ارزیابی تنوع ژنتیکی لاین های ذرت دانه ای با استفاده از نشانگرهای ریزماهواره

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانش آموخته دکتری، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

2 استاد، گروه بیوتکنولوژی و به‌نژادی گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه فردوسی مشهد، مشهد، ایران

3 دانشجوی دکتری، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

چکیده

مقدمه: ذرت یکی از مهم­ترین منابع تآمین انرژی در تغذیه طیور، دام و همچنین انسان و ماده خام تولیدات صنعتی و غذایی است. این گیاه زراعی ارزشمند از نظر تولید جهانی بعد از گندم و برنج در رتبه سوم دنیا قرار دارد. از آن­جایی که آگاهی از میزان تنوع ژنتیکی در مجموعه ژرم­پلاسم و تعیین روابط ژنتیکی بین مواد اصلاحی، اولین و اصلی­ترین مرحله در پژوهش­های به­نژادی است، از این­رو شناسایی لاین­های با پتانسیل ژنتیکی مناسب و تنوع بالا یکی از اهداف به­نژادگران گیاهی جهت تهیه و معرفی ارقام جدید می­باشد. هدف از این پژوهش، بررسی میزان تنوع ژنتیکی 18 لاین اینبرد ذرت با استفاده از نشانگرهای ریزماهواره (SSR)، ارزیابی کارآیی نشانگرها و معرفی مناسب­ترین آنها در تعیین تنوع ژنتیکی لاین­های ذرت بود.
مواد و روش­ ها: مواد گیاهی این تحقیق شامل 18 لاین اینبرد ذرت تهیه شده از مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی استان خراسان رضوی بود. استخراج DNA به روش CTAB از نمونه­های برگی تازه و جوان پس از رسیدن گیاهچه­ها به مرحله سه برگی انجام شد. واکنش زنجیره­ای پلیمراز (PCR) در حجم نهایی 10 میکرولیتر انجام و جهت مشاهده قطعات تکثیرشده، از الکتروفورز افقی روی ژل­های آگارز سه درصد و نیز از الکتروفورز عمودی روی ژل­های پلی­آکریل­آمید شش درصد استفاده شد. برای تجزیه و تحلیل داده­ها، ابتدا قطعات تکثیرشده (نوارها) روی ژل­ها، ارزش­گذاری و کمی شدند، به این ترتیب که اعداد یک و صفر به­ترتیب برای وجود و عدم وجود هر نوار در هر یک از لاین­های ذرت در نظر گرفته شد. سپس جهت ارزیابی تنوع ژنتیکی، شاخص­های مختلف تنوع از جمله تعداد آلل موثر، محتوای اطلاعات چندشکلی و تنوع ژنی نئی با استفاده از نرم­افزار POPGEN برآورد و مناسب­ترین نشانگرها معرفی شدند. برای گروه­بندی لاین­های ذرت مورد مطالعه نیز تجزیه خوشه­ای و تجزیه به مختصات اصلی انجام و نمودارهای مربوطه با استفاده از نرم­افزار2.0  NTSYSpc رسم شدند.
یافته­ های تحقیق: ارزیابی تنوع ژنتیکی لاین­های ذرت بر اساس نشانگرهای ریزماهواره نشان داد که 20 نشانگر ریزماهواره استفاده شده در این پژوهش در مجموع 81 مکان قابل امتیازدهی تولید کردند که اندازه آنها در محدوده 200-65 جفت باز متغییر بود. متوسط تعداد آلل موثر، محتوای اطلاعات چندشکلی و تنوع ژنی نئی به­ترتیب 05/2، 71/0 و 62/0 محاسبه شد و نشان داد که تنوع قابل توجهی بین لاین­های مورد مطالعه وجود داشت. بررسی محتوای اطلاعات چندشکلی (PIC) نشان داد که نشانگرهای استفاده شده در این پژوهش دارای PIC بسیار متغیر از 28/0 (برای نشانگر Phi024) تا 91/0 (برای نشانگر Phi038) با میانگین 71/0 بودند. تجزیه خوشه­ای به روش UPGMA با استفاده از ضریب تشابه جاکارد، 18 لاین اینبرد ذرت را در سه خوشه متمایز به­ترتیب با تعداد 1، 6 و 11 لاین گروه­بندی کرد. تجزیه واریانس مولکولی بر اساس سه گروه حاصل از تجزیه خوشه­ای نیز نشان داد که 11 درصد از تنوع کل در بین گروه­ها و 89 درصد در درون گروه­ها وجود داشت. نتایج حاصل از تجزیه به مختصات اصلی و گروه­بندی لاین­ها بر اساس بای­پلات حاصل از دو بردار اول و دوم، گروه­بندی حاصل از تجزیه خوشه­ای را مورد تایید قرار داد.
نتیجه­ گیری: نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که تنوع ژنتیکی قابل توجهی در بین لاین­های ذرت مورد مطالعه وجود داشت که از این تنوع می­توان در برنامه­های به­نژادی استفاده کرد. همچنین، نشانگرهای ریزماهواره (SSR) توانایی تشخیص تنوع و تفکیک ژنوتیپ­های ذرت را از یکدیگر دارند. ارزیابی شاخص­های مختلف تنوع برای نشانگرهای مطالعه شده در این تحقیق نشان داد که نشانگرهایPhi034 ، Phi038،Phi076 ، Phi084 و Phi092 نشانگرهای بهتری برای تعیین تنوع ژنتیکی بودند. بنابراین، استفاده از این نشانگرهای آگاهی­بخش جهت تعیین تنوع ژنتیکی و نیز شناسایی الگوی هتروتیک در برنامه­های به­نژادی ذرت پیشنهاد می­شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Investigating the genetic diversity of grain maize lines using microsatellite markers

نویسندگان [English]

  • Ebrahim Souri Laki 1
  • Seyyed Hassan Marashi 2
  • Vahid Jokarfard 3
1 Ph.D. Graduate, Department of Plant Production and Genetic Engineering, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran
2 Professor, Department of Biotechnology and Plant Breeding, Faculty of Agriculture, Ferdowsi University of Mashhad, Mashhad, Iran
3 Ph.D. Student, Department of Plant Production and Genetic Engineering, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran
چکیده [English]

Introduction
Maize is one of the most important sources of energy supply to feed poultry, livestock, as well as humans, and the primary and raw material for industrial and food products. This valuable crop plant in terms of world production ranks third after wheat and rice. Since knowing the genetic diversity in germplasm collections and determining the genetic relationships between breeding materials is the first and most important step in breeding researches, so identifying high diversity and suitable genetic potential lines is one of the goals of plant breeders to product and introduce new varieties. The objective of this study is to investigate the genetic diversity of 18 maize inbred lines using microsatellite (SSR) markers, to evaluate the efficiency of the studied markers, and to introduce the most appropriate ones in determining the genetic diversity of maize lines.
Materials and methods
The plant materials of this research included 18 inbred lines of maize prepared from the Agriculture and Natural Resources Research Center of Khorasan-Razavi province, Iran. DNA extraction was carried out by CTAB method from fresh and young leaf samples after the three-leaf stage of seedlings. Polymerase chain reaction (PCR) was performed in a final volume of 10 μl, and horizontal electrophoresis on 3% agarose gels as well as vertical electrophoresis on 6% polyacrylamide gels were used to observe the amplified fragments. For data analysis, first the amplified fragments (bands) on the gels were valued and quantified, so that the numbers 1 and 0 were considered for the presence and absence of each band in each maize line, respectively. To evaluate the genetic diversity, different diversity indices including number of effective alleles, polymorphic information content (PIC) and Nei’s gene diversity were estimated using POPGEN software, and the most suitable markers were introduced. To group the studied maize lines, cluster analysis and principal coordinates analysis were performed and the corresponding graphs were drawn using NTSYSpc 2.0 software.
Research findings
Assessing the genetic diversity of maize lines based on microsatellite markers showed that 20 SSR markers used in this research amplified a total of 81 scorable loci, whose size ranged from 65 to 200 bp. The average number effective alleles, polymorphism information content and Nei’s gene diversity were calculated as 2.05, 0.71 and 0.62, respectively, indicating that there was a considerable genetic diversity among the studied maize lines. Evaluating the polymorphic information content (PIC) index showed that the markers used in this study had highly variable PIC from 0.28 (for Phi024) to 0.91 (for Phi038) with an average of 0.71. Cluster analysis by UPGMA method using Jaccard similarity coefficient grouped 18 maize inbred lines into three distinct clusters with 1, 6 and 11 lines, respectively. Molecular analysis of variance based on three groups derived from cluster analysis showed that 11% and 89% of the total variance was between and within population, respectively. The results of principal coordinate analysis and grouping if maize lines based on the bi-plot of the first and second vectors confirmed the grouping of the cluster analysis.
Conclusion
The results of the current study showed that there was a significant genetic diversity among the studied maize lines, which can be used in breeding programs. Also, microsatellite markers (SSRs) had the ability to assess the genetic diversity and separation of maize genotypes from each other. Evaluating the different diversity indices for the studied markers in this research showed that the markers Phi034, Phi038, Phi076, Phi084, and Phi092 were more suitable markers for determining genetic diversity. Therefore, it is recommended to use these informative markers to determine genetic diversity as well as to identify heterotic pattern in maize breeding programs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cluster analysis
  • Informative markers
  • Polymorphic information content
  • Principal coordinate analysis
Abdollahi Mandoulakani, B. and Azizi, H. 2018. Identification of ISSR markers associated with morphological traits in cultivated alfalfa (Medicago sativa L.) populations. Cellular and Molecular Research (Iranian Journal of Biology), 27(2), pp. 260-268. [In Persian]. https://dorl.net/dor/20.1001.1.23832738.1393.27.2.10.0.##Akinwale, R.O., Badu-Apraku, B., Fakorede, M.A.B. and Vroh-Bi, I. 2014. Heterotic grouping of tropical early-maturing maize inbred lines based on combining ability in striga-infested and striga-free environments and the use of SSR markers for genotyping. Field Crops Research, 156, pp. 48-62. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2013.10.015.##Amaral Júnior, A.T., Oliveira, E.C., Azeredo Gonçalves, L.S., Alberto Scapim, C., Silvia Candido, L., Conceição Silva, T.R., Vittorazzi, C. and Cunha, K.S. 2011. Assessment of genetic diversity among maize accessions using inter simple sequence repeats (ISSR) markers. African Journal of Biotechnology, 10(69), pp. 15462-15469. https://doi.org/10.5897/AJB10.2624.##Bernardo, R. 2001. Breeding potential of intra‐ and inter- heterotic group crosses in maize. Crop Science, 41(1), pp. 68-71. https://doi.org/10.2135/cropsci2001.41168x.##Dehghan Naieri, F., Abd-Mishani, S., Shakib, A.M., Seyede Tabatabaii S.B.E. and Bankesaz, A. Lu. 2005. Utilization of microsatellite markers for determining genetic relationships in maize inbred lines.  Iranian Journal of Agriculture Science, 36(1), pp. 43-49. [In Persian].##FAO. 2015. World Food and Agriculture. Statistical Yearbook 2015. Food and Agriculture Organization of the United Nations, Rome, Italy.##Ghafari Azar, A., Darvishzadeh, R., Aghaali, Z., Kahrizi, D. and Darvishi, B. 2019. Assessment of genetic diversity and grouping of maize lines (Zea mays L.) using ISSR markers. Cellular and Molecular Research (Iranian Journal of Biology), 32(2), pp. 230-241. [In Persian]. https://dorl.net/dor/20.1001.1.23832738.1398.32.2.5.0.##Hallauer, A.R. and Miranda, J.B. 1998. Quantitive Genetics in Maize Breeding. (2th Ed.). Iowa State University Press, Ames, Iowa, USA.‏ https://doi.org/10.1007/978-1-4419-0766-0.##Hinze, L.L., Kresovich, S., Nason, J.D. and Lamkey, K.R. 2005. Population genetic diversity in a maize reciprocal recurrent selection program. Crop Science, 45(6), pp. 2435-2442.‏ https://doi.org/10.2135/cropsci2004.0662.##Hoxha, S., Shariflou, M.R. and Sharp, P. 2004. Evaluation of genetic diversity in Albanian maize using SSR markers. Maydica, 49(2), pp. 97-103.##Idris, A.E., Hamza, N.B., Yagoub, S.O., Ibrahim, A.I. and El-Amin, H.K. 2012. Maize (Zea mays L.) genotypes diversity study by utilization of inter-simple sequence repeat (ISSR) markers. Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 6(10), pp. 42-47.##Laosatit, K., Amkul, K., Somta, P., Kerdsri, C., Mongkol, W., Jitlaka, C., Suriharn, K. and  Jompuk, C. 2023. Genetic diversity of sweet corn inbred lines of public sectors in Thailand revealed by SSR markers. Crop Breeding and Applied Biotechnology, 22(4), e431322410, pp. 1-8.‏ https://doi.org/10.1590/1984-70332022v22n4a45.##Liu, Z.Z., Gou, R.H., Zhao, J.R., Cai, Y.L., Wang, F.G., Cao, M.J., Wang, R., Shi, Y., Song, Y., Wang, T. and Yu, L.I. 2009. Genetic diversity of tow important groups of maize landraces with the same name in China revealed by M13 tailed-primers SSRs. Agricultural Sciences in China, 8, pp. 15-23. https://doi.org/10.1016/S1671-2927(09)60004-3.##Lu, H., and Bernardo, R. 2001. Molecular marker diversity among current and Historical maize inbreds. Theoretical and Applied Genetics, 103, pp. 613-617. https://doi.org/10.1007/PL00002917.##Mahato, A., Shahi, J.P., Singh, P.K. and Kumar, M. 2018. Genetic diversity of sweet corn inbreds using agro-morphological traits and microsatellite markers. 3 Biotech, 8 (332), pp. 1-9. https://doi.org/10.1007/s13205-018-1353-5.##Mir-Mohammadi Maibody, S.A.M. and Golkar, P. 2019. Application of DNA molecular markers in plant breeding. Plant Genetic Researches, 6, pp. 1-30. [In Persian]. https://doi.org/10.29252/pgr.6.1.1.##Muhammad, R.W., Qayyum, A.A., hmad, M.Q., Hamza, A., Yousaf, M., Ahmad, B., Younas, M., Malik, W., Liaqat, S. and Noor, E. 2017. Characterization of maize genotypes for genetic diversity on the basis of inter simple sequence repeats. Genetics and Molecular Research, 16(1), pp. 1-9. https://doi.org/10.4238/gmr16019438.##Murray, M.G. and Thompson, W.F. 1980. Rapid isolation of high molecular weight plant DNA. Nucleic Acids Research, 8(19), pp. 4321- 4326. https://doi.org/10.1093/nar/8.19.4321.##Nei, M. and Li, W.H. 1979. Mathematical model for studying genetic variation in terms of restriction endonucleases. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 76(10), pp. 5269-5273. https://doi.org/10.1073/pnas.76.10.5269.##Pineda Hidalgo, K.V., Méndez‐Marroquín, K.P., Alvarez, E.V., Chávez‐Ontiveros, J., Sánchez Peña, P., Garzón‐Tiznado, J.A. and López‐Valenzuela, J.A. 2013. Microsatellite‐based genetic diversity among accessions of maize landraces from Sinaloa in México. Hereditas, 150(4-6), pp. 53-59. https://doi.org/10.1111/j.1601-5223.2013.00019.x.##Piñera, J.A., Blanco, G., Vázquez, E. and Sánchez, J.A. 2007. Genetic diversity of blackspot seabream (Pagellus bogaraveo) populations of Spanish Coasts: A preliminary study. Marine Biology, 151(6), pp. 2153-2158. https://doi.org/10.1007/s00227-007-0665-5.##Rezaie, Z., Moshtaghi, N., Khavari Khorasani, S. and Shahriari Ahmadi, F. 2018. Determination of heterotic groups in the super sweet corn inberd lines by microsatellite markers. Proceedings of the 15th National Iranian Crop Science Congress. Sep. 4-6, 2018, Karaj, Iran. [In Persian].##Romay, M.C., Butrón, A., Ordás, A., Revilla, P. and Ordás, B. 2012. Effect of recurrent selection on the genetic structure of two broad‐based Spanish maize populations. Crop Science, 52(4), pp. 1493-1502.‏ https://doi.org/10.2135/cropsci2011.10.0552.##Rossini Pinto, L., Carneiro Vieira, M.L., Lopes de Souza, C. and Pereira de Souza, A. 2003. Genetic diversity assessed by microsatellites in tropical maize populations submitted to a high-intensity reciprocal recurrent selection. Euphytica, 134, pp. 277-286. https://doi.org/10.1023/B:EUPH.0000004946.15260.4a.##Saghai-Maroof, M.A., Soliman, K.M., Jorgensen, R.A. and Allard, R. 1984. Ribosomal DNA spacer-length polymorphisms in barley: Mendelian inheritance, chromosomal location, and population dynamics. Proceedings of the National Academy of Sciences USA, 81(24), pp. 8014-8018. https://doi.org/10.1073/pnas.81.24.8014.##Sandhu, K.S., Singh, N. and Malhi, N.S. 2007. Some properties of corn grains and their flours I: Physicochemical, functional and chapati-making properties of flours. Food Chemistry, 101, pp. 938- 946. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2006.02.040.##Semagn, K., Bjørnstad, A. and Xu, Y. 2010. The genetic dissection of quantitative traits in crops. Electronic Journal of Biotechnology, 13(5), pp. 1-45. https://doi.org/10.2225/vol13-issue5-fulltext-21.##Semagn, K., Magorokosho, C., Ogugo, V., Makumbi, D. and Warburton, M.L. 2014. Genetic relationships and structure among open-pollinated maize varieties adapted to eastern and southern Africa using microsatellite markers. Molecular Breeding, 34, pp. 1423-1435. https://doi.org/10.1007/s11032-014-0126-z.##Shafiei-Astani, B., Ong, A.H.K., Valdiani, A., Tan, S.G., Yong, C.S.Y., Ahmady, F., Alitheen, N.B., Ng, W.L. and Kaur, T. 2015. Molecular genetic variation and structure of Southeast Asian crocodile (Tomistoma schlegelii): Comparative potentials of SSRs versus ISSRs. Gene, 571, pp. 107-116. https://doi.org/10.1016/j.gene.2015.06.053.##Wang, R., Yu, Y., Zhao, J., Shi, Y., Song, Y., Wang, T. and Li, Y. 2008. Population structure and linkage disequilibrium of a mini core set of maize inbred lines in China. Theoretical and Applied Genetics, 117, pp. 1141-1153. https://doi.org/10.1007/s00122-008-0852-x.##Zhu, J., Gale, M.D., Quarrie, S., Jackson, M.T. and Bryan, G.J. 1998. AFLP markers for the study of rice biodiversity. Theoretical and Applied Genetics, 96, pp. 602-611. https://doi.org/10.1007/s001220050778.##