ارزیابی شاخص‌‏های تحمل و ترکیب‌پذیری عمومی و خصوصی والدین و هیبریدهای ذرت (Zea mays L.) تحت شرایط تنش گرما

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکتری، گروه ژنتیک و به‌نژادی گیاهی، واحد اهواز، دانشگاه آزاد اسلامی، اهواز، ایران

2 دانشیار، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، واحد شوشتر، دانشگاه آزاد اسلامی، شوشتر، ایران

3 استادیار پژوهش، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی صفی‌آباد، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، دزفول، ایران

4 استادیار، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، واحد شوشتر، دانشگاه آزاد اسلامی، شوشتر، ایران

چکیده

مقدمه: تنش گرما تهدیدی جدی برای امنیت غذایی و تولیدات کشاورزی است. شاخص‌های تحمل به تنش، از جمله پرکاربردترین روش‌های انتخاب ژنوتیپ‌های متحمل به تنش در بین پژوهش‌گران هستند. افزون بر این، روش تلاقی‌های دای‌آلل نیز به‌عنوان یکی از طرح‌های ژنتیکی مطلوب برای انتخاب لاین‌ها و ژنوتیپ‌های والدینی مناسب به‌منظور دستیابی به هیبریدهای برتر معرفی شده است. ارزیابی ژنوتیپ‌ها از نظر قابلیت ترکیب‌پذیری در نسل‌های اولیه از گام‌های اساسی در تولید هیبریدهای مطلوب است. هدف از این مطالعه، ارزیابی شاخص‌های تحمل به تنش و تخمین ترکیب‌پذیری عمومی (GCA; General Combining Ability) و خصوصی (SCA; Specific Combining Ability) ژنوتیپ‌ها به‌منظور تعیین لاین‌ها و هیبریدهای برتر و متحمل به تنش گرما بود.

مواد و روش‌‏ها: مواد گیاهی این آزمایش، شش لاین و 15 هیبرید حاصل از تلاقی‌های دای‌آلل یک‌طرفه آن‌ها (در مجموع 21 تیمار) بود که در دو آزمایش مستقل، شامل تاریخ کاشت زود (15 تیرماه، شرایط تنش گرمایی) و تاریخ کاشت توصیه‌شده (15 مردادماه، شرایط بدون تنش) در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار مورد ارزیابی قرار گرفتند. آزمایش در مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی صفی‌آباد (دزفول، استان خوزستان)، در تابستان سال 1398 انجام شد. صفات اندازه‌گیری شده در این آزمایش شامل تعداد روز تا رسیدگی، عملکرد و اجزای عملکرد دانه بود. برای ارزیابی تحمل به گرما در لاین‌ها و هیبریدهای مورد مطالعه، از شاخص‌های تحمل و حساسیت به تنش و تجزیه به مولفه‌های اصلی (PCA) استفاده شد. ترکیب‌پذیری عمومی لاین‌ها و خصوصی هیبریدها نیز بر اساس عملکرد و اجزای عملکرد در شرایط بدون تنش و تنش گرما با استفاده از مدل اول روش دوم گریفینگ برآورد شد. کلیه تجزیه‌های آماری و ژنتیکی با استفاده از نرم‌افزارهای Minitab نسخه 16 و Diallel-SAS انجام شد.

یافته‏‌های تحقیق: نتایج نشان داد که پنج شاخص میانگین بهره‌وری (MP)، میانگین هندسی بهره‌وری (GMP)، شاخص تحمل به تنش (STI)، میانگین هارمونیک (HA) و شاخص تحمل (TOL) همبستگی مثبت و معنی‌داری با عملکرد دانه در هر دو شرایط بدون تنش و تنش گرما داشتند. از این‌رو، این شاخص‌ها به‌عنوان بهترین شاخص‌ها جهت گزینش ژنوتیپ‌های متحمل به گرما معرفی می‌شوند. با در نظر گرفتن نتایح حاصل از این شاخص‌ها و همچنین نتایج تجزیه به مولفه‌های اصلی و نمودار بای‌پلات، سه لاین C3-95-3 و C3-95-9 و C3-95-10 و سه هیبرید C3-95-3×C3-95-9 و C3-95-3×C3-95-10 و C3-95-9×C3-95-10 به‌عنوان ژنوتیپ‌های متحمل به تنش گرما شناسایی شدند. آثار SCA برای صفات عملکرد دانه، تعداد روز تا رسیدگی، تعداد ردیف دانه و تعداد دانه در ردیف در هیبریدهای C3-95-3×C3-95-9 و C3-95-3×C3-95-10 در هر دو شرایط بدون تنش و تنش گرما مثبت و معنی‌دار بود. با توجه به نتایج این آزمایش، لاین‌های C3-95-10 و C3-95-9 و C3-95-3 علاوه بر تحمل به تنش گرما و عملکرد بهتر نسبت به سایر لاین‌ها در شرایط تنش گرما، توانایی انتقال این ویژگی‌ها به هیبریدها را نیز دارا بودند.

نتیجه‌‏گیری: نتایج این مطالعه نشان داد که از شاخص‌های تنش می‌توان به‌طور موثری برای غربال ژنوتیپ‌های متحمل به گرما استفاده کرد. لاین‌های منتخب می‌توانند به‌عنوان منابع بالقوه به‌منظور تولید ژنوتیپ‌های متحمل به تنش گرما در برنامه‌های اصلاحی مورد استفاده قرار گیرند. با توجه به معنی‌دار بودن آثار SCA برای صفات عملکرد دانه، تعداد دانه در ردیف و تعداد روز تا رسیدگی و نسبت پایین GCA/SCA نقش آثار غیرافزایشی ژن‌ها در کنترل این صفات مهم‌تر از آثار افزایشی بود. از آنجایی که برتری تلاقی به‌دلیل ارزش اصلاحی پایین، نمی‌تواند در مسیر گزینش قابل اطمینان باشد، بنابراین می‌توان از هتروزیس به‌واسطه آثار غیرافزایشی و غالبیت ژن‌ها در کنترل صفات مربوطه استفاده کرد و به تولید هیبریدهای مناسب امیدوار بود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Evaluation of tolerance indices and general and specific combining ability of maize (Zea mays L.) parents and hybrids under heat stress conditions

نویسندگان [English]

  • Shiva Rajabghale 1
  • Zahra Khodarahmpour 2
  • Aziz Afarinesh 3
  • Mohammad Motamedi 4
1 Ph.D. Student, Department of Genetics and Plant Breeding, Ahv. C., Islamic Azad University, Ahvaz, Iran
2 Associate Professor, Department of Plant Production and Genetics, Sho. C., Islamic Azad University, Shoushtar, Iran
3 Research Assistant Professor, Safiabad Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Dezful, Iran
4 Assistant Professor, Department of Plant Production and Genetics, Sho. C., Islamic Azad University, Shoushtar, Iran
چکیده [English]

Introduction
Heat stress is a serious threat to food security and agricultural production. Stress tolerance indices are one of the most widly used methods for selecting stress tolerant genotypes among researchers. Furthermore, the diallel crosses method has also been introduced as one of the desirable genetic designs for selecting suitable parental lines and genotypes to obtain superior hybrids. Evaluating genotypes for combining ability in early generations is an essential step in producing desirable hybrids. The aim of this study was to estimate stress tolerance indices as well as the general combining ability (GCA) and specific combining ability (SCA) of genotypes in order to determine superior heat stress tolerant lines and hybrids.

Materials and methods
The plant materials of this experiment were six lines and 15 hybrids resulting from their one-way diallele crosses (21 treatments) that were evaluated in two independent experiments, including early (July 15, heat stress conditions) and recommended (August 15, non-stress conditions) sowing dates in a randomized complete block design with three replications. The experiment was carried out at the Safiabad Agricultural Research and Education Center, Dezful, Khuzestan province, Iran, in the summer of 2019. The measured traits in this study included number of days to maturity, grain yield and yield components. To assess heat tolerance in the studied lines and hybrids, stress tolerance and sensitivity indices and principal component analysis (PCA) were used. GCA of lines and SCA of hybrids were also estimated based on grain yield and yield components under non-stress and heat stress conditions using the first model of the second method of Griffing. All statistical and genetic analyses were performed using Minitab version 16 and Diallel-SAS softwares.

Research findings
The results showed that five indices including mean productivity (MP), geometric mean productivity (GMP), stress tolerance index (STI), harmonic mean (HA) and tolerance index (TOL) had a positive and significant correlation with grain yield in both normal and heat stress conditions. Therefore, these indices are introduced as the best indices for selecting heat-tolerant genotypes. Considering the results of these indices as well as the results of principal component analysis and biplot diagram, three lines C3-95-3, C3-95-9 and C3-95-10, and three hybrids C3-95-3×C3-95-9,
C3-95-3×C3-95-10 and C3-95-9×C3-95-10 were identified as heat tolerant genotypes. The effects of SCA for grain yield, days to maturity, number of rows and number of grains per row in two hybrids C3-95-3×C3-95-9 and C3-95-3×C3-95-10 under both non-stress and heat stress conditions were positive and significant. According to the results of this experiment, the three parental lines C3-95-10, C3-95-9 and C3-95-3, in addition to being tolerant to heat stress and better performance than other lines under heat stress conditions, had the ability to transfer these characteristics to hybrids.

Conclusion
The results of this study showed that stress indices can be effectively used to screen heat-tolerant genotypes. The selected lines can be used as potential sources for production of heat tolerant genotypes in breeding programs. Considering the significant effects of SCA for grain yield, number of grains per row and number of days to maturity, and the low GCA/SCA ratio, the role of non-additive effects of genes in controlling these traits was more important than additive effects. Since the cross superiority due to low breeding value can not be reliable in the selection process, therefore, heterosis due to non-additive and dominance effects of genes can be used to control the relevant traits and hope to produce suitable hybrids.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Biplot
  • Griffing’s diallel
  • Heterosis
  • Principal component analysis
Abou-Elwafa, S. F., & Amein, K. A. (2016). Genetic diversity and potential high temperature tolerance in barley (Hordeum vulgare L.). World Journal of Agricultural Research, 4(1), 1-8.  doi: 10.12691/wjar-4-1-1.##Abuali, A. I., Abdelmulla, A. A., Khallafala, M. M., Adris, A. E., & Osman, A. M. (2012). Combining ability and heterosis for yield and yield components in maize (Zea mays L.). Australian Journal of Basic & Applied Sciences, 6(10), 36-41.##Antony John, B., Kachapur R. M., Naidu, G., Talekar, S. C., Rashid, Z., Vivek, B. S., Patne, N., Salakinkop, S. R., & Gu, P. (2024). Maternal effects, reciprocal differences and combining ability study for yield and its component traits in maize (Zea mays L.) through modi-fied diallel analysis. Peer Journal, 12, e17600. doi: 10.7717/peerj.17600.##Azizdoost, H., Shiri, M. R., & Dezhsetan, S. (2024). The performance of temperate maize testers for screening tropical and subtropical germplasm. Cereal Research, 13(4), 367-384. [In Persian]. doi: 10.22124/cr.2024.26326.1802.##Azizi, K., & Rahimi-Moghaddam, S. (2020). Simulating the risk of heat stress on grain maize production under arid and semi arid conditions. Environmental Sciences, 18(3), 85-106. [In Persian]. doi: 10.29252/envs.18.3.85.##Erfani Moghadam, Z., Fotovat, R., Mohseni Fard, E., & Rodriguez, V. (2023). Genetic analysis of grain yield and related traits in maize (Zea mays L.) using graphical diallel analysis. Cereal Research, 13(2), 129-143. [In Persian]. doi: 10.22124/cr.2023.24880.1774.##Fernandez, G. C. J. (1992). Effective selection criteria for assessing plant stress tolerance. Proceedings of the International Symposium on Adaptation of Vegetables and Other Food Crops in Temperature and Water Stress. 13-16 Aug., Shanhua, Taiwan. pp. 275-270. doi: 10.22001/wvc.72511.##Fischer, R. A., & Maurer, R. (1978). Drought resistance in spring wheat cultivars. I. Grain yield responses. Australian Journal of Agricultural Research, 29(5), 897-912. doi: 10.1071/AR9780897.##Griffing, B. (1956). Concept of general and specific combining ability in relation to diallel crossing systems. Australian Journal of Biological Sciences9(4), 463-493. doi: 10.1071/BI9560463.##Ghomi, Kh., Rabiei, B., Sabouri, H., & Gholamali Puralamdari, E. (2023). Evaluation of late season heat in barely genotypes using some susceptibility and tolerance indices. Environmental Stresses in Crop Sciences, 15(4), 1091-1108. [In Persian]. doi: 10.22077/escs.2021.4207.1993.##Hosseini, S. M. S., Mostafavi, K., Shiri, M., Mohammadi, A., & Miri, S. M. (2021). Genetically analysis of grain yield and some agro-morphological characteristics of selected early maturity maize lines using diallel analysis. Cereal Research, 11(3), 269-280. [In Persian]. doi: 10.22124/cr.2021.20851.1694.##Iqbal, A. M., Nehvi, F. A., Wani, S. A., Qadir, R., & Zahoor, A. D. (2007). Combining ability analysis for yield and yield related traits in maize. International Journal of Plant Breeding & Genetics, 1(2), 101-105. doi: 10.3923/ijpbg.2007.101.105.##Ismail, M. A., El-Hosary, A., El-Badawy, M., & Abdallah, T. A. E. (2019). Diallel analysis for yield and component traits in maize (Zea mays L.) under infestation and non-infestation with pink stem borer. Indian Journal of Agricultural Sciences, 89(11), 1953-1958. doi: 10.56093/ijas.v89i11.95351.##Karim, A., Ahmed, S., Akhi, A., Talukder, M., & Mujahidi, T. (2018). Combining ability and heterosis study in maize (Zea mays L.) hybrids at different environments in Bangladesh. Bangladesh Journal of Agricultural Research, 43, 125-134. doi: 10.3329/bjar.v43i1.36186.##Khodarahmpour, Z., & Choukan, R. (2011). Genetic variation of maize (Zea mays L.) inbred lines in heat stress condition. Seed & Plant Improvement Journal, 27(4), 539-554. [In Persian]. doi: 10.22092/spij.2017.111081.##Longmei, N., Gill, G. K., Kumar, R., & Zaidi, P. H. (2023). Selection indices for identifying heat tolerant of maize (Zea mays L.). Indian Journal of Agricultural Sciences, 93(1), 46-50. doi: 10.56093/ijas.v93i1.108617.##Onejeme, F. C., Okporie, E. O., & Eze, C. E. (2020). Combining ability and heterosis in diallel analysis of maize (Zea mays L.) lines. International Annals of Science, 9(1), 188-200. doi: 10.21467/ias.9.1.188-200.##Rahimi, M. (2019). Genetic analysis of grain yield and its components of maize in lines and F2 progenies using diallel analysis by Hayman’s graphical approach. Cereal Research, 9(2), 169-177. [In Persian]. doi: 10.22124/c.2019.13798.1505.##Rahman, H., Arifuddin, Z., Shah, S. M., Shah, A., Iqbal, M., & Khalil, I. H. (2013). Evaluation of maize in test cross combinations, flowering and morphological traits. Pakistan Journal of Botany, 42(3), 1619-1627.##Rahman, S. U., Yousaf, M. I., Hussain, M., Hussain, K., Hussain, S., Bhatti, M. H., Hussain, D., Ghani, A., Razaq, A., Akram, I., Ibrar, M. S., Ahmad, S. A., Kohli, A., & Siddiq, M. A. (2022). Evaluation of local and ultinational maize hybrids for tolerance against high temperature using stress tolerance indices. Pakistan Journal of Agricultural Research, 35(1), 36-46. doi: 10.17582/journal.pjar/2022/35.1.36.46.##Riache, M. M., Revilla, P., Oula Maafi, O., Malvar, R. A., & Djemel, A. (2021). Combining ability and heterosis of Algerian saharan maize populations (Zea mays L.) for tolerance to no-nitrogen fertilization and drought. Agronomy, 11(3), 492-509. doi: 10.3390/agronomy11030492.##Rohman M. M., Islam, M. R., Naznin, T., Omy, S. H., Begum, S., Alam, S. S., Amiruzzaman, M., & Hasanuzzaman, M. (2019). Maize production under salinity and drought conditions: Oxidative stress regulation by antioxidant defense and glyoxalase systems. In: Hasanuzzaman, M., Hakim, K. R., Nahar, K., & Alharby, H. F. (Eds.). Plant Abiotic Stress Tolerance. Springer, Cham. pp. 1-34. doi: 10.1007/978-3-030-06118-0_1.##Rosielle, A. A., & Hamblin, J. (1981). Theoretical aspects of selection for yield in stress and non-stress environments. Crop Science, 21(6), 943-946. doi: 10.2135/cropsci1981.0011183X002100060033x.##SAS Institute. (2002). SAS user’s guide: Statistics Analysis System for Windows. Ver. 9. SAS Institute, Carry, NC.##Schneider, K. A., Rosales-Serna, R., Ibarra-Perez, F., Cazares-Enriquez, B., Acosta-Gallegos, J. A., Ramirez-Vallejo, P., Wassimi, N., & Kelly, J. D. (1997). Improving common bean performance under drought stress. Crop Science, 37(1), 43-50. doi: 10.2135/cropsci1997.0011183X003700010007x.##Shiri, M., & Ebrahimi, L. (2017). The selection of maize lines derived from CIMMYT germplasm through combining ability with temperate testers. Cereal Research, 7(1), 101-114. [In Persian]. doi: 10.22124/c.2017.2431.##Suyadi, S., Saptadi, D., & Sugiharto, A.N. (2021). Combining ability of Indonesian tropical maize in two different seasons. AGRIVITA Journal of Agricultural Science, 43(2), 347-357. doi: 10.17503/agrivita.v43i2.2915.##Wattoo, F.M., Saleem, M., & Sajjad, M. (2014). Identification of potential F1 hybrids in maize responsive to water deficient condition. American Journal of Plant Sciences, 5(5), 1945-1955. doi: 10.4236/ajps.2014.513208.##Zhang, Y., & Kang, M. S. (1997). DIALLEL-SAS: A SAS program for Griffing’s diallel analyses. Agronomy Journal, 89(2), 176-182. doi: 10.2134/agronj1997.00021962008900020005x.##