پژوهش‌های ژنتیک گیاهی

مطالعه ارتباط گسترده ژنومی و ارزش‌های اصلاحی ژنومی عملکرد دانه در ارقام گندم نان تحت شرایط آبیاری نرمال و دیم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

هانیه عظیم زاده
هادی علی پور
رضا درویش زاده
حانیه امانی
سیما فطانت وش

گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران

10.22034/pgr.2026.2083043.1029
چکیده
گزینش ژنومی یکی از بزرگ‌ترین پیشرفت‌های حوزه به‌نژادی گیاهان و حیوانات در اوایل قرن بیست و یکم میلادی محسوب می‌شود. به‌منظور ارزیابی فنوتیپی عملکرد دانه و صفات زراعی برای اجرای گزینش ژنومی و مطالعات ارتباط گسترده ژنومی، 81 رقم تجاری گندم نان در سال زراعی 1398-1397 در مزارع تحقیقاتی مؤسسه تحقیقات دیم کشور در مراغه، واقع در 30 کیلومتری شرق مراغه، در قالب طرح لاتیس ساده و در دو شرایط آبیاری نرمال و دیم کشت شدند. پس از فراخوانیSNPs و حذف نشانگرهایی با بیش از 10 درصد داده گمشده و فراوانی آلل جزئی (MAF) کمتر از 10 درصد، در مجموع 37990 نشانگر SNP برای اجرای گزینش ژنومی و نقشه‌یابی ارتباطی گستره ژنوم در شرایط آبیاری نرمال و دیم مورد استفاده قرار گرفتند. نتایج گزینش ژنومی نشان داد که مدل‌های بیزی بر اساس معیار‌های ضریب تبیین (R²) و میانگین مربعات خطا (MSE)، عملکرد بهتری در برآورد ارزش‌های اصلاحی ژنومی داشتند. با توجه به نتایج تجزیه خوشه‌ای و تجزیه به مؤلفه‌های اصلی، در شرایط آبیاری نرمال ارقام گهر، آرتا، عدل، پیشتاز، چمران2، تجن و اترک و در شرایط دیم ارقام مارون، هامون، ریحانی، آزادی، اترک، اینیا، گلستان، ناز و فرونتانا از نظر ارزش‌های اصلاحی و عملکرد دانه به‌عنوان ارقام مطلوب شناسایی شدند. بر اساس مطالعه ارتباطی گسترده ژنومی (GWAS) ارزش‌های اصلاحی با استفاده از مدل MLM، در شرایط آبیاری نرمال و دیم به‌ترتیب 503 و 394 ارتباط نشانگر-صفت شناسایی شد. نشانگرهای rs63088، rs58821، rs23370، rs51942، rs16655 و rs20678 نشانگرهای مهم و مشترک در هر دو شرایط برای صفت عملکرد دانه و شاخص‌های مورد بررسی بودند. سپس برای SNPهای معنی‌دار، هستی‌شناسی ژن انجام شد که چهار حوزه مهم شامل فنیل‌‌آلانین ‌آمونیاک لیاز (PAL) روی کروموزوم 2B، متابولیسم آرژنین و پرولین روی کروموزم 5A، پراکسیداسیون لیپیدی مانند اسفنگولیپیدها روی کروموزوم 3D و اسید لیپوئیک روی کروموزوم 5B در سازگاری و تحمل به تنش خشکی در گندم شناسایی شد. ارقام برتر و نشانگرهای ژنومی شناسایی‌شده در این پژوهش می‌توانند به‌عنوان منابع مناسب در برنامه‌های اصلاحی گندم برای گزینش ژنوتیپ‌های دارای عملکرد و سازگاری بیشتر در شرایط آبیاری نرمال و دیم مورد استفاده قرار گیرند.

کلیدواژه‌ها

ارزش‌های اصلاحی
تنش خشکی
عملکرد دانه
نشانگرهای SNP
نقشه‌یابی ارتباطی
موضوعات
Abdi, H., Alipour, H., Bernousi, I. and Jafarzadeh, J. (2023). Evaluation of population structure in some bread and durum wheat genotypes using SNP markers and PCA and DAPC methods. Plant Genetic Research, 10(1): 95-110 (In Persian). https://doi.org/10.22034/pgr.10.1.6
Ahmad, P., Jamsheed, S., Hameed, A., Rasool, S., Sharma, I., Azooz, M.M. and Hasanuzzaman, M. (2014). Drought stress induced oxidative damage and antioxidants in plants. In Oxidative damage to plants (pp. 345-367). Academic Press.‏ https://doi.org/10.1016/B978-0-12-799963-0.00011-3
Alemu, A., Åstrand, J., Montesinos-López, O.A., Sánchez, J.I.Y., Fernández-González, J., Tadesse, W., Vetukuri, R.R., Carlsson, A.S., Ceplitis, A., Crossa, J., Ortiz, R. and Chawade, A. (2024). Genomic selection in plant breeding: Key factors shaping two decades of progress. Molecular Plant, 17(4): 552-578. https://doi.org/10.1016/j.molp.2024.03.007
Alipour, H., Bihamta, M.R., Mohammadi, V., Peyghambari, S.A., Bai, G. and Zhang, G. (2017). Genotyping-by-sequencing (GBS) revealed molecular genetic diversity of Iranian wheat landraces and cultivars. Frontiers in Plant Science, 8: 1293. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01293
Ed-Daoudy, L., El Gataa, Z., Sbabou, L. and Tadesse, W. (2024). Genome-wide association and genomic prediction study of elite spring bread wheat (Triticum aestivum L.) genotypes under drought conditions across different locations. Plant Gene, 39: 100461. https://doi.org/10.1016/j.plgene.2024.100461
FAO. (2022). Crop prospects and food situation. Quarterly global report. Food and Agriculture Organization of the United Nations. Rome, Italy.
Ficht, A., Konkin, D.J., Cram, D., Sidebottom, C., Tan, Y., Pozniak, C. and Rajcan, I. (2023). Genomic selection for agronomic traits in a winter wheat breeding program. Theoretical and Applied Genetics, 136: 38. https://doi.org/10.1007/s00122-023-04294-1
Fradgley, N., Gardner, K.A., Bentley, A.R., Howell, P., Mackay, I.J., Scott, M.F. and Cockram, J. (2023). Multi-trait ensemble genomic prediction and simulations of recurrent selection highlight importance of complex trait genetic architecture for long-term genetic gains in wheat. in silico Plants, 5(1): diad002. https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diad002
Funck, D., Stadelhofer, B. and Koch, W. (2008). Ornithine-δ-aminotransfera se is essential for arginine catabolism but not for proline biosynthesis. BMC Plant Biology, 8(1): 40. https://doi.org/10.1186/1471-2229-8-40
Furlan, A.L., Bianucci, E., Giordano, W., Castro, S. and Becker, D.F. (2020). Proline metabolic dynamics and implications in drought tolerance of peanut plants. Plant Physiology and Biochemistry, 151: 566-578.‏ https://doi.org/10.1016/j.plaphy.2020.04.010
Gaber, A., Refat, M.S., Belal, A.A., El-Deen, I.M., Hassan, N., Zakaria, R. and Saied, E.M. (2021). New mononuclear and binuclear Cu (II), Co (II), Ni (II), and Zn (II) thiosemicarbazone complexes with potential biological activity: antimicrobial and molecular docking study. Molecules, 26(8): 2288. https://doi.org/10.3390/molecules26082288
Haghi Asl, N., Darvishzadeh, R., Alipour, H., Fatanatvash, S., & Arzhang, S. (2025). Genomic selection for grain yield in maize (Zea mays L.) under normal and salinity stress conditions. Plant Genetic Research, 12(1):1-20 (In Persian). https://doi.org/10.22034/pgr.2025.2062236.1000
Heffner, E.L., Jannink, J.L., Iwata, H., Souza, E. and Sorrells, M.E. (2011). Genomic selection accuracy for grain quality traits in biparental wheat populations. Crop Science, 51(6): 2597-2606. https://doi.org/10.2135/cropsci2011.05.0253
Johansson, E., Lan, Y., Olalekan, O., Kuktaite, R., Chawade, A. and Rahmatov, M. (2024). Alien introgression to wheat for food security: Functional and nutritional quality for novel products under climate change. Frontiers in Nutrition, 11: 1393357. https://doi.org/10.3389/fnut.2024.1393357
Juliana, P., He, X., Marza, F., Islam, R., Anwar, B., Poland, J. and Singh, P.K. (2022). Genomic selection for wheat blast in a diversity panel, breeding panel and full-sibs panel. Frontiers in Plant Science, 12: 745379. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.745379
Kakaei, M. and Mirmazloum, S.I. (2024). Evaluation of the genetic diversity and agro-morphophysiological traits of bread wheat varieties under postflowering drought stress using different statistical methods. Journal of Genetic Resources, 10(1): 46-56.
Long, N., Gianola, D., Rosa, G.J. and Weigel, K.A. (2011). Application of support vector regression to genome-assisted prediction of quantitative traits. Theoretical and Applied Genetics, 123: 1065-1074.‏ https://doi.org/10.1007/s00122-011-1648-y
Marcussen, T., Sandve, S.R., Heier, L., Spannagl, M., Pfeifer, M., International Wheat Genome Sequencing Consortium. and Praud, S. (2014). Ancient hybridizations among the ancestral genomes of bread wheat. Science, 345(6194): 1250092.
Meuwissen, T.H., Hayes, B.J. and and Goddard, M. (2001). Prediction of total genetic value using genome-wide dense marker maps. Genetics, 157(4): 1819-1829. https://doi.org/10.1093/genetics/157.4.1819
Nyaupane, S., Poudel, M.R., Panthi, B., Dhakal, A., Paudel, H. and Bhandari, R. (2024). Drought stress effect, tolerance, and management in wheat - a review. Cogent Food and Agriculture, 10(1): 2296094. https://doi.org/10.1080/23311932.2023.2296094
Olsen, K.M., Lea, U.S., Slimestad, R., Verheul, M. and Lillo, C. (2008). Differential expression of four Arabidopsis PAL genes; PAL1 and PAL2 have functional specialization in abiotic environmental-triggered flavonoid synthesis. Journal of Plant Physiology, 165(14): 1491-1499.‏ https://doi.org/10.1016/j.jplph.2007.11.005
Plavšin, I., Gunjača, J., Šatović, Z., Šarčević, H., Ivić, M., Dvojković, K. and Novoselović, D. (2021). An overview of key factors affecting genomic selection for wheat quality traits. Plants, 10(4): 745. https://doi.org/10.3390/plants10040745
Rabieyan, E., Bihamta, M.R., Moghaddam, M.E., Alipour, H., Mohammadi, V., Azizyan, K. and Javid, S. (2023). Analysis of genetic diversity and genome-wide association study for drought tolerance related traits in Iranian bread wheat. BMC Plant Biology, 23(1): 431. https://doi.org/10.1186/s12870-023-04416-3
Ray, D.K., Mueller, N.D., West, P.C. and Foley, J.A. (2013). Yield trends are insufficient to double global crop production by 2050. PloS One, 8(6): e66428. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0066428
Raza, A., Su, W., Hussain, M.A., Mehmood, S.S., Zhang, X., Cheng, Y. and Lv, Y. (2021). Integrated analysis of metabolome and transcriptome reveals insights for cold tolerance in rapeseed (Brassica napus L.). Frontiers in Plant Science, 12: 721681. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.721681
Rezaei, E.E., Webber, H., Asseng, S., Boote, K., Durand, J.L., Ewert, F., Martre, P. and MacCarthy, D.S. (2023). Climate change impacts on crop yields. Nature Reviews Earth and Environment, 4(12): 831-846. https://doi.org/10.1038/s43017-023-00491-0
Tadesse, W., El Gataa, Z., Rachdad, F.E., El-Baouchi, A., Kehel, Z. and Alemu, A. (2023). Single- and multi-trait genomic prediction and genome-wide association analysis of grain yield and micronutrient-related traits in ICARDA wheat under drought environment. Molecular Genetics and Genomics, 298: 1515-1526. https://doi.org/10.1007/s00438-023-02074-6
Tessema, B.B., Liu, H., Sørensen, A.C. andersen, J.R. and Jensen, J. (2020). Strategies using genomic selection to increase genetic gain in breeding programs for wheat. Frontiers in Genetics, 11: 578123. https://doi.org/10.3389/fgene.2020.578123
Wu, P., Guo, Q.Q. and Qin, Z.W. (2016). The fungicide propamocarb increases lignin by activating the phenylpropanoid pathway in Cucumis sativus L. Horticulture, Environment, and Biotechnology, 57: 511-518.‏ https://doi.org/10.1007/s13580-016-0049-1
Yadav, V., Wang, Z., Wei, C., Amo, A., Ahmed, B., Yang, X. and Zhang, X. (2020). Phenylpropanoid pathway engineering: An emerging approach towards plant defense. Pathogens, 9(4): 312.‏ https://doi.org/10.3390/pathogens9040312
Yarnia, M., Arabifard, N., Khoei, F.R. and Zandi, P. (2011). Evaluation of drought tolerance indices among some winter rapeseed cultivars. African Journal of Biotechnology, 10(53): 10914-10922. https://doi.org/10.5897/AJB11.1748
Zamani, P., Soltanloo, H., Ramezanpour, S.S., Bihamta, M.R., Alipour, H. and Poczai, P. (2022). Genome-wide association mapping and genomic prediction of agronomical traits and breeding values in Iranian wheat under rain-fed and well-watered conditions. BMC Genomics, 23: 486. https://doi.org/10.1186/s12864-022-08968-w
Zhao, J., Sun, L., Gao, H., Hu, M., Mu, L., Cheng, X., Wang, J., Zhao, Y., Li, Q., Wang, P., Li, H. and Zhang, Y. (2023). Genome-wide association study of yield-related traits in common wheat (Triticum aestivum L.) under normal and drought treatment conditions. Frontiers in Plant Science, 13: 1098560. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.1098560

صفحه اصلی

راهنمای نویسندگان

ارسال مقاله

داوران

تماس با ما