شناسایی نمونه‌های ژنتیکی گندم نان متحمل به تنش گرمای انتهای فصل

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 بخش تحقیقات ژنتیک، موسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی

2 بخش تحقیقات ژنتیک، مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی

چکیده

مقدمه: در اقلیم‌های مدیترانه‌ای مانند خوزستان که دارای زمستانی ملایم هستند  و کشت گندم در پاییز انجام می‌شود، تنش گرما فقط در دوره رشد زایشی گندم اتفاق می‌افتد. در این مناطق، تاخیر در کاشت باعث می‌شود که مراحل گلدهی و پرشدن دانه با دمای بالا مواجه شده و عملکرد کمی و کیفی گندم کاهش یابد. اصلاح ژنتیکی یکی از راه‌کارهای مبارزه با تنش گرما است. با در نظر گرفتن اهمیت ذخایر ژنتیکی از نظر تحمل به تنش‌های محیطی، تحقیق حاضر انجام شد که هدف از آن غربال مجموعه گندم بانک ژن گیاهی ملی ایران برای تحمل به تنش گرمای انتهای فصل و شناسایی نمونه‌های متحمل بود.

مواد و روش‌ها: مواد گیاهی این آزمایش، 236 نمونه ژنتیکی گندم نان به‌همراه سه رقم شاهد (چمران، چمران2 و افلاک) بود که به‌صورت طرح آگمنت در مزرعه پژوهشی مرکز تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی استان خوزستان (اهواز) در سال زراعی 1395-1394 کشت شدند. آزمایش در دو تاریخ کاشت (کاشت به‌موقع طبق عرف منطقه در اوایل آذرماه به‌عنوان شرایط نرمال و کاشت با تأخیر در نیمه دوم دی‌ماه با هدف ایجاد تنش گرمای انتهای فصل در دوره رشد زایشی گندم) انجام شد. صفات ارزیابی شده شامل طول سنبله، وزن صد دانه، ارتفاع بوته، تعداد دانه در سنبله، تعداد سنبلچه در سنبله، تعداد گلچه در سنبلچه، تعداد روز تا ظهور سنبله، طول دوره پر شدن دانه، وزن دانه پنج سنبله و زمان رسیدن کامل بود. برای تحلیل آماری داده‌ها، ابتدا آماره‌های توصیفی تحت هر دو شرایط نرمال و تنش گرما برآورد شد و سپس ارتباط بین صفات با استفاده از ضرایب همبستگی مورد بررسی قرار گرفت. از تجزیه به مولفه‌های اصلی جهت کاهش حجم داده‌ها و از تجزیه خوشه‌ای جهت گروه‌بندی ژنوتیپ‌های مورد مطالعه استفاده شد.

یافته‌های تحقیق: نتایج این آزمایش نشان داد که تنش گرمای انتهای فصل، میانگین تمامی صفات مورد مطالعه را کاهش داد، به‌طوری که بیش‌ترین کاهش در صفات وزن دانه پنج سنبله و تعداد دانه در سنبله مشاهده شد. بر اساس نتایج ضرایب همبستگی تحت هر دو شرایط نرمال و تنش، وزن دانه پنج سنبله همبستگی مثبت و معنی‌دار با صفات مرتبط با اجزای عملکرد و همبستگی منفی و معنی‌دار با صفات روز تا سنبله‌دهی و روز تا رسیدگی کامل داشت. با استفاده از نتایج تجزیه به مؤلفه‌های اصلی به‌ترتیب تحت شرایط نرمال و تنش گرما، 72.54 درصد از تغییرات کل داده‌ها توسط دو مولفه اصلی و 80.53 درصد از واریانس کل داده‌ها توسط سه مؤلفه اصلی توجیه شد. نتایج تجزیه به مؤلفه‌های اصلی نشان داد که نمونه‌های ژنتیکی KC12977، KC12980، KC13013، KC13043 و KC13087، با دارا بودن صفات زودگل‌دهی و زودرسی و مقادیر بالاتر صفات وزن دانه پنج سنبله، تعداد دانه در سنبله، طول دوره پرشدن دانه و تعداد گلچه در سنبلچه، نمونه‌های ارزش‌مندی بودند و پتانسیل لازم جهت استفاده در برنامه‌های به‌نژادی برای تحمل به تنش گرما را دارند. نتایج حاصل از تجزیه خوشه‌ای نیز نمونه‌های ژنتیکی مورد بررسی را به شش گروه تفکیک کرد و گروه چهارم که شامل 62 نمونه ژنتیکی به‌همراه ارقام شاهد بود، دارای بیش‌ترین میانگین تعداد گلچه در سنبلچه، تعداد دانه در سنبله و وزن دانه پنج سنبله و کم‌ترین میانگین روز تا سنبله‌دهی و روز تا رسیدگی کامل تحت هر دو شرایط نرمال و تنش گرما بودند.

نتیجه‌گیری: در مجموع نتایج حاصل از این مطالعه نشان داد که تنوع ژنتیکی بالایی در بین نمونه‌های ژنتیکی گندم نان مورد مطالعه از نظر تحمل به تنش گرمای انتهای فصل وجود داشت. برخی از نمونه‌های ژنتیکی نظیر KC12977، KC12980، KC13013، KC13043 و KC13087، نمونه‌های ارزش‌مندی از نظر صفات زودرسی، عملکرد و اجزای عملکرد دانه بودند. از تنوع بالای موجود در این منابع ژنتیکی به‌ویژه نمونه‌های ژنتیکی متحمل شناسایی شده در این آزمایش، می‌توان به‌منظور اصلاح تحمل به تنش گرما در برنامه‌های به‌نژادی آینده استفاده کرد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Identification of bread wheat accessions tolerant to terminal heat stress

نویسندگان [English]

  • NAZANIN Amirbakhtiar 1
  • Mehdi Zahravi 1
  • Yousef Arshad 1
  • Javad Mahdavimajd 2
  • Mohammad Hossein Afzaz 1
1 Genetic research department, Seed and Plant Improvement Institute, Agricultural Research, Education and Extension Organization, Karaj, Iran (* Corresponding author: nafash.2017@gmail.com)
2 Agricultural and Natural Resources Research Center of Khuzestan, Agricultural Research, Education and Extension Organization, Ahwaz, Iran
چکیده [English]

Introduction
In the Mediterranean climates with mild winters like Khuzestan province, Iran, wheat is planted in autumn, and heat stress occurs only during the reproductive growth stage of wheat. In these regions, delayed planting causes the flowering and grain filling stages to be exposed to high temperatures, and the quantitative and qualitative performance of wheat decreases. Genetic improvement is one of the strategies to combat heat stress. Considering the importance of genetic resources for tolerance to environmental stresses tolerance, the present research was conducted to screen the wheat genetic collection of the National Plant Gene Bank of Iran for tolerance to terminal heat stress and to identify tolerant accessions.

Materials and methods
In plant materials of this experiment were 236 bread wheat accessions along with three control varieties (Chamran, Chamran2 and Aflak), which were planted in an augmented design in the research field of Agricultural and Natural Resources Research Center of Khuzestan province, Ahvaz, Iran, in 2015-2016 crop year. The experiment was carried out in two planting dates, on-time planting date according to the region's custom at late November as normal conditions, and delayed planting at early January with the aim of heat stress during the reproductive growth stage of wheat. The measured traits included spike length, 100-grain weight, plant height, number of grains per spike, number of spikelets per spike, number of florets per spikelet, number of days to heading, number of days to maturity, grain filling duration, and five spikes grain weight. For data statistical analysis, descriptive statistics were firstly estimated under both normal and heat stress conditions, and then the relationships among traits were investigated using correlation coefficients. Principal component analysis was used to reduce the volume of data and cluster analysis was perfomed to group the studied genotypes.

Research findings
The results of this experiment showed that terminal heat stress reduced the average of all studied traits, so that the highest decrease was observed in five spikes grain weight and the number of grains per spike. Based on the results of correlation coefficients under both normal and heat stress conditions, a positive and significant correlation was observed between five spikes grain weight and yield components traits, and a negative and significant correlation between five spikes grain weight and days to heading and days to maturity. Based on the results of principal component analysis, 72.54% and 80.53% of the total variance were explained by two and three main components under normal and heat stress conditions, respectively. The results of principal component analysis also indicated that the wheat accessions KC12977, KC12980, KC13013, KC13043, and KC13087, with the characteristics of early flowering and early maturity and higher values of five spikes grain weight, number of grains per spike, grain filling duration and number of florets per spike, were valuable accessions and have the sufficient potential to be used in breeding programs for heat stress tolerance. The results of cluster analysis separated the studied accessions into six group, and the fourth group including 62 accessions along with the control cultivars, had the highest average for number of florets per spike, number of grains per spike, and five spikes grain weight, as well as the lowest average for days to heading and days to maturity under both normal and heat stress conditions. and were recognized as the most tolerant group to heat stress. by three main components. In addition, the studied accessions were divided into six groups using cluster analysis.

Conclusion
The results of this study showed that there was a high genetic diversity among the studied bread wheat accessions in terms of terminal heat stress tolerance. Some genetic samples such as KC12977, KC12980, KC13013, KC13043 and KC13087, were valuable genotypes for the traits of early flowering and early maturity, as well as grain yield and yield components. The high diversity in these genetic resources, especially the tolerant accessions identified in this experiment as above mentioned, can be used to improve heat stress tolerance in future breeding programs.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cluster analysis
  • Gene bank
  • Genetic diversity
  • Late planting
  • Principal component analysis

مراجع

Agarwal, V. P., Gupta, N. K., Gupta, S., & Singh, G. (2021). Screening of wheat germplasm for terminal heat tolerance under hyper-arid conditions. Cereal Research Communications, 49, 375-383. doi: 10.1007/s42976-020-00116-y.##Ahmadi, K., Abbasszadeh, H. R., Hatami, F., Mohammadnia Afroozi, S., & Esfandiari Poor, A. (2021). Agricultural statistics of the crop year 1398-1399. Ministry of Agriculture-Jahad, Iran. [In Persian].##Alam, M. N., Bodruzzaman, M., Hossain, M. M. & Sadekuzzaman, M. (2014). Growth performance of spring wheat under heat stress conditions. International Journal of Agricultural Research, 4(6), 91-103.##Arshad, Y., & Abadouz, G. R. (2007). An investigation on effects of heat stress in wheat. Final report No. 86.236. Agricultural Research, Education and Extension Organization, [In Persian].##De Costa, W. (2011). A review of the possible impacts of climate change on forests in the humid tropics. Journal of the National Science Foundation of Sri Lanka, 39, 281-302.##Fokar, M., Blum, A., & Nguyen, H. T. (1998). Heat tolerance in spring wheat. II. Grain filling.  Euphytica, 104, 9-15. doi: 10.1023/A:1018322502271.##Gourdji, S. M., Mathews, K. L., Reynolds, M., Crossa, J., & Lobell, D. B. (2013). An assessment of wheat yield sensitivity and breeding gains in hot environments. Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 280(1752), 2012-2190. doi: 10.1098/rspb.2012.2190.##Islam, A.U., Chhabra, A., Dhanda, S., & Peerzada, O. H. (2017). Genetic diversity, heritability and correlation studies for yield and its components in bread wheat under heat stress conditions. IOSR Journal of Agriculture & Veterinary Science, 10(5), 71-77. doi: 10.9790/2380-1005017177.##Jalal Kamali, M. R., & Duveiller, E. (2008). Wheat production and research in Iran: A success story. Proceedings of the International Symposium on Wheat Yield Potential. Challenges to International Wheat Breeding. CYMMYT, Mexico. pp. 54-58.##Ji, X., Shiran, B., Wan, J., Lewis, D. C., Jenkins, C. L., Condon, A. G., Richards, R. A., & Dolferus, R. (2010). Importance of pre‐anthesis anther sink strength for maintenance of grain number during reproductive stage water stress in wheat. Plant, Cell & Environment, 33(6), 926-942. doi: 10.1111/j.1365-3040.2010.02130.x.##Kaur, V., & Behl, R. (2010). Grain yield in wheat as affected by short periods of high temperature, drought and their interaction during pre- and post-anthesis stages. Cereal Research Communications, 38, 514-520. doi: 10.1556/CRC.38.2010.4.8.##Khan, M. I., Amin, M., & Shah, S. T. (2007). Agronomic evaluation of different bread wheat (Triticum aestivum L.) genotypes for terminal heat stress. Pakistan Journal of Botany, 39(7), 2415-2425.##Lesk, C., Rowhani, P., & Ramankutty, N. (2016). Influence of extreme weather disasters on global crop production. Nature, 529, 7584. 84-87. doi: 10.1038/nature16467.##Liu, B., Asseng, S., Müller, C., Ewert, F., Elliott, J., Lobell, D. B., Martre, P., Ruane, A. C., Wallach, D., Jones, J. W., & Rosenzweig, C. (2016). Similar estimates of temperature impacts on global wheat yield by three independent methods. Nature Climate Change, 6(12), 1130-1136. doi: 10.1038/nclimate3115.##Lizana, X., & Calderini, D. (2013). Yield and grain quality of wheat in response to increased temperatures at key periods for grain number and grain weight determination: considerations for the climatic change scenarios of Chile. Journal of Agricultural Sciemces, 151(2), 209-221. doi: 10.1017/S0021859612000639.##Lukac, M., Gooding, M. J., Griffiths, S., & Jones, H. E. (2012). Asynchronous flowering and within-plant flowering diversity in wheat and the implications for crop resilience to heat. Annals of Botany, 109(4), 843-850. doi: 10.1093/aob/mcr308.##Mason, R. E., Mondal, S., Beecher, F. W., Pacheco, A., Jampala, B., Ibrahim, A. M.H., & Hays D. B. (2010). QTLs associated with heat susceptibility index in wheat (Triticum aestivum L.) under short-term reproductive stage heat stress. Euphytica, 174, 423-436. doi: 10.1007/s10681-010-0151-x.##Meena, V. K., Sharma, R., Yadav, S., Kumar, N., Gajghate, R., & Singh, A. (2021). Selection parameters for improving grain yield of bread wheat under terminal heat stress. Indian Journal of Agricultural Sciences, 91(3), 468-73. doi: 10.56093/ijas.v91i3.112536.##Mohammadi, M. (2012). Effects of kernel weight and source-limitation on wheat grain yield under heat stress. African Journal of Biotechnology, 11(12), doi: 10.5897/AJB11.2698.##Mojtabaie Zamani, M., Nabipour, M., & Meskarbashee, M. (2015). Responses of bread wheat genotypes to heat stress during grain filling period under Ahvaz conditions. Journal of Plant Production, 37(4), 119-130. [In Persian].##Nahar, K., Ahamed, K. U., & Fujita, M. (2010). Phenological variation and its relation with yield in several wheat (Triticum aestivum L.) cultivars under normal and late sowing mediated heat stress condition. Notulae Scientia Biologicae, 2(3), 51-56. doi: 10.15835/nsb234723.##Nawaz, A., Farooq, M., Cheema, S. A., & Wahid, A. (2013). Differential response of wheat cultivars to terminal heat stress. International Journal of  Agriculture &  Biology, 15(6), 1354-1358.##Omidi, M., Siahpoosh, M. R., Mamghani, R., & Modarresi, M. (2015). Heat tolerance evaluating of wheat cultivars using physiological characteristics and stress tolerance indices in Ahvaz climatic conditions. Plant Production, 38(1), 103-113. [In Persian]. doi: 10.22055/ppd.2015.11135.##Paliwal, R., Röder, M. S., Kumar, U., Srivastava, J., & Joshi, A. K. (2012). QTL mapping of terminal heat tolerance in hexaploid wheat (T. aestivum L.). Theoretical & Applied Genetics, 125, 561-575. doi:  10.1007/s00122-012-1853-3.##Parihar, R., Agrawal, A. P., Burman, M., & Minz, M. G. (2018). Relationship between grain yield and other yield attributing characters in wheat under terminal heat stress. Journal of Pharmacognosy & Phytochemistry, 7(1), 2114-2117.##Poudel, P. B., & Poudel, M. R. (2020). Heat stress effects and tolerance in wheat: A review. Journal of Biolology and Today's World, 9(3), 1-6. doi: 10.35248/2322-3308.20.09.217.##Sayahi, S. S., & Komaei, F. (2017). Evaluation of 38 varieties of bread wheat in heat stress tolerance is calculated based on the season of the untamed STI farm. Agronomy and Plant Breeding, 13(3),
39-49. [In Persian].##Sharma, D., Singh, R., Tiwari, R., Kumar, R., & Gupta, V. K. (2019). Wheat Responses and Tolerance to Terminal Heat Stress: A review. In: Hossain, M. A., Nahar, K., & Hasanuzzaman, M. (Eds.). Wheat Production in Changing Environments: Responses, Adaptation and Tolerance. Springer. pp. 149-173. doi: 10.1007/978-981-13-6883-7_7.##Tadesse, W., Suleiman, S., Tahir, I., Sanchez-Garcia, M., Jighly, A., Hagras, A., Thabet, S. H., & Baum, M. (2019). Heat‐tolerant QTLs associated with grain yield and its components in spring bread wheat under heat‐stressed environments of Sudan and Egypt. Crop Science, 59(1), 199-211. doi: 10.2135/cropsci2018.06.0389.##Tahmasebi, S., Heidari, B., Pakniyat, H., & Jalal Kamali, M. R. (2014). Independent and combined effects of heat and drought stress in the Seri M82× Babax bread wheat population. Plant Breeding, 133(6), 702-711. doi: 10.1111/pbr.12214.##Yu, Q., Li, L., Luo, Q., Eamus, D., Xu, S., Chen, C., Wang, E., Liu, J., & Nielsen, D. C. (2014). Year patterns of climate impact on wheat yields. International Journal of Climatology, 34(2), 518-528. doi: 10.1002/joc.3704.##Zahravi, M., Amirbakhtiar, N., Arshad, Y., & Ahmadi, M. (2021). Identification of heat tolerant genetic sources in bread wheat germplasm. Journal of Crop Breeding, 13(39), 228-238. [In Persian]. 10.52547/jcb.13.39.228.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار