تجزیه ارتباط برای محتوای پرولین و فروکتان در جو (Hordeum vulgare L.) تحت تنش سرمای دیررس بهاره با نشانگرهای میکروساتلیت

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه ژنتیک و به‌نژادی گیاهی، دانشکده کشاوزی، دانشگاه تربیت مدرس تهران، تهران، ایران.

2 گروه ژنتیک و به‌نژادی گیاهی، دانشکده کشاوزی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران.

3 دانشگاه ارومیه

4 گروه بیوتکنولوژی، دانشکده کشاوزی، دانشگاه تهران، تهران، ایران.

10.22124/cr.2024.27831.1827

چکیده

مقدمه: تنش‌های زنده و غیرزنده محیطی عامل کاهش کمیت و کیفیت محصولات زراعی هستند. نوعی از تنش سرما با عنوان سرمای دیررس بهاره وجود دارد که در صورت بروز، متناسب با مراحل رشدی محصول، قادر است آسیب‌های زیادی به کشاورزان و تولیدکنندگان وارد آورد. تجزیه ارتباطی امکان شناسایی اولیه و سریع جایگاه صفات کمی بر اساس عدم تعادل پیوستگی را فراهم می‌کند. این روش ابزار قدرتمندی جهت تشریح ژنتیک صفات پیچیده زراعی و شناسایی آلل‌های مؤثر بر کنترل صفت مورد نظر است. هدف از این مطالعه ارزیابی ساختار جمعیت و تجزیه ارتباط نشانگرهای SSR با صفات فیزیولوژیک ژنوتیپ‌های جو در شرایط تنش سرمای دیررس بهاره بود. در مجموع آغازگرهای شناسایی شده در مطالعه حاضر در صورت تایید با آزمایش‌های تکمیلی می‌توانند در برنامه به‌نژادی از طریق گزینش به کمک نشانگر استفاده شوند.

مواد و روش‌ها: در این تحقیق، به منظور بررسی تنوع ژنتیکی، تعیین الگوی عدم تعادل پیوستگی و تجزیه ارتباطی برخی صفات فیزیولوژیک در جو زراعی، 60 ژنوتیپ از مؤسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر کرج تهیه شده و به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی با سه تکرار کشت ‌شدند و پس از رشد (زادوکس43-54) تست‌های دمایی (C°8+ و C° 2-) را پشت سر گذرانده و سپس داده‌های فیزیولوژیک اندازه‌گیری و جمع‌آوری شدند. تجزیه واریانس صفات فیزیولوژیک و مقایسه میانگین داده‌ها با آزمون توکی در سطح احتمال 5% با استفاده از نرم‌افزار SAS نسخه 4/9 انجام شد. از ژنوتیپ‌های تحت بررسی، استخراج DNA با استفاده از روش CTABانجام گرفت و کیفیت DNA با استفاده از ژل آگارز و کمیت آن به روش اسپکتروفتومتری تعیین گردید. برای بررسی تنوع مولکولی ژنوتیپ‌ها در واکنش PCR از 20 آغازگر SSR استفاده گردید. نوارهای موجود در ژل‌ها به صورت هم‌بارز نمره‌دهی شدند و ماتریس حاصل برای تجزیه های آماری استفاده گردید. تجزیه مؤثر ساختار جمعیت با استفاده از روش Bayesian در نرم‌افزار Structure و شناسایی مکان‌های ژنی مرتبط با صفات مورد ارزیابی، بر اساس مدل MLMو با در نظر گرفتن ماتریس‌های Q (Population structure data) و K (Kinship matrix) به عنوان کوواریت با استفاده از نرم‌افزار TASSELV.2.1انجام گرفت.

یافته‌های تحقیق: بر اساس تجزیه واریانس داده‌های فیزیولوژیک، تفاوت معنی‌داری از نظر تمامی صفات مورد مطالعه بین ارقام جو در هر یک از شرایط دمایی °C8+ و°C 2- مشاهده شد. بر اساس نتایج مقایسه میانگین در رابطه با صفت پرولین، در ﺳﻄﻮح دﻣﺎﯾﯽ °C8+ و°C 2 –بیش‌ترین ﻣﻘﺪار به ترتیب در ژنوتیپ‌های TN-02-6734 و بهمن و کم‌ترین ﻣقدار ﺑﻪ ﺗﺮﺗﯿﺐ در ژنوتیپ‌های نصرت و TN-02-4952 مشاهده شد. بیش‌ترین و کم‌ترین مقدار فروکتان در دمای °C8+ به ترتیب مربوط به ارقام دشت و TN-02-6297 بوده و در دمای °C2 –بیش‌ترین و کم‌ترین مقدار به ترتیب مربوط به ارقام ریحان و TN-02-6297 بود. محتوای اطلاعات چند شکل، از 59/0 در نشانگر Bmag0077 تا 82/0 در نشانگر Bmag0032 و تنوع ژنی از 63/0 تا 84/0 با متوسط 74/0 و فراوانی‌ آلل‌ رایج از 21/0 تا 52/0 متغیر بود. نتایج تجزیه ساختار جمعیّت، نشان‌دهنده وجود دو زیرجمعیت بود. در تجزیه ارتباط بر اساس مدل خطی مخلوط (MLM)، در مجموع 5 مکان SSR ارتباط معنی‌داری با عوامل کنترل کننده صفات مورد بررسی داشتند (P-value<0.05). از این تعداد 3 مکان با ژن‌های کنترل کننده صفت پرولین در شرایط تنش°C 2- (Bmag0518, Bmag0211, Ebmac0674)، یک مکان با ژن‌های کنترل کننده پرولین در شرایط °C8+ (Bmag0223) و یک مکان با ژن‌های کنترل کننده صفت فروکتان در شرایط °C8+ (Bmag0173) ارتباط معنی‌دار داشتند. در شرایط تنش°C 2- برای صفت فروکتان نشانگر با ارتباط معنی‌دار شناسایی نشد. با توجه به نتایج به‌دست آمده می‌توان بالقوه نشانگرهای Bmag0518, Bmag0211, Ebmac0674, Bmag0223, Bmag0173 را به عنوان بهترین نشانگر جهت آنالیز و گزینش به کمک نشانگر برای بهبود تحمل سرما در جو معرفی نمود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Association Analysis for Proline and Fructan Content in Barley (Hordeum vulgare L.) under Late Spring Cold Stress Using Microsatellite Markers

نویسندگان [English]

  • Fatemeh Abbaszadeh Panjali Kharabsi 1
  • Seyed Reza Gholi Mirfakhraei 2
  • Reza Darvishzadeh 3
  • Farshid Chamani Balabiglo 4
1 Department of Genetics and Plant Breeding, College of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran.
2 Department of Genetics and Plant Breeding, College of Agriculture, Tarbiat Modares University, Tehran, , Iran.
3 Urmia University
4 Department of Biotechnology, College of Agriculture, University of Tehran, Tehran, Iran.
چکیده [English]

Introduction

Biotic and abiotic environmental stresses are factors that reduce the quantity and quality of agricultural products. One type of stress is late spring freeze, which can cause significant damage to farmers and producers depending on the growth stage of the crop. Marker-trait association analysis allows for the rapid and initial identification of quantitative trait loci based on linkage disequilibrium. This method is a powerful tool for elucidating the genetics of complex agricultural traits and identifying alleles that control the trait of interest. The aim of this study was to evaluate the population structure and conduct marker association analysis of SSR markers with the physiological traits of barley genotypes under late spring freeze stress conditions. Overall, the identified markers in this study, upon validation through complementary tests, could serve as specific markers in breeding programs through Marker Assisted Selection (MAS).

Materials and methods

In this study, to investigate the genetic diversity and determine the pattern of linkage disequilibrium as well as analyze the relationship of some physiological traits in cultivated barley, 60 genotypes were prepared from the Seed and Plant Improvement Research Institute of Karaj. The genotypes were grown in factorial experimental conditions using a completely randomized design with three replications. After growth, the genotypes underwent temperature tests (8°C and -2°C), and the relevant physiological data were measured and collected. The analysis of variance for physiological traits and the comparison of means were performed. DNA extraction from the genotypes under investigation was carried out using the CTAB method, and the quality of the DNA was assessed using agarose gel, while its quantity was determined spectrophotometrically. Twenty SSR markers were utilized in the PCR. The bands on the gels were scored as co-dominant, and the resulting matrix data was used for statistical analysis. Effective population structure analysis was conducted using the Bayesian method in the Structure software pakage. Association analysis was conducted by MLM considering the structure data matrix (Q) and the kinship matrix (K) as covariates in TASSELV.2.1 software.

Research findings

Based on the analysis of variance of physiological data, there was a significant difference in all studied traits among barley varieties under both +8°C and -2°C temperature conditions. Based on the mean comparison results for proline trait, at the temperature levels of +8°C and -2°C, the highest values were observed in the TN-02-6734 and Bahman genotypes, respectively, and the lowest values were observed in the Nosrat and TN-02-4952 genotypes, respectively. The highest and lowest fructan contents were observed in the 'Dasht' and 'TN-02-6297' genotypes at 8°C, respectively. At -2°C, the highest and lowest fructan contents were found in the 'Reyhan' and 'TN-02-6297' genotypes, respectively. The polymorphic information content varied from 0.59 at marker Bmag0077 to 0.82 at marker Bmag0032. Gene diversity ranged from 63.0 to 0.84 with an average of 0.74. The major allele frequency ranged from 0.21 to 0.52. The population structure analysis indicated the presence of two subpopulations. Mixed linear model (MLM)-based association analysis, considering Q (Population structure deta) and K (Kinship matrix) matrices as covariates, revealed a significant association between 5 SSR makrers and studied traits (P-value<0.05). A total of 3 loci were significantly associated with proline trait under -2°C conditions (Bmag0518, Bmag0211, Ebmac0674), one locus was significantly associated with proline trait under +8°C conditions (Bmag0223), and one locus was significantly associated with fructose trait under + 8°C conditions (Bmag0173). No significant marker was identified for the fructan trait under -2°C conditions. Based on the obtained results the markers including Bmag0518, Bmag0211, Ebmac0674, Bmag0223, and Bmag0173 can be used as the best markers for genetic analysis and marker assisted selection in barley cold tolerance breeding programs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Association Analysis
  • Cold stress
  • Hordeum vulgare L
  • Fructan
  • Proline
  • SSR markers