, Weir BS, Zeng ZB (2001). QTL Cartographer: A Reference Manual and Tutorial for QTL Mapping. North Carolina State University Press. Rigly. NC. USA.
Cheng HT, Jiang H, Xue DW, Guo LB, Zeng DL, Zhang GH, Qian Q (2008). Mapping of QTL Underlying Tolerance to Alkali at Germination and Early Seedling Stages in Rice. Acta Agronomica Sinica 34: 1719-1727.
Hu SP, Yang H, Zou GH, Liu HY, Liu GL, Mei HW, Cai R, Li MS, Luo LJ (2007). Relationship between coleoptile length and drought resistance and their QTL mapping in rice. Rice Science 14(1): 13-20.
Manly KF, Olson J M (1999). Overview of QTL mapping software and introduction to Map Manager QTX. Mammalian Genome 10: 327–334.
Redona ED, Mackill DJ (1996). Mapping quantitative trait loci for seedling vigor in rice using RFLPs. Theoretical and Applied Genetics 92: 395-402.
Paterson AH (1996). Making genetic maps. PP. 23–39. In: A.H. Paterson
(Ed.), Genome Mapping in Plants. Academic Press, Austin, Texas.
Sabouri H, Biabani A, Gharavi A Gh, Dadras A R, Katouzi M (2008). Mapping of germination traits in rice using of microsatellite markers under osmotic stress caused by sorbitol. First Iranian Science and seed Technology Symposium. Gorgan University of Agriculture Science and Natural Resource. Gorgan. Iran. 12-13 Nov.
Saghi Maroof MA, Biyashev RM, Yang, GP, Zhang Q, and Allard RW (1994). Extraordinarily polymorphic microsatellites DNA in barely species diversity, choromosomal location, and population dynamics. Proceeding of National Academy Science USA 91: 5466-5570.
Wang Y, Cheng LR, Sun Y, Zhou Z, Zhu LH, Xu ZJ, Xu JL, Li ZK (2009). Effect of genetic background on QTLs for heading date and plant height and interactions between QTL and environment using reciprocal introgression lines in rice. Acta Agronomica Sinica 35(8): 1386-1394
Wang ZF, Wang JF, Bao YM, Wu YY, Su X, Zhang HS (2010). Inheritance of rice seed germination ability under salt stress. Rice Science 17(2): 105-110
Wang ZF, Wang JF, Wang FH, Bao YM, Wu YY, Su X, Zhang HS (2009). Genetic control of germination ability under cold stress in rice. Rice Science 16(3): 173-180
Zeng DL, Guo LB, Xu YB, Yasukumi K, Zhu L H, Qian Q (2006). QTL analysis of seed storability in rice. Plant Breeding 125: 57-60.
Zhang ZH, Yu SB, Yu T, Huang Z, Zhu YG (2005)a. Mapping quantitative trait loci (QTLs) for seedling vigour using recombinant inbred lines of rice (Oryza sativa L.). Field Crops Research 91:161-170.
Zhang ZH, Qu XS, Wan S, Chen LH, Zhu YG (2005)b. Comparison of QTL controlling seedling vigour under different temperature conditions using recombinant inbred lines in rice (Oryza sativa L.). Annals of Botany 95: 423-429.
Zhou L, Wang JK, Yi Q, Wang YZ, Zhu YG, Zhang ZH (2007). Quantitative trait loci for seedling vigor in rice under field conditions. Field Crops Research 100: 294-30.
Detection of chromosomal regions controlling drought osmotic stress in rice
Sabouri H.*1, Katouzi M.2
1 Associate Prof. Department of plant production, College of agriculture science and natural resource, Gonbad Kavous University.
2 MSc in Agronomy and MSc student of plant breeding in Gorgan Agriculture Science and Natural Resource University.
Abstract
Germination vigour is one of the most important factors for plant stablishing under drought stress. In order to detect of quantitative trait loci related to drought tolerance in germination stage a genetic map was provided by 74 SSR marker and 192 individuals of F2:4 derived from cross between Tarom mahalli × Khazar population. The hundred seeds of 20 families were used for recording of germination rate, radical length and plumule length. Seventy four SSR markers grouped in 12 linkage groups. Thirteen QTLs were detected for traits. Three QTLs were mapped on chromosome 1 that increased drought tolerance in germination stage in rice. Out of these QTLs, qGR-1a distinguished as major effect and explained 26.27% of the total variation. Correlations between traits and overlapping QTLs in RM466-RM259 interval provided a good region for gene pyramiding and marker assisted programs.
Key words: Rice, Drought tolerance, Germination, QTL mapping.
* نویسنده مسئول: حسین صبوری تلفن: 09111438917 E-mail: hos.sabouri@gmail.com
* Corresponding Author: Sabouri H. Tel: 09111438917 E-mail: hos.sabouri@gmail.com
)
