Mapping of drought tolerance indices genomic locations in double haploid lines of Barley

Document Type : Research Paper

Authors

1 Associate Professor- Faculty of Agriculture-University of Zabol-Zabol-Iran

2 Ph.D student of plant breeding -University of Zabol-and Faculty Member of Higher Educational Complex of Saravan

3 Faculty Member- Faculty of Agriculture, Higher Educational Complex of Saravan, Saravan, Sistan and Baluchestan, Iran

Abstract

In order to map the genomic regions affecting barley drought tolerance indices, an experiment was conducted at the Agricultural and Natural Resource Station of Sistan. Seventy tow double haploid lines of barley with their parents (Steptoe and Morex) were examined using two 9×9 simple Lattice (stress and non-stress), with two replications. Each plot consisted of six rows that were 3m in length and spaced 25cm apart. Based on the relative yield of genotypes in drought stress and non-stress conditions, drought tolerance indices Ys، Yp، TOL، MP، GMP، HM، DSI and STI were calculated. Positive transgressive segregation was observed for YP، YS، GMP، MP and TOL. Seventeen QTLs controlling different indices were identified that fifteen of them appear to be quite stable in different indices. Highest LOD score were obtained for HM on chromosome 2H. QTLs for drought tolerance indices were found on chromosomes 2H, 3H and 5H. QTLs overlapping show the relationship between indices. Therefore, gain through marker-assisted selection (MAS) in this population would be efficient.

Full Text

مقدمه

در بسیاری از نقاط جهان، تنش خشکی خطری جدی برای رشد گیاهان و تولید محصولات زراعی به شمار  می­رود که موجب کاهش 35-13 درصدی عملکرد می­گردد (7 و 12). بنابراین بخش وسیعی از مطالعات به­زراعی و به­نژادی دنیا بر روی واکنش گیاهان به تنش کمبود آب متمرکز شده که عموماً در دو محیط تنش­دار و بدون تنش اجرا می­شود (2 و 5).تنوع ژنتیکی در خصوص مقاومت به خشکی با استفاده از ابزارهای ژنتیکی از قبیل نقشه های مارکرها و اطلاعات تعیین توالی در دسترس می باشد (15) جو گیاه متداول در مناطق مدیترانه ای خاورمیانه و شمال آفریقا است که دارای بارندگی سالانه کمتر از 300 میلی متر هستند (1). بخش وسیعی از اراضی زیر کشت جو در ایران در مناطق خشک و نیمه­خشک قرار گرفته و به علت کمبود آب و در نتیجه خشکی محیط عملکرد دانه جو شدیداً کاهش می­یابد (4). عملکرد صفت کمّی پیچیده­ای است که توسط تعداد زیادی ژن کنترل می­گردد و شدیداً تحت تأثیر محیط قرار می­گیرد (8 ، 11 و 14). شاخصهای کمّی متعددی برای انتخاب ژنوتیپها بر مبنای عملکرد آنها در محیط‌های دارای تنش و بدون تنش پیشنهاد شده است.

 

 این شاخصها عبارتند از: شاخص عملکرد نسبی در شرایط نرمال Yp ، عملکرد نسبی در شرایط تنش Ys، شاخص میانگین هارمونیHM، شاخص حساسیت به خشکی SSI، شاخصهای تحمل TOL، و متوسط تولید MP، و شاخصهای میانگین هندسی تولید GMP و تحمل به تنش STI (6). بسیاری از مکانهای ژنی کنترل کننده صفات مرتبط با تحمل به خشکی مکان یابی شده اند (18) و ارتباط بین این مکانهای ژنی و تحمل به خشکی از طریق عملکرد نسبی لاین ها در شرایط خشکی ارزیابی شده است (13). شناسایی عوامل ژنتیکی کنترل کننده صفات مرتبط با تحمل به خشکی که با سهولت بیشتری قابل تشخیص بوده و تحت تأثیر عوامل محیطی قرار نمی گیرند، زمینه شناسایی و ایجاد ارقام متحمل به خشکی را از طریق گزینش به کمک نشانگرها به عنوان مکمل روشهای مرسوم فراهم می سازد. اهداف این تحقیق عبارتند از: مکان یابی QTLها برای شاخصهای حساسیت و مقاومت به خشکی، برآورد میزان تأثیر هر یک از QTLها، تعیین نشانگرهای مولکولی پیوسته با QTLها و پیشنهاد آنها برای گزینش به کمک نشانگر.

 

مواد و روشها

در این مطالعه از بذور 72 ژنوتیپ جو دابل هاپلوئید که از تلاقی رقم Steptoe با رقم Morex بدست آمده است همراه با والدین استفاده شد. آزمایش در ایستگاه تحقیقاتی مرکز تحقیقات کشاورزی سیستان در سال 86-87 در قالب طرح لاتیس ساده 9×9 در دو تکرار و به طور جداگانه در دو شرایط تنش خشکی و آبیاری معمولی اجرا گردید. روش آبیاری مزرعه در کل دوره رشد گیاه 3 نوبت بود (درآزمایش نرمال). در آزمایش تنش با توجه به اینکه در شرایط منطقه، تنش آبی در مرحله گلدهی و بعد از آن بیشترین خسارت را به محصول وارد می کند، از مرحله گرده افشانی به بعد هیچگونه آبیاری صورت نگرفته (قطع آب آخر). شاخصهای محاسبه شده عبارتند از:

 نقشه لینکاژی نشانگرهای مولکولی جو از سایت http://barleygenomics.wsu.edu بازیابی و مورد استفاده قرار گرفت. این نقشه مرکب از 327 نشانگر با طول 3/1226 و متوسط فاصله 75/3 سانتی مورگان می باشد و توسط پروژه نقشه یابی ژنوم جو آمریکای شمالی (NABGMP)  تهیه گردید است (9 و 10). حداقل مقدار LOD برای شناسایی QTLها برابر 5/2 در نظر گرفته شد (3). قله های مقادیر LOD به عنوان محتمل ترین موقعیت QTL در نظر گرفته شدند. درصد واریانس فنوتیپی توجیه شده به وسیله هر QTL، در قله موقعیت QTL تعیین گردید. تجزیه های آماری با نرم افزار SAS نسخه 9 (16) و تجزیه QTL با نرم افزار WinQTL کارتوگرافر نسخه 5/2 (17) انجام گرفت.

 نتایج و بحث

نتایج حاصل از تجزیه واریانس لاینهای مورد مطالعه در جدول 1 نشان داده شده است. اثر تیمار برای کلیه شاخصهای مورد مطالعه بسیار معنی دار بود. آماره های آماری ساده، ضرایب تنوع ژنوتیپی و فنوتیپی، وراثت پذیری خصوصی، پیشرفت     ژنتیکی و بازده ژنتیکی حاصل از 5 درصد گزینش برای 9 شاخص مذکور در 72 لاین هاپلوئید مضاعف و والدینشان در جدول 2 نشان داده شده است. اختلاف بین میانگین هاپلوئیدهای مضاعف و میانگین والدین برای کلیه شاخصهای مورد بررسی غیر معنی دار بود. در نتیجه، هاپلوئیدهای مضاعف مورد مطالعه نماینده کل هاپلوئیدهای مضاعف ممکن حاصل از تلاقی استپتو× مورکس بوده و شاخصهای مورد بررسی عمدتاً با اثرات جمع پذیر ژنها کنترل می شوند. برای تمامی شاخصهای مورد بررسی به جز SSI و DSI بهترین لاین هاپلوئید مضاعف در مقایسه با بهترین والد، مقادیر بیشتری را نشان داد.

 

 

جدول 1- تجزیه واریانس 9 شاخص مقاومت به خشکی اندازه گیری شده در 72 لاین دبل هاپلویید جو و والدین آنها (استپتو و مورکس)
 

 

 

منابع تغییرات

درجه آزادی

میانگین مربعات

Ys

Yp

TOL

MP

GMP

HM

DSI

STI

SSI

تیمار

تکرار

اشتباه

80

1

80

**34/48820

**83/8384

73/1166

**23/123127

ns20/1302

71/4105

**31/56118

ns 74/16295

98/4777

**21/71944

ns 58/769

72/1441

**42/67548

ns 38/2462

69/1199

**73/64816

*56/4781

37/1138

**102/0

*047/0

01/0

**65/0

ns 2/0

016/0

**61/0

*28/0

061/0

ضریب تغییرات

 

49/10

61/11

60/30

65/8

29/8

46/8

53/27

71/18

33/46-

ضریب تبیین(%)

 

67/97

77/96

18/92

03/98

25/98

27/98

86/90

55/97

86/90

 

این مقادیر برای شاخصهای YP، YS، GMP، MP و TOL در سطح احتمال 1 درصد و برای شاخص HM در سطح احتمال 5 درصد معنی دار بود، لذا برای این شاخصها تفکیک متجاوز از والدین در جهت مثبت وجود داشت. به عبارتی بین نتاج حاصل از تلاقی استپتو × مورکس برای شاخصهای مورد بررسی تنوع با طیف گسترده ای وجود دارد. بیشترین توارث پذیری مربوط به شاخص HM و کمترین آن مربوط به DSI و SSI بود. با توجه به تنوع موجود برای اکثر شاخصها، استنباط می گردد که انتخاب برای بهبود آنها مؤثر خواهد بود (18).

جدول 2- آماره های آماری ساده، دامنه تغییرات، انحراف استاندارد، ضریب تغییرات، ضریب تنوع فنوتیپی و ژنتیکی، توارث پذیری خصوصی، پیشرفت ژنتیکی و بازده ژنتیکی 5 درصد گزینش برای 9 شاخص مقاومت به خشکی اندازه گیری شده در 72 لاین هاپلویید مضاعف جو و       والدین آنها (استپتو و مورکس)
 

 

 

 

 

 

آماره

Yp

Ys

GMP

MP

HM

STI

SSI

TOL

DSI

Steptoe (P1)

9/330

6/188

08/249

75/259

95/238

207/0

43/0-

3/142

41/0

Morex (P2)

4/604

55/107

95/254

97/355

6/182

214/0

56/0

85/496

82/0

P1- P2

**5/273-

*05/81

**87/5-

**22/96-

**35/56

ns007/0-

**99/0-

**55/354-

**41/0-

P=(P1+ P2)/2

65/467

075/148

015/252

86/307

775/210

2105/0

065/0

575/319

615/0

WorstDHs

65/103

05/95

25/99

35/99

35/99

03/0

33/1-

00/7

02/0

BestDHs

5/1037

2/644

15/786

65/816

8/756

03/2

50/0

00/644

79/0

Range

85/933

15/549

9/686

3/717

45/657

00/2

83/1

00/637

77/0

DHs

46/522

3/300

3/391

38/411

1/373

58/0

45/0-

16/222

39/0

SDDHs

02/225

39/129

76/158

67/166

38/153

44/0

40/0

71/153

17/0

CVDHs

06/43

08/43

57/40

51/40

10/41

99/75

65/89-

19/69

67/43

DHs - P

ns81/51

ns22/152

ns285/139

ns52/103

ns325/162

ns3695/0

ns515/0

ns415/97-

ns225/0-

GGN=WDH - WP

*25/227-

*5/12-

**83/149-

**4/160-

*25/83-

**177/0-

*9/0-

**3/135-

*39/0-

GGp=BDH - BP

**1/433

**6/455

**2/531

**68/460

*85/517

ns 816/1

ns 06/0-

**15/147

ns 03/0-

GCV

17/42

5/42

13/40

01/40

67/40

84/74

87/82-

65/65

61/39

PCV

96/43

6/43

004/41

008/41

53/41

12/77

36/97-

55/72

44/47

GC5%

62/436

60/256

44/317

74/331

93/306

8706/0

6376/0

54/272

2667/0

H2

9209/0

9477/0

9581/0

9523/0

9591/0

9418/0

6963/0

8188/0

6963/0

 

* و ** به ترتیب معنی دار در سطوح احتمال 5 و 1 درصد؛ ns غیر معنی­دار.

 
 

 

همبستگی های ساده فنوتیپی 9 شاخص مورد مطالعه در جدول 3 نشان داده شده است. همبستگی بالای بین شاخصهای مذکور ممکن است ناشی از مکان یکسان QTLهای کنترل کننده یا پیوستگی بین آنها باشد. QTLهای 9 شاخص مورد مطالعه در جدول 4 نشان داده شده است. برای کلیه شاخصهای مورد مطالعه به جز DSI و SSI دو تا سه و در مجموع 17 QTL شناسایی گردید. واریانس فنوتیپی توجیه شده به وسیله این QTLها بین 8 تا 32 درصد متغیر بود. بیشترین و کمترین واریانس فنوتیپی برای شاخص HM و MP  بدست آمد. بیشترین مقدار LOD به ترتیب برای QTLهای کنترل کننده شاخصHM (Qhm2Hb) بدست آمد.

 

جدول 3- همبستگی­های ساده فنوتیپی 9 شاخص مقاومت به خشکی اندازه گیری شده در 72 لاین هاپلویید مضاعف جو و                  والدین آنها (استپتو و مورکس)
 

 

صفات

Ys

Yp

TOL

MP

GMP

HM

DSI

STI

Yp

*74/0

 

 

TOL

ns17/0

**78/0

 

 

MP

**90/0

**96/0

**58/0

 

 

GMP

**94/0

**92/0

**49/0

**99/0

 

 

HM

**96/0

**88/0

**40/0

**97/0

**99/0

 

 

DSI

*27/0-

**35/0

**77/0

ns11/0

ns03/0

ns03/0-

 

 

STI

**93/0

**88/0

**44/0

ns96/0

**97/0

**97/0

ns006/0

 

SSI

*27/0-

**35/0

**77/0

ns11/0

ns03/0

ns03/0-

**1

ns006/0

 

* و ** به ترتیب معنی دار در سطوح احتمال 5 و 1 درصد؛ ns غیر معنی­دار.

 
 

 

مدلهایQTL، حدود 72 درصد از تنوع کل شاخصHM و 58 درصد از تنوع کل شاخص STI و حدود 55 درصد از تنوع کل شاخص GMP را تشریح نمودند. دو عدد QTL برای YP، روی کروموزومهای 2H و 5H قرار داشتند. برای YS نیز دو QTL، روی کروموزومهای2H و 3H نقشه یابی گردید که روی هم رفته حدود 39 درصد از تنوع فنوتیپی کل این شاخص را توجیه نمودند. سه QTL روی کروموزومها 2H، 2H و 3H برای شاخص GMP تعیین مکان گردیدند که در مجموع 55 درصد از تنوع کل این شاخص را کنترل نمودند. سه QTL روی کروموزومها 2H، 3H و 5H برای شاخص MP تعیین مکان گردیدند که در مجموع 40 درصد از تنوع کل این شاخص را کنترل نمودند. سه QTL نیز روی کروموزومها 2H، 2H و 3H برای شاخص HM تعیین مکان گردیدند که در مجموع 72 درصد از تنوع کل این شاخص را کنترل نمودند.Qhm2Hb یک QTL بزرگ اثر بود که به تنهایی 32 درصد از تنوع شاخص HM را توجیه نمود.

برای شاخص STI سه QTL، روی کروموزومهای  2H، 2H و 3H قرار داشتند که در مجموع 58 درصد از تنوع کل این شاخص را توجیه نمودند. برای شاخص TOL نیز یک QTL روی کروموزوم 5H تعیین گردید. هم مکانی QTL ها، همبستگی بین شاخصهای مورد مطالعه را توجیه نمود. به عنوان مثال QTLهای Qyp2H، Qgmp2Hb، Qmp2H، Qhm2Hb با Qsti2Hb ؛ QTLهای Qyp5H، Qmp5H با Qtol5H ؛ QTLهای Qys3H، Qmp3H، Qhm3H با Qsti3H و QTLهایQgmp2Ha، Qhm2Ha با Qsti2Haاز موقعیت یکسانی روی نقشه برخوردار بودند. هم مکانی QTLها به واسطه لینکاژ بین دو ژن یا اثر پلیوتروپی یک ژن است.

 

 

 اثر بزرگ QTLهای جایگاه 2/74 سانتی مورگان واقع در موقعیت نشانگر ABC167 روی کروموزوم 2H بر شاخصهای YP، GMP، HM، MP و STI؛ یا اثر بزرگ QTLهای جایگاه 8/68 سانتی مورگان واقع در موقعیت نشانگر CDO537 روی کروموزوم 2H بر شاخصهای GMP، HM و STI نشانگر این است که احتمالاً ژنهای خوشه ای کنترل کننده شاخصهای مقاومت به خشکی در این نواحی از کروموزومها جای گرفته اند. ژنهای خوشه ای شاخصهای متفاوت، ممکن است موجب همپوشانی QTLها گردد.

برای تعیین اینکه ماهیت نواحی کنترل کننده بیشتر از یک شاخص، ناشی از پلیوتروپی، لینکاژ ژنی یا ژنهای خوشه ای است نقشه با چگالی بسیار بالا برای نقشه یابی مورد نیاز می باشد. در این مطالعه در مجموع 17عدد QTLبرای شاخصهای مقاومت به خشکی شناسایی گردید که تعداد و نوع و اثر 15 QTL در شاخصهای متفاوت پایدار بود، لذا می توان از آنها در گزینش شاخصهای مقاومت به خشکی به کمک نشانگر استفاده نمود. QTLهای پایدار، موجب پایداری نسبی کنترل ژنتیکی می شوند و بر اثر متقابل ژنوتیپ و محیط فائق می آیند. پایداری QTLها ناشی از کنترل شاخصها به وسیله تعداد اندکی لوسای با اثرات زیاد است. بنابراین بازده گزینش به کمک نشانگر در این جامعه از کارایی لازم برخوردار می باشد.

جدول 4- QTL­های 9 شاخص مقاومت به خشکی اندازه گیری شده در 72 لاین هاپلویید مضاعف جو

 
 

 

 

صفت

نام QTL

گروه لینکاژی

نزدیکترین نشانگر

موقعیتQTLa

LOD

اثر آللی(افزایشی)

R2

Yp

Qyp2H

H2

ABC167

2/74

75/4

5/95-

16/0

 

Qyp5H

H5

WG908

5/153

24/3

6/79

11/0

Ys

Qys2H

H2

ABC162

5/73

07/9

4/72-

29/0

 

Qys3H

H3

EBC828

8/79

22/3

8/41

10/0

GMP

Qgmp2Ha

H2

CDO537

8/68

4/6

8/78-

21/0

 

Qgmp2Hb

H2

ABC167

2/74

8/7

9/82-

25/0

 

Qgmp3H

H3

MWG680

5/80

06/3

7/48

09/0

MP

Qmp2H

H2

ABC167

2/74

4/7

05/85-

23/0

 

Qmp3H

H3

EBC828

8/79

7/2

7/92

08/0

 

Qmp5H

H5

WG908

5/153

9/2

4/51

09/0

HM

Qhm2Ha

H2

CDO537

8/68

1/8

8/84-

29/0

 

Qhm2Hb

H2

ABC167

2/74

3/9

6/87-

32/0

 

Qhm3H

H3

EBC828

8/79

3/3

2/51

11/0

STI

Qsti2Ha

H2

CDO537

8/68

3/6

25/0-

21/0

 

Qsti2Hb

H2

ABC167

2/74

09/8

23/0-

28/0

 

Qsti3H

H3

EBC828

8/79

9/2

14/0

09/0

DSI

-

-

-

-

-

-

-

SSI

-

-

-

-

-

-

-

TOL

Qtol5H

H5

WG908

5/153

9/2

008/59

14/0
 
 

a موقعیت QTL به سانتی­مورگان از انتهای بازوی کوچک کروموزوم
 

References

  1. Acevedo, E., and Ceccarelli, S. 1989. Role of physiologist- breeder in a breeding program for drought resistance conditions. pp. 117-141. In: Baker, F.W.G. (ed.). Drought Resistance in Cereals. CAB. International, UK.
  2. Bartual,R,E.A.Carbonell& D.E.Green.1985. Multivariate analysis of collection of soybean cultivars for south eastern Spain.Euphytica34:113-123.
  3. Churchill, G. A., and R. W. Doerage. 1994. Empirical threshold values for quantitative trait mapping. Genetics. 138:963-971.
  4. Emam, y., & M. Niknejad. 1994. An introduction to the physiology of crops yield. Shiraz University press.
  5. Emam, y. 2003. Cereal Production. Shiraz University press. 175pp
  1. Fernandez, G. C. J. 1992. Effective selection criteria for assessing plant stress tolerance, PP.257-270. In: C. G. Kuo (Eds.), Adaptation of Food Crops to Temperature and Water Stress. AVRDC, Shanhaue, Taiwan.
  1. Jongdee B, Fukai S, Cooper M (1998) Genotypic variation for grain yield of rice under water-deficit conditions. In: Michalk D, Pratley J (eds) Proceedings of 9th Australian Agronomy Conference, Wagga Wagga, pp 403–406
  2. Karimi, M., & A. Nekoei. 1993. Physiological indices and effective components of seed yield in wheat cultivars. First Iranian congress of agronomy and plant breeding. Karaj.
  3. Kleinhofs, A., A. Kilian, M. A. Saghai Maroof, R./ M Biashev, P. Hayes, F. Q. Chen, N. Lspitan, A. Fenwick, T. K. Blake, V. Kanazin, E. Ananiev, L. Dahleen, D.Kurdna, J. Bollinger,  S. J. Knapp, B. Liu, M. Sorrells, M. Heun, J. D. Franckowiak, D.Hoffman, R. Skadsen, and B. J. Steffenson. 1993. A molecular, isosymes, and morphological map of the barley (Hordeum vulgare) genome. Theor. Appl. Genet. 86:705-712.
  4. Kleinhofs, A., and A. Graner. 2001. An integrated map of the barley genome. P: 187-199. In: Philips, R. L. and I. K. Vasil (eds.) DNA-Based Markers in Plants. 2nd ed. Kluwer Academic Publication.
  5. Koochaki, A., & M. Banayan. 1994. Crop yield physiology. Jahad Mashhad press. 380pp.
  6. Lafitte HR, Li ZK, Vijayakumar CHM et al (2006) Improvement of rice drought tolerance through backcross breeding: evaluation of donors and selection in drought nurseries. Field Crops Res 97:77–86. doi:10.1016/j.fcr.2005.08.017
  7. MacKill, D. J. 2003. What molecular tools are available for selection for drought tolerance? pp. 55-61. In:Fischer, K. S., Laffite, R., and Fukai, S. (eds.) Environments. IRRI, Philippines.
  8. Moadab Shabestarim M., & M. Mojtahedi. 1990. Crop physiology. Tehran university Press. 431pp.
  9. Rensink WA, Buell CR (2005) Microarray expression profiling resources for plant genomics. Trends Plant Sci 10:603–609. doi:10.1016/j.tplants.2005.10.003
  10. SAS Institute. 1992. SAS State user’s guide 9.1: Statistics. SAS Ins., Cary, NC.
  11. Wang, S., C. J. Basten, and Z. B. Zeng. 2007. Windows QTL cartographer 205. Department of Statistics, North Carolina State University, Raleigh, NC. (available at http://  statgen.ncsu.edu/qtlcart/wQTLcart.htm/).
  12. Zhu, H., G. Briceno, R. Dovel, P. M. Hayes, B. H. Liu, C. T. Liu, and S. E. Ullrich. 1999. Molecular breeding for grain yield in barley.: an evaluation of QTL effects in a spring barley cross. Theor. Appl. Genet. 98:772-779.

 

Files

Share

How to cite

Statistics