شناسایی والدین مناسب برای تولید ارقام هیبرید برنج از طریق ارزیابی قابلیت ترکیب پذیری و هتروزیس

مقدمه
برنج از محصولات اصلی تأمین کننده کالری مورد نیاز مردم جهان است و از منابع غذایی اصلی مردم ایران به شمار می‌رود. با توجه به افزایش روز افزون جمعیت و همچنین تغییر در عادات رژیم غذایی و میل به مصرف برنج در دنیا لازم است که تولید برنج افزایش یابد. از طرفی با توجه به محدودیت‌هایی که در تولید این محصول وجود دارد این افزایش تولید باید در زمین کمتر و با کارگر کمتر صورت گیرد. بهره برداری از هتروزیس  به عنوان راهکاری برای افزایش بیشتر عملکرد و تأمین نیاز جمعیت رو به رشد جهان می باشد. بنابراین تلاش‌ها برای بهره برداری از هتروزیس آغاز شد تا اینکه محققان چینی توانستند با تولید تجاری برنج هیبرید افزایش چشمگیری در عملکرد برنج ایجاد کنند. هتروزیس پدیده ای است که هیبریدهای F1 حاصل از والدین متنوع، از نظر صفات مختلف نسبت به والدین خود برتری نشان می دهند (Saleem, 2008).
 انتخاب والدین مناسب مهم‌ترین گام در هر برنامه اصلاحی به خصوص تولید برنج هیبرید می‌باشد. برای انتخاب دقیق‌تر لاین‌های والدینی و همچنین تعیین قابلیت ترکیب پذیری آن‌ها از روش‌های مختلف ژنتیک کمی از جمله تلاقی‌های دای آلل و لاین × تستر استفاده می‌شود. تجزیه لاین × تستر که توسط کمپتورن (Kempthorne, 1957) پیشنهاد شده است، برای غربال لاین‌های مورد نیاز جهت دورگ گیری استفاده می‌شود و این امر از سرعت و اطمینان بیشتری برخوردار می‌باشد. تعیین ترکیب پذیری و اجزاء واریانس ژنتیکی از مهم‌ترین کارهاى هر برنامه اصلاحی برای دورگ گیری می‌باشد (Fehr, 1993) و به اصلاح کنندگان کمک می‌نماید تا نحوه عمل ژن یا ژن‌های دخیل در تظاهر صفات کمی مهم را تعیین و والدین با ترکیب پذیری عمومی مثبت و هیبریدهای با ترکیب پذیری خصوصی بالا را شناسایی نمایند. برآورد قابلیت ترکیب پذیری عمومی (GCA) و خصوصی (SCA) به اصلاح گران کمک می‌نماید تا در مورد برنامه های اصلاحی و استراتژی‌های گزینش ژنوتیپ‌ها تصمیم گیری نمایند (De la Vega and Chapman, 2006).
 ویوی و جیریداران (Vive and Jiridharan, 1995) اثر ترکیب پذیری عمومی معنی دار در سطح احتمال پنج درصد را برای صفات عملکرد دانه، طول دانه و عرض دانه برای همه لاین ها و تسترها  در برنج گزارش نمودند. زو و ویرمانی (Xu and Virmani, 2000) در بررسی ٦٦ هیبرید، ١٠ تستر و ٢٣ لاین پیشرفته برنج، برای عملکرد دانه، واریانس غالبیت و واریانس افزایشی را بترتیب 8/31 و 7/63 گزارش نمودند.
محققین زیادی با هدف شناسایی ژنوتیپ های مناسب مقادیر هتروزیس، قابلیت ترکیب پذیری عمومی و قابلیت ترکیب پذیری خصوصی را مورد ارزیابی قرار دادند

 (Rahimi et al., 2010; Selvaraj et al., 2011; Sanghera and Hussain, 2012; Latha et al., 2013). سارکر و همکاران (Sarker et al., 2002) درصد بالائی از هتروزیس (7/100 %) را برای عملکرد دانه برنج مشاهده کردند. باقری و بابائیان جلودار  (Bagheri and Babaeian-Jelodar, 2010) 7 والد (سه لاین نر عقیم سیتوپلاسمی و 4 رقم تجدید کننده باروری) و هیبریدهای حاصل از تلاقی لاین×تستر آنها را مورد مطالعه قرار داده و والدین و هیبریدهای مناسب برای صفات مختلف را با برآورد قابلیت ترکیب پذیری عمومی و خصوصی و مقادیر هتروزیس مشخص نمودند. تیواری و همکاران (Tiwari et al., 2011) هیبریدهای برتر برنج را از طریق برآورد اثر ژن، مقادیر هتروزیس و قابلیت ترکیب پذیری به روش لاین×تستر شناسایی کردند.
هدف از اجرای این آزمایش برآورد قابلیت ترکیب پذیری و همچنین تعیین میزان هتروزیس صفات مورد مطالعه و در نهایت شناسایی لاین‌های والدینی مناسب برای برنامه های اصلاحی و همچنین انتخاب ترکیب‌های مناسب برای تولید برنج هیبرید بود.

مواد و روش‌ها
این آزمایش طی دو سال از فروردین ماه 1390 تا شهریور 1391 در مزرعه آموزشی-پژوهشی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری واقع در 9 کیلومتری جاده خزر آباد به طول جغرافیایی 53 درجه و 13 دقیقه شرقی و عرض جغرافیایی 36 درجه و 42 دقیقه شمالی و در ارتفاع 14 متر از سطح دریا به اجرا در آمد. مواد گیاهی شامل 5 لاین نر عقیم سیتوپلاسمی و 5 لاین برگرداننده باروری بود. لاین‌های نر عقیم (تهیه شده از پژوهشکده ژنتیک و زیست فناوری طبرستان) به عنوان والد ماده و لاین‌های برگرداننده باروری به عنوان والد نر مورد استفاده قرار گرفت. در سال اول اجرای آزمایش، جهت هماهنگ کردن زمان گل‌دهی ارقام والدینی در سه مرحله و با فاصله 15 روز از یکدیگر کاشته شدند. بسته به مرحله ظهور گل‌ها، تلاقی بین لاین ها و تسترها به روش لاین×تستر انجام شد و 25 هیبرید F1 بدست آمد. در سال بعد هیبریدهای حاصل به همراه والدین در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با دو تکرار در کرت هائی به مساحت 4 متر مربع کشت شدند. در طول فصل رشد صفات ارتفاع بوته (سانتی متر)، تعداد پنجه بارور، طول خوشه (سانتی متر)، تعداد دانه پر در خوشه، طول دانه (میلی متر)، وزن هزار دانه (گرم) و عملکرد دانه (گرم در بوته) اندازه گیری شد. اندازه گیری‌ها بر روی 10 بوته تصادفی از هر ژنوتیپ در هر تکرار انجام گردید. برای تجزیه و تحلیل داده ها ابتدا تجزیه واریانس ساده با استفاده از داده های حاصل از ژنوتیپ‌ها (لاین ها، تسترها و دورگ ها) صورت گرفت. مقایسه میانگین لاین‌ها، تسترها و دورگ ها به روش آزمون چند دامنهای دانکن برای کلیه صفات انجام شد. جهت انجام تجزیه واریانس و مقایسات میانگین از نرم افزار SAS و برای تجزیه لاین×تستر با استفاده از بسته آماری Agricolae موجود در نرم افزار R (http://www.r-project.org) استفاده گردید. مقادیر هتروزیس با استفاده از فرمول‌های زیر بدست آمد:
نتایج و بحث
نتایج تجزیه واریانس نشان داد که بین ژنوتیپ‌ها برای کلیه صفات مورد بررسی تفاوت‌های معنی داری در سطح احتمال 1% وجود دارد (جدول 1) که نشان دهنده وجود تنوع ژنتیکی کافی برای بهبود صفات می‌باشد. شارما و مانی (Sharma and Mani, 2005) وجود تنوع ژنتیکی برای ارتفاع بوته، تعداد پنجه در بوته، طول خوشه، وزن هزار دانه و عملکرد در بوته را در برنج گزارش کرده اند.
مجموع مربعات ژنوتیپ‌ها به مجموع مربعات والدین، والدین در مقابل تلاقی‌ها و تلاقی‌ها تجزیه  شد که اثر والدین و تلاقی‌ها برای کلیه صفات و اثر والدین در مقابل تلاقی‌ها به جز وزن هزار دانه و عملکرد برای سایر صفات معنی دار بود. مجموع مربعات تلاقی‌ها به اجزاء لاین ها، تسترها و لاین×تستر تجزیه شد. لاین ها برای کلیه صفات و تسترها به جز تعداد دانه پر برای سایر صفات دارای تفاوت معنی دار بودند. اثر متقابل لاین×تستر برای ارتفاع، تعداد دانه پر و وزن هزار دانه معنی دار بود. معنی داری اثر لاین ها (والدین مادری) و تسترها (والدین پدری) نشان دهنده بروز واریانس افزایشی است در حالی که معنی داری اثر متقابل لاین×تستر نشان دهنده اهمیت واریانس غیر افزایشی می‌باشدLatha et al., 2013; Sanghera and Hussain, 2012) ). در مطالعه ای توسط پانوار (Panwar, 2005) با استفاده از 3 لاین و 10 تستر، اثر لاین ها و تسترها و همچنین اثر متقابل لاین×تستر برای کلیه صفات مورد بررسی معنی دار بود.
مقایسه میانگین ژنوتیپ های مورد بررسی (والدین و هیبریدها) به روش آزمون چند دامنه ای دانکن و در سطح احتمال آماری 5% انجام شد که نتایج آن برای صفات مختلف در جداول 2 و 3 آورده شده است. تسترهای T1 و T3 به ترتیب با میانگین 99/28 و 33/28 بیشترین عملکرد را داشتند. در بین لاین‌ها، لاین L1 با متوسط 75/34 گرم دانه در بوته از سایر لاین ها برتر بود. هیبرید T1×L3 با میانگین عملکرد 01/39 گرم در بوته بهترین هیبرید برای عملکرد بود. پس از آن هیبریدهای T1×L2، T2×L3 و T2×L1 به ترتیب با میانگین 94/36، 49/36 و 07/35 قرار گرفتند.
متوسط وضعیت ژنوتیپ‌ها یکی از معیارهای مهم برای ارزیابی آن‌ها می‌باشد، با این حال مشخص نیست که والدین بتوانند کارایی بالای خود را به هیبرید ها انتقال دهند؛ بنابراین  توانایی والدین را می‌توان با اثرات GCA برآورد کرد (Virmani et al. 2003). ارزیابی متوسط وضعیت و اثرات GCA والدین به طور جداگانه منجر به شناسایی والدین برتر می‌شود. بنابراین والدینی که از هر دو نظر متوسط وضعیت و اثرات GCA بهتر عمل می‌کنند می‌توانند به عنوان والدین مطلوب استفاده شوند (Saleem, 2008). اثرات ترکیب پذیری عمومی والدین در جدول 4 آورده شده است. لاین‌های L1، L2 و L3 و تستر T1 به علت اثرات GCA مثبت و معنی دار به ترتیب با مقادیر 09/5، 32/2، 35/4 و 26/3 ترکیب شونده های عمومی خوبی برای بهبود عملکرد بودند . لاین L4 و تستر L4 به دلیل اثر GCA منفی و معنی دار برای این صفت نامطلوب می‌باشند. لاین L5 و تسترهای باقیمانده به جز T2 که GCA مثبت و غیر معنی دار داشت، دارای GCA منفی ولی غیر معنی دار بودند. پادماواتی و همکاران (Padmavathi, et al., 2012) در ارزیابی 52 هیبرید حاصل از تلاقی 4 لاین و 13 تستر، 2 لاین و 5 تستر را با اثرات GCA بالا و معنی دار برای بهبود عملکرد شناسایی کردند. همچنین، اکرم و همکاران (Akram, et al., 2007) در بررسی ترکیب پذیری 7 رقم برنج، 3 ژنوتیپ را به عنوان بهترین ترکیب شونده عمومی برای عملکرد و اجزاء عملکرد شناسائی نمودند.
قابلیت ترکیب پذیری خصوصی صفات مختلف در جدول 5 نشان داده شده است. کلیه هیبریدها از نظر عملکرد دارای SCA متوسط بودند که از این بین 12 هیبرید L1×T2، L1×T4، L1×T5، L2×T1، L2×T4، L3×T1، T2×L3، T1×L4، T4×L4، T5×L4، T3×L5 و T5×L5 دارای SCA مثبت و 13 هیبرید دارای SCA منفی بودند. نتایج مشابهی توسط                                              احمدی خواه (Ahmadikhah, 2009) بدست آمده است.
نتایج هتروزیس مشاهده شده در بین هیبریدها نسبت به میانگین والدین (جدول 6) و والد برتر (جدول 7) نشان داد که برای عملکرد هتروزیس میانگین والدین از محدوده 45/38- تا 82/32 درصد و هتروزیس والد برتر از 28/47- تا 11/31 درصد می‌باشد. کمترین هتروزیس میانگین والدین و والد برتر برای هیبرید T3×L4 مشاهده شد. همچنین بیشترین هتروزیس میانگین والدین و والد برتر برای هیبرید T1×L3 به دست آمد. هیبریدهای T1×L1 (02/11)، L1×T2 (29/23)، T3×L1 (37/10)، T4×L1 (28/30)، T5×L1 (05/31)، T1×L2 (91/15)، T1×L3 (82/32)، T2×L3 (58/29)، T4×L3 (03/19) و L5×T5 (88/23) دارای هتروزیس میانگین والدین بالای 10 درصد بودند. همچنین هتروزیس والد برتر برای هیبریدهای T2×L1 (62/15)، T5×L1 (43/12)، T1×L3 (11/31)، T2×L3 (62/22) و T5×L5 (45/10) بالای 10 درصد بود، بنابراین این هیبریدها دارای هتروزیس قابل قبول برای افزایش عملکرد هستند. تلاقی لاین L4 با تسترهای T1 و T2 نتوانست باروری کافی در هیبریدهای حاصل ایجاد کند و لذا هتروزیس مورد انتظار حاصل نشد، در حالی که باقری و بابائیان جلودار (Bagheri and Babaeian-Jelodar, 2010) بالاترین مقدار هتروزیس را برای تلاقی این لاین با تستر IR68899A  بدست آوردند.
به طور کلی نتایج این تحقیق نشان داد  که تستر T1 و لاین‌های L1، L3 و L2  (به ترتیب اهمیت) بر اساس متوسط وضعیت و اثرات GCA والدین مطلوب برای بهبود عملکرد می‌باشند. همچنین با توجه به اینکه افزایش عملکرد یکی از مهمترین اهداف بهنژادگرمی باشد، هیبریدهای T1×L3، T2×L3، T2×L1، T5×L1 و L5×T5 بر اساس متوسط وضعیت، اثرات SCA و مقادیر هتروزیس به عنوان برترین هیبریدها از نظر ویژگی های زراعی (در مقایسه با والدین مربوطه) برای بهبود عملکرد شناخته شدند. با ادامه مطالعات در زمینه سازگاری در سال ها و مکان های مختلف، این ترکیبات می توانند نوید بخش تولید ارقام جدید هیبرید برنج در کشور باشند .