ارزیابی تنوع ژنتیکی و واکنش ژنوتیپ‌های ذرت (Zea mays L.) تحت تنش کادمیوم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده کشاوزی، دانشگاه زابل، زابل، ایران

2 دانشیار، گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده کشاوزی، دانشگاه زابل، زابل، ایران

3 استاد، گروه تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

4 استاد، گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده کشاوزی، دانشگاه زابل، زابل، ایران

5 دکتری، بخش تحقیقات زراعی و باغی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان فارس، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، شیراز، ایران

چکیده

مقدمه: ففلزات سنگین به‌ویژه کادمیوم (Cd)، با اثرات مضر و سمّیت بالقوه‌ برای گیاهان و انسان، از مهم‌ترین تنش‌های غیرزیستی برای گیاهان زراعی مانند ذرت هستند که قادرند منجر به کاهش چشم‌گیر تولید این محصولات در کشورهای در حال توسعه از جمله ایران شوند. بنابراین، سنجش تنوع ژنتیکی برای تحمل به تنش کادمیوم، به‌عنوان یکی از اصول اساسی سازگاری گیاهان با تنش‌های غیرزیستی، اهمیت زیادی دارد. در این راستا، پژوهش حاضر به‌منظور ارزیابی تنوع ژنتیکی لاین‌های خالص و هیبریدهای ذرت بر اساس صفات زراعی مهم مرتبط با عملکرد دانه تحت دو شرایط محیطی بدون تنش و تنش کادمیوم انجام شد. نتایج این پژوهش می‌تواند در شناسایی ژنوتیپ‌های والدینی مناسب برای برنامه‌های به‌نژادی ذرت، به‌منظور توسعه ژنوتیپ‌های پُرمحصول و متحمل به تنش کادمیوم در مناطق آلوده به این فلز سنگین، مفید باشد.

مواد و روش‌ها: در این آزمایش، 95 ژنوتیپ ذرت شامل لاین‌های خالص و هیبریدها در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار تحت دو شرایط بدون تنش و تنش کادمیوم مورد ارزیابی قرار گرفتند. آزمایش به‌صورت گلدانی در فضای باز ایستگاه تحقیقات کشاورزی و منابع طبیعی جیرفت در استان کرمان طی دو فصل زراعی (1400-1399 و 1401-1400) انجام شد. به‌منظور ایجاد شرایط تنش، محلول کلرید کادمیوم (CdCl2.2H2O) با غلظت 30 میلی‌گرم در لیتر در دو مرحله مهم از رشد گیاه ذرت، یعنی در مرحله شش برگی (کد 16 در مقیاس زادوکس) و مرحله ظهور اولین گل‌های نر (کد 50 در مقیاس زادوکس)، مورد استفاده قرار گرفت. صفات اندازه‌گیری شده شامل تعداد 24 صفت مختلف فنولوژیک، مورفولوژیک و زراعی بود. گروه‌بندی ژنوتیپ‌های ذرت بر اساس صفات مورد مطالعه با استفاده از تجزیه خوشه‌ای به‌روش حداقل واریانس وارد (Ward minimum variance) انجام گرفت و به‌منظور تأیید و اعتبارسنجی نتایج حاصل از تجزیه خوشه‌ای، از تجزیه تابع تشخیص استفاده شد.

یافته‌های تحقیق: نتایج این پژوهش نشان داد که تنوع ژنتیکی گسترده‌ای بین ژنوتیپ‌های ذرت مورد مطالعه برای اغلب صفات اندازه‌گیری شده به‌ویژه برای عملکرد و اجزای عملکرد تحت هر دو شرایط بدون تنش و تنش کادمیوم وجود داشت. تجزیه خوشه‌ای، ژنوتیپ‌های ذرت را به چهار گروه مجزا با احتمال صحت 6/91 و 9/97 درصد به‌ترتیب تحت شرایط بدون تنش و تنش کادمیوم گروه‌بندی کرد. مقایسه میانگین بین چهار گروه به‌دست آمده نشان داد که در شرایط بدون تنش، تعداد 41 و 24 ژنوتیپ‌ به‌ترتیب در گروه‌های سوم و چهارم به‌عنوان ژنوتیپ‌های پُرمحصول این آزمایش بودند. تحت شرایط تنش کادمیوم، 49 ژنوتیپ‌ موجود در گروه‌های دوم و سوم (از جمله ژنوتیپ‌های Ma002، Ma003، Ma004، Ma005 و Ma007) با میانگین بالای عملکرد و اجزای عملکرد به‌عنوان ژنوتیپ‌های متحمل به تنش کادمیوم شناسایی شدند. این ژنوتیپ‌ها عمدتاً دوره‌های فنولوژیک کوتاه تا متوسط داشتند. تعداد 11 ژنوتیپ‌ Ma001)، Ma008، Ma030، Ma033، Ma036، Ma039، Ma042، Ma045، Ma072 وMa089 )، نیز کم‌ترین میانگین را از نظر صفات مهم زراعی از جمله عملکرد و اجزای عملکرد تحت هر دو شرایط بدون تنش و تنش کادمیوم نشان دادند. این ژنوتیپ‌ها قادر به تحمل تنش کادمیوم تحت شرایط این آزمایش نبودند و به‌عنوان ژنوتیپ‌های حساس آزمایش شناسایی شدند.

نتیجه‌گیری: پژوهش حاضر منجر به شناسایی 40 ژنوتیپ‌ ذرت (از جمله Ma003، Ma005، Ma007، Ma013 و Ma014، Ma015) شد که علاوه بر تولید عملکرد و اجزای عملکرد مطلوب در محیط بدون تنش، متحمل به تنش کادمیوم بودند و عملکرد مطلوبی تحت شرایط تنش نیز نشان دادند. بنابراین، با انتخاب دقیق والدین از میان ژنوتیپ‌های متحمل به تنش کادمیوم و با انجام تلاقی‌های هدف‌مند بین آن‌ها می‌توان با بهره‌برداری از پدیده‌های ژنتیکی از جمله تفکیک متجاورز و هتروزیس، به هیبریدهایی دست یافت که مناسب کشت در محیط‌های دارای تنش کادمیوم باشند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Assessing genetic diversity and reaction of maize genotypes (Zea mays L.) under cadmium stress

نویسندگان [English]

  • Ali Asghar Ghaderi 1
  • Nafiseh MahdiNezhad 2
  • Reza Darvishzadeh 3
  • Barat Ali Fakheri 4
  • Sara Farokhzadeh 5
1 Ph.D. Student, Department of Plant Breeding and Biotechnology, Faculty of Agriculture, University of Zabol, Zabol, Iran
2 Associate Professor, Department of Plant Breeding and Biotechnology, Faculty of Agriculture, University of Zabol, Zabol, Iran (* Corresponding author: nmahdinezhad52@gmail.com )
3 Professor, Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran (* Corresponding author: r.darvishzadeh@urmia.ac.ir )
4 Professor, Department of Plant Breeding and Biotechnology, Faculty of Agriculture, University of Zabol, Zabol, Iran
5 Ph.D., Department of Field and Horticultural Crops Research, Fras Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Shiraz, Iran
چکیده [English]

Introduction
Heavy metals especially cadmium (Cd), with potential toxicity and injurious effects for plants and humans, are one of the most important abiotic stresses for crop plants such as maize which lead to a considerable reduction in the crops production in developing countries including Iran. Therefore, assessing genetic diversity for Cd stress tolerance, as one of the basic principles of plant adaptation to abiotic stresses, is very important. In this regard, the present study was carried out to evaluate the genetic diversity of maize pure lines and hybrids based on important agronomic traits associated with grain yield under non-stress and Cd stress environmental conditions. The results of this research can be useful for maize breeders in identifying suitable parental genotypes for maize breeding programs to develop high-yielding and Cd stress-tolerant genotypes in regions contaminated to this heavy metal.

Materials and methods
In this study, 95 maize genotypes comprising pure lines and hybrids, were evaluated in a randomized complete block design with three replications under two non-stress and Cd stress conditions. The experiment was performed in a pot experiment in an open area of the Agricultural and Natural Resources Research Station of Jiroft, Kerman province, Iran, in two cropping seasons, 2020-21 and 2021-22. Under Cd stress conditions, cadmium chloride solution (CdCl2.2H2O) with a concentration of 30 mg.L−1 was applied at two important stages of maize plant growth, including six-leaf stage (Code 16 in Zadoks scale) and the appearance of first male flowers (Code 50 in Zadoks scale). The measured traits included 24 different phenological, morphological, and agronomic traits. Grouping of maize genotypes in term of the studied traits was performed using cluster analysis based on Ward’s minimum variance method, and discriminant function analysis was used to confirm and validate the results of cluster analysis.

Research findings
The results of this study indicated that there was an extensive genetic diversity among the studied maize genotypes for most of the studied traits, especially for grain yield and its components under non-stress and Cd stress conditions. Cluster analysis grouped the maize genotypes into four separate clusters with accuracy probabilities of 91.6% and 97.9% under non-stress and Cd stress conditions, respectively. Comparison of means between these four groups showed that under non-stress conditions, 41 and 24 genotypes in the third and fourth groups were the high yielding genotypes of this experiment, respectively. Under Cd stress conditions, 49 genotypes with the higher grain yield and yield components in the second and third groups (such as Ma002, Ma003, Ma004, Ma005, and Ma007) were identified as Cd-tolerant genotypes. These genotypes mainly showed short to medium phenological periods. Also, 11 genotypes (Ma001, Ma008, Ma030, Ma033, Ma036, Ma039, Ma042, Ma045, Ma072, and Ma089), indicated the lowest means for important agronomic traits including yield and its components under both non-stress and Cd-stress conditions. These genotypes were unable to tolerate Cd stress under the conditions of this experiment and were identified as sensitive genotypes.

Conclusion
The present study led to the identification of 40 tolerant maize genotypes to Cd stress (such as Ma003, Ma005, Ma007, Ma013, Ma014, and Ma015). These genotypes in addition to exhibiting desirable yield and yield components under non-stress environment, also showed suitable yield under Cd stress conditions. Therefore, by carefully selecting the parents among Cd-tolerant genotypes and carrying out targeted crosses between them, it is possible to obtain suitable hybrids for cultivation in Cd-stressed environments by exploiting genetic phenomena such as transgressive segregation and heterosis.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Abiotic stress
  • Cluster analysis
  • Discriminant function analysis
  • Grain yield
  • Heavy metals

مراجع

Anusha, G., Bhadru, D., Vanisri, S., Usha Rani, G., Mallaiah, B., & Sridhar, V. (2022). Assessment of genetic diversity in 62 maize genotypes for yield and yield accredited traits. Biological Forum - An International Journal, 14, 261-265.##Arzangh, S., Darvishzadeh, R., & Alipour, H., (2021). Evaluation of genetic diversity of maize lines (Zea mays L.) under normal and salinity stress conditions. Cereal Research, 11(3), 243-268. [In Persian]. doi: 10.22124/cr.2022.21075.1699.##Biria, M., Moezzi, A., & AmeriKhah, H. (2017). Effect of sugercan bagasse's biochar on maize plant growth, grown in lead and cadmium contaminated soil's. Journal of Water & Soil, 31(2), 609-626. [In Persian]. doi: 10.22067/jsw.v31i2.55832.##Charrad, M., Ghazzali, N., Boiteau, V., & Niknafs, A. (2014). NbClust: An R package for determining the relevant number of clusters in a data set. Journal of Statistical Software, 61, 1-36. doi: 10.18637/jss.v061.i06.##Chen, J., Wang, X., Zhang, W., Zhang, S., & Zhao, F. J. (2020). Protein phosphatase 2A alleviates cadmium toxicity by modulating ethylene production in Arabidopsis thaliana. Plant, Cell & Environment, 43, 1008-1022. doi: 10.1111/pce.13716.##Cruz-Castillo, J., Ganeshanandam, S., MacKay, B., Lawes, G., Lawoko, C., & Woolley, D. (1994). Applications of canonical discriminant analysis in horticultural research. Horticultural Science, 29, 1115-1119. doi: 10.21273/HORTSCI.29.10.1115.##Esmaeili, A., Moore, F., Keshavarzi, B., Jaafarzadeh, N., & Kermani, M. (2014). A geochemical survey of heavy metals in agricultural and background soils of the Isfahan industrial zone, Iran. Catena, 121, 88-98. doi: 10.1016/j.catena.2014.05.003.##Farokhzadeh, S., Fakheri, B. A., Mahdinezhad, N., Tahmasebi, S., & Mirsoleimani, A. (2020). Genetic dissection of spike-related traits in wheat (Triticum aestivum L.) under aluminum stress. Genetic Resources & Crop Evolution, 67, 1221-1243. doi: 10.1007/s10722-020-00907-6.##Farokhzadeh, S., Hassani, H. S., Tahmasebi, S., Zinati, Z., & Mobasseripour, E. S. (2023). Exploring agronomic traits and breeding prospects of primary tritipyrum and triticale lines to increase grain yield potential. Indian Journal of Genetics & Plant Breeding, 83, 355-365. doi: 10.31742/ISGPB.83.3.7.##Feng, R., Zhao, P., Zhu, Y., Yang, J., Wei, X., Yang, L., Liu, H., Rensing, C., & Ding, Y. (2021). Application of inorganic selenium to reduce accumulation and toxicity of heavy metals (metalloids) in plants: The main mechanisms, concerns, and risks. Science of the Total Environment, 771, 144776. doi: 10.1016/j.scitotenv.2020.144776.##Ghaffari Azar, A., Darvishzadeh, R., Molaei, B., Kahrizi, D., & Darvishi, B. (2019). Classification of maize inbred line based on agro-morphological traits in order to produce hybrid seed. Modares Journal of Biotechnology, 10, 297-304. [In Persian]. dor: 20.1001.1.23222115.1398.10.2.17.1.##Jaynes, D., Kaspar, T., Colvin, T., & James, D. (2003). Cluster analysis of spatiotemporal corn yield patterns in an Iowa field. Agronomy Journal, 95, 574-586. doi: 10.2134/agronj2003.5740.##Jazinizadeh, S., Ebrahimi-Khusfi, Z., & Parsa Motlagh, B. (2023). Investigating the vegetation status and its relationship with climatic factors: A case study of Jiroft city pastures. Desert Ecosystem Engineering, 12(38), 1-10. [In Persian]. doi: 10.22052/DEEJ.2023.248881.1007.##Kassambara, A., & Mundt, F. (2020). R package ‘factoextra’, ver. 1.0.7. Extract and visualize the results of multivariate data analyses. https://CRAN.R-project.org/package=factoextra.##Kirby, E. J. M. & Appleyard, M. (1987). Development and Structure of the Wheat Plant. In: Lupton, F. G. H. (Ed.). Wheat Breeding: Its Scientific Basis. Chapman & Hall, London.##Kovačević, V., Kádár, I., Andrić, L., Zdunić, Z., Iljkić, D., Varga, I., & Jović, J. (2019). Environmental and genetic effects on cadmium accumulation capacity and yield of maize. Czech Journal of Genetics & Plant Breeding, 55, 70-75. doi: 10.17221/5/2018-CJGPB.##Li, L., Zhang, Y., Ippolito, J. A., Xing, W., Qiu, K., & Wang, Y. (2020). Cadmium foliar application affects wheat Cd, Cu, Pb and Zn accumulation. Environmental Pollution, 262, 114329. doi: 10.1016/j.envpol.2020.114329.##Metwali, M., Gowayed, S. M., Al-Maghrabi, O. A., & Mosleh, Y. Y. (2013). Evaluation of toxic effect of copper and cadmium on growth, physiological traits and protein profile of wheat (Triticum aestivium L.), maize (Zea mays L.) and sorghum (Sorghum bicolor L.). World Applied Sciences Journal, 21, 301-304. doi: 10.5829/idosi.wasj.2013.21.3.2835.##Miransari, M. (2011). Hyperaccumulators, arbuscular mycorrhizal fungi and stress of heavy metals. Biotechnology Advances, 29, 645-653. doi: 10.1016/j.biotechadv.2011.04.006.##Mohammadi, A., Sofalian, O., Jafari, H., Asghari, A., & Shekari, F. (2017). Assessing the genetic diversity of two populations of barley under normal and drought stress conditions in seedlling stage using multivariate analyses. Cereal Research, 7(3), 399-420. [In Persian]. doi: 10.22124/c.2018.5379.1210.##Mohammadi, S. A., & Prasanna, B. (2003). Analysis of genetic diversity in crop plants-salient statistical tools and considerations. Crop Science, 43(4), 1235-1248. doi: 10.2135/cropsci2003.1235.##Naveed, M., Mustafa, A., Majeed, S., Naseem, Z., Saeed, Q., Khan, A., Nawaz, A., Baig, K. S., & Chen, J. T. (2020). Enhancing cadmium tolerance and pea plant health through Enterobacter sp. MN17 inoculation together with biochar and gravel sand. Plants, 9, 530. doi: 10.3390/plants9040530.##Pishnamazzadeh Emami, M., Ebadi, A., Mohebalipour, N., Nourafcan, H., & Ajali, J. (2020). Grouping rice recombinant inbred lines using cluster and principal component analysis methods. Cereal Research, 10(1), 1-17. [In Persian]. doi: 10.22124/cr.2020.16522.1602.##Ramegowda, V., & Senthil-Kumar, M. (2015). The interactive effects of simultaneous biotic and abiotic stresses on plants: Mechanistic understanding from drought and pathogen combination. Journal of Plant Physiology, 176, 47-54. doi: 10.1016/j.jplph.2014.11.008.##Razali, N. M., & Wah, Y. B. (2011). Power comparisons of Shapiro-Wilk, Kolmogorov-Smirnov, Lilliefors and Anderson-Darling tests. Journal of Statistical Modeling & Analytics 2(1), 21-33.##Rezapour, S., Azizi, M., & Nouri, A. (2023). Pollution analysis and health implications of heavy metals under different urban soil types in a semi-arid environment. Sustainability, 15(16), 12157. doi: 10.3390/su151612157.##Riahi Farsani, H., Ghobadinia, M., Noori Emamzadei, M., Danesh Shahraki, A., & Motaghian, H. (2020). The effect of cadmium contamination water and soil on corn yield components. Journal of Water & Soil Conservation, 27, 167-184. [In Persian]. doi: 10.22069/jwsc.2021.18319.3392.##Rostaminya, M., Jamzadeh, S., Mehrab, N., Mousavi, S., Valizadeh-Kakhki, F., & Chabok, A. (2023). Assessment of heavy metal accumulation using soil pollution indices in an industrial town, landfill, and wastewater treatment plant of Ilam city, Iran. Eurasian Soil Science, 56, 1544-1556. doi: 10.1134/S106422932360029X.##SAS Institute. (2012). SAS/OR 9.3 User's Guide: Mathematical Programming Examples. SAS Institute, Inc.##Shrestha, J. (2013). Agro-morphological characterization of maize inbred lines. Wudpecker Journal of Agricultural Research, 2, 209-211. doi: 10.1155/2022/4806266.##Sinana, H. F., Ravikesavan, R., Iyanar, K., & Senthil, A. (2023). Study of genetic variability and diversity analysis in maize (Zea mays L.) by agglomerative hierarchical clustering and principal component analysis. Electronic Journal of Plant Breeding, 14, 43-51. doi: 10.37992/2023.1401.015.##Song, J., Feng, S. J., Chen, J., Zhao, W. T., & Yang, Z. M. (2017). A cadmium stress-responsive gene AtFC1 confers plant tolerance to cadmium toxicity. BMC Plant Biology, 17, 1-15. doi: 10.1186/s12870-017-1141-0.##Teng, D., Mao, K., Ali, W., Xu, G., Huang, G., Niazi, N. K., Feng, X., & Zhang, H. (2020). Describing the toxicity and sources and the remediation technologies for mercury-contaminated soil. RSC Advances, 10, 23221-23232. doi: 10.1039/D0RA01507E.##Valizadeh, H., Aharizad, S., Shiri, M., Mohammadi, S. A., Farahmand, K. M., & Bahrampur, T. (2014). Grouping of new maize (Zea mays L.) hybrids using yield and morphological traits. Iranian Journal of Genetics & Plant Breeding, 9, 27-38. [In Persian].##Verma, J. P. (2013). Application of Discriminant Analysis: For Developing a Classification Model. In: Data Analysis in Management with SPSS Software. Chapter 12. pp. 389-412. doi: 10.1007/978-81-322-0786-3_12.##Wahid, A., & Khaliq, S. (2015). Architectural and biochemical changes in embryonic tissues of maize under cadmium toxicity. Plant Biology, 17(5), 1005-1012. doi: 10.1111/plb.12326.##Xu, T., Su, H., Huang, Y., Chen, L., Lin, S., Gao, Z., Liu, P., & Sun, W. (2022). Analysis of sweet corn varieties in response to cadmium stress at seedling stage. Maize Genomics & Genetics, 13(3), 1-9. doi: 10.5376/mgg.2022.13.0003.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار