مقدمه
در بسیاری از نقاط جهان، تنش خشکی خطری جدی برای رشد گیاهان و تولید محصولات زراعی به شمار میرود که موجب کاهش 35-13 درصدی عملکرد میگردد (7 و 12). بنابراین بخش وسیعی از مطالعات بهزراعی و بهنژادی دنیا بر روی واکنش گیاهان به تنش کمبود آب متمرکز شده که عموماً در دو محیط تنشدار و بدون تنش اجرا میشود (2 و 5).تنوع ژنتیکی در خصوص مقاومت به خشکی با استفاده از ابزارهای ژنتیکی از قبیل نقشه های مارکرها و اطلاعات تعیین توالی در دسترس می باشد (15) جو گیاه متداول در مناطق مدیترانه ای خاورمیانه و شمال آفریقا است که دارای بارندگی سالانه کمتر از 300 میلی متر هستند (1). بخش وسیعی از اراضی زیر کشت جو در ایران در مناطق خشک و نیمهخشک قرار گرفته و به علت کمبود آب و در نتیجه خشکی محیط عملکرد دانه جو شدیداً کاهش مییابد (4). عملکرد صفت کمّی پیچیدهای است که توسط تعداد زیادی ژن کنترل میگردد و شدیداً تحت تأثیر محیط قرار میگیرد (8 ، 11 و 14). شاخصهای کمّی متعددی برای انتخاب ژنوتیپها بر مبنای عملکرد آنها در محیطهای دارای تنش و بدون تنش پیشنهاد شده است.
این شاخصها عبارتند از: شاخص عملکرد نسبی در شرایط نرمال Yp ، عملکرد نسبی در شرایط تنش Ys، شاخص میانگین هارمونیHM، شاخص حساسیت به خشکی SSI، شاخصهای تحمل TOL، و متوسط تولید MP، و شاخصهای میانگین هندسی تولید GMP و تحمل به تنش STI (6). بسیاری از مکانهای ژنی کنترل کننده صفات مرتبط با تحمل به خشکی مکان یابی شده اند (18) و ارتباط بین این مکانهای ژنی و تحمل به خشکی از طریق عملکرد نسبی لاین ها در شرایط خشکی ارزیابی شده است (13). شناسایی عوامل ژنتیکی کنترل کننده صفات مرتبط با تحمل به خشکی که با سهولت بیشتری قابل تشخیص بوده و تحت تأثیر عوامل محیطی قرار نمی گیرند، زمینه شناسایی و ایجاد ارقام متحمل به خشکی را از طریق گزینش به کمک نشانگرها به عنوان مکمل روشهای مرسوم فراهم می سازد. اهداف این تحقیق عبارتند از: مکان یابی QTLها برای شاخصهای حساسیت و مقاومت به خشکی، برآورد میزان تأثیر هر یک از QTLها، تعیین نشانگرهای مولکولی پیوسته با QTLها و پیشنهاد آنها برای گزینش به کمک نشانگر.
مواد و روشها
در این مطالعه از بذور 72 ژنوتیپ جو دابل هاپلوئید که از تلاقی رقم Steptoe با رقم Morex بدست آمده است همراه با والدین استفاده شد. آزمایش در ایستگاه تحقیقاتی مرکز تحقیقات کشاورزی سیستان در سال 86-87 در قالب طرح لاتیس ساده 9×9 در دو تکرار و به طور جداگانه در دو شرایط تنش خشکی و آبیاری معمولی اجرا گردید. روش آبیاری مزرعه در کل دوره رشد گیاه 3 نوبت بود (درآزمایش نرمال). در آزمایش تنش با توجه به اینکه در شرایط منطقه، تنش آبی در مرحله گلدهی و بعد از آن بیشترین خسارت را به محصول وارد می کند، از مرحله گرده افشانی به بعد هیچگونه آبیاری صورت نگرفته (قطع آب آخر). شاخصهای محاسبه شده عبارتند از:
نقشه لینکاژی نشانگرهای مولکولی جو از سایت http://barleygenomics.wsu.edu بازیابی و مورد استفاده قرار گرفت. این نقشه مرکب از 327 نشانگر با طول 3/1226 و متوسط فاصله 75/3 سانتی مورگان می باشد و توسط پروژه نقشه یابی ژنوم جو آمریکای شمالی (NABGMP) تهیه گردید است (9 و 10). حداقل مقدار LOD برای شناسایی QTLها برابر 5/2 در نظر گرفته شد (3). قله های مقادیر LOD به عنوان محتمل ترین موقعیت QTL در نظر گرفته شدند. درصد واریانس فنوتیپی توجیه شده به وسیله هر QTL، در قله موقعیت QTL تعیین گردید. تجزیه های آماری با نرم افزار SAS نسخه 9 (16) و تجزیه QTL با نرم افزار WinQTL کارتوگرافر نسخه 5/2 (17) انجام گرفت.
نتایج و بحث
نتایج حاصل از تجزیه واریانس لاینهای مورد مطالعه در جدول 1 نشان داده شده است. اثر تیمار برای کلیه شاخصهای مورد مطالعه بسیار معنی دار بود. آماره های آماری ساده، ضرایب تنوع ژنوتیپی و فنوتیپی، وراثت پذیری خصوصی، پیشرفت ژنتیکی و بازده ژنتیکی حاصل از 5 درصد گزینش برای 9 شاخص مذکور در 72 لاین هاپلوئید مضاعف و والدینشان در جدول 2 نشان داده شده است. اختلاف بین میانگین هاپلوئیدهای مضاعف و میانگین والدین برای کلیه شاخصهای مورد بررسی غیر معنی دار بود. در نتیجه، هاپلوئیدهای مضاعف مورد مطالعه نماینده کل هاپلوئیدهای مضاعف ممکن حاصل از تلاقی استپتو× مورکس بوده و شاخصهای مورد بررسی عمدتاً با اثرات جمع پذیر ژنها کنترل می شوند. برای تمامی شاخصهای مورد بررسی به جز SSI و DSI بهترین لاین هاپلوئید مضاعف در مقایسه با بهترین والد، مقادیر بیشتری را نشان داد.
جدول 1- تجزیه واریانس 9 شاخص مقاومت به خشکی اندازه گیری شده در 72 لاین دبل هاپلویید جو و والدین آنها (استپتو و مورکس)
|
|
منابع تغییرات
|
درجه آزادی
|
میانگین مربعات
|
Ys
|
Yp
|
TOL
|
MP
|
GMP
|
HM
|
DSI
|
STI
|
SSI
|
تیمار
تکرار
اشتباه
|
80
1
80
|
**34/48820
**83/8384
73/1166
|
**23/123127
ns20/1302
71/4105
|
**31/56118
ns 74/16295
98/4777
|
**21/71944
ns 58/769
72/1441
|
**42/67548
ns 38/2462
69/1199
|
**73/64816
*56/4781
37/1138
|
**102/0
*047/0
01/0
|
**65/0
ns 2/0
016/0
|
**61/0
*28/0
061/0
|
ضریب تغییرات
|
|
49/10
|
61/11
|
60/30
|
65/8
|
29/8
|
46/8
|
53/27
|
71/18
|
33/46-
|
ضریب تبیین(%)
|
|
67/97
|
77/96
|
18/92
|
03/98
|
25/98
|
27/98
|
86/90
|
55/97
|
86/90
|
این مقادیر برای شاخصهای YP، YS، GMP، MP و TOL در سطح احتمال 1 درصد و برای شاخص HM در سطح احتمال 5 درصد معنی دار بود، لذا برای این شاخصها تفکیک متجاوز از والدین در جهت مثبت وجود داشت. به عبارتی بین نتاج حاصل از تلاقی استپتو × مورکس برای شاخصهای مورد بررسی تنوع با طیف گسترده ای وجود دارد. بیشترین توارث پذیری مربوط به شاخص HM و کمترین آن مربوط به DSI و SSI بود. با توجه به تنوع موجود برای اکثر شاخصها، استنباط می گردد که انتخاب برای بهبود آنها مؤثر خواهد بود (18).
جدول 2- آماره های آماری ساده، دامنه تغییرات، انحراف استاندارد، ضریب تغییرات، ضریب تنوع فنوتیپی و ژنتیکی، توارث پذیری خصوصی، پیشرفت ژنتیکی و بازده ژنتیکی 5 درصد گزینش برای 9 شاخص مقاومت به خشکی اندازه گیری شده در 72 لاین هاپلویید مضاعف جو و والدین آنها (استپتو و مورکس)
|
|
آماره
|
Yp
|
Ys
|
GMP
|
MP
|
HM
|
STI
|
SSI
|
TOL
|
DSI
|
Steptoe (P1)
|
9/330
|
6/188
|
08/249
|
75/259
|
95/238
|
207/0
|
43/0-
|
3/142
|
41/0
|
Morex (P2)
|
4/604
|
55/107
|
95/254
|
97/355
|
6/182
|
214/0
|
56/0
|
85/496
|
82/0
|
P1- P2
|
**5/273-
|
*05/81
|
**87/5-
|
**22/96-
|
**35/56
|
ns007/0-
|
**99/0-
|
**55/354-
|
**41/0-
|
P=(P1+ P2)/2
|
65/467
|
075/148
|
015/252
|
86/307
|
775/210
|
2105/0
|
065/0
|
575/319
|
615/0
|
WorstDHs
|
65/103
|
05/95
|
25/99
|
35/99
|
35/99
|
03/0
|
33/1-
|
00/7
|
02/0
|
BestDHs
|
5/1037
|
2/644
|
15/786
|
65/816
|
8/756
|
03/2
|
50/0
|
00/644
|
79/0
|
Range
|
85/933
|
15/549
|
9/686
|
3/717
|
45/657
|
00/2
|
83/1
|
00/637
|
77/0
|
DHs
|
46/522
|
3/300
|
3/391
|
38/411
|
1/373
|
58/0
|
45/0-
|
16/222
|
39/0
|
SDDHs
|
02/225
|
39/129
|
76/158
|
67/166
|
38/153
|
44/0
|
40/0
|
71/153
|
17/0
|
CVDHs
|
06/43
|
08/43
|
57/40
|
51/40
|
10/41
|
99/75
|
65/89-
|
19/69
|
67/43
|
DHs - P
|
ns81/51
|
ns22/152
|
ns285/139
|
ns52/103
|
ns325/162
|
ns3695/0
|
ns515/0
|
ns415/97-
|
ns225/0-
|
GGN=WDH - WP
|
*25/227-
|
*5/12-
|
**83/149-
|
**4/160-
|
*25/83-
|
**177/0-
|
*9/0-
|
**3/135-
|
*39/0-
|
GGp=BDH - BP
|
**1/433
|
**6/455
|
**2/531
|
**68/460
|
*85/517
|
ns 816/1
|
ns 06/0-
|
**15/147
|
ns 03/0-
|
GCV
|
17/42
|
5/42
|
13/40
|
01/40
|
67/40
|
84/74
|
87/82-
|
65/65
|
61/39
|
PCV
|
96/43
|
6/43
|
004/41
|
008/41
|
53/41
|
12/77
|
36/97-
|
55/72
|
44/47
|
GC5%
|
62/436
|
60/256
|
44/317
|
74/331
|
93/306
|
8706/0
|
6376/0
|
54/272
|
2667/0
|
H2
|
9209/0
|
9477/0
|
9581/0
|
9523/0
|
9591/0
|
9418/0
|
6963/0
|
8188/0
|
6963/0
|
* و ** به ترتیب معنی دار در سطوح احتمال 5 و 1 درصد؛ ns غیر معنیدار.
|
|
همبستگی های ساده فنوتیپی 9 شاخص مورد مطالعه در جدول 3 نشان داده شده است. همبستگی بالای بین شاخصهای مذکور ممکن است ناشی از مکان یکسان QTLهای کنترل کننده یا پیوستگی بین آنها باشد. QTLهای 9 شاخص مورد مطالعه در جدول 4 نشان داده شده است. برای کلیه شاخصهای مورد مطالعه به جز DSI و SSI دو تا سه و در مجموع 17 QTL شناسایی گردید. واریانس فنوتیپی توجیه شده به وسیله این QTLها بین 8 تا 32 درصد متغیر بود. بیشترین و کمترین واریانس فنوتیپی برای شاخص HM و MP بدست آمد. بیشترین مقدار LOD به ترتیب برای QTLهای کنترل کننده شاخصHM (Qhm2Hb) بدست آمد.
جدول 3- همبستگیهای ساده فنوتیپی 9 شاخص مقاومت به خشکی اندازه گیری شده در 72 لاین هاپلویید مضاعف جو و والدین آنها (استپتو و مورکس)
|
|
صفات
|
Ys
|
Yp
|
TOL
|
MP
|
GMP
|
HM
|
DSI
|
STI
|
Yp
|
*74/0
|
|
|
TOL
|
ns17/0
|
**78/0
|
|
|
MP
|
**90/0
|
**96/0
|
**58/0
|
|
|
GMP
|
**94/0
|
**92/0
|
**49/0
|
**99/0
|
|
|
HM
|
**96/0
|
**88/0
|
**40/0
|
**97/0
|
**99/0
|
|
|
DSI
|
*27/0-
|
**35/0
|
**77/0
|
ns11/0
|
ns03/0
|
ns03/0-
|
|
|
STI
|
**93/0
|
**88/0
|
**44/0
|
ns96/0
|
**97/0
|
**97/0
|
ns006/0
|
|
SSI
|
*27/0-
|
**35/0
|
**77/0
|
ns11/0
|
ns03/0
|
ns03/0-
|
**1
|
ns006/0
|
* و ** به ترتیب معنی دار در سطوح احتمال 5 و 1 درصد؛ ns غیر معنیدار.
|
|
مدلهایQTL، حدود 72 درصد از تنوع کل شاخصHM و 58 درصد از تنوع کل شاخص STI و حدود 55 درصد از تنوع کل شاخص GMP را تشریح نمودند. دو عدد QTL برای YP، روی کروموزومهای 2H و 5H قرار داشتند. برای YS نیز دو QTL، روی کروموزومهای2H و 3H نقشه یابی گردید که روی هم رفته حدود 39 درصد از تنوع فنوتیپی کل این شاخص را توجیه نمودند. سه QTL روی کروموزومها 2H، 2H و 3H برای شاخص GMP تعیین مکان گردیدند که در مجموع 55 درصد از تنوع کل این شاخص را کنترل نمودند. سه QTL روی کروموزومها 2H، 3H و 5H برای شاخص MP تعیین مکان گردیدند که در مجموع 40 درصد از تنوع کل این شاخص را کنترل نمودند. سه QTL نیز روی کروموزومها 2H، 2H و 3H برای شاخص HM تعیین مکان گردیدند که در مجموع 72 درصد از تنوع کل این شاخص را کنترل نمودند.Qhm2Hb یک QTL بزرگ اثر بود که به تنهایی 32 درصد از تنوع شاخص HM را توجیه نمود.
برای شاخص STI سه QTL، روی کروموزومهای 2H، 2H و 3H قرار داشتند که در مجموع 58 درصد از تنوع کل این شاخص را توجیه نمودند. برای شاخص TOL نیز یک QTL روی کروموزوم 5H تعیین گردید. هم مکانی QTL ها، همبستگی بین شاخصهای مورد مطالعه را توجیه نمود. به عنوان مثال QTLهای Qyp2H، Qgmp2Hb، Qmp2H، Qhm2Hb با Qsti2Hb ؛ QTLهای Qyp5H، Qmp5H با Qtol5H ؛ QTLهای Qys3H، Qmp3H، Qhm3H با Qsti3H و QTLهایQgmp2Ha، Qhm2Ha با Qsti2Haاز موقعیت یکسانی روی نقشه برخوردار بودند. هم مکانی QTLها به واسطه لینکاژ بین دو ژن یا اثر پلیوتروپی یک ژن است.
اثر بزرگ QTLهای جایگاه 2/74 سانتی مورگان واقع در موقعیت نشانگر ABC167 روی کروموزوم 2H بر شاخصهای YP، GMP، HM، MP و STI؛ یا اثر بزرگ QTLهای جایگاه 8/68 سانتی مورگان واقع در موقعیت نشانگر CDO537 روی کروموزوم 2H بر شاخصهای GMP، HM و STI نشانگر این است که احتمالاً ژنهای خوشه ای کنترل کننده شاخصهای مقاومت به خشکی در این نواحی از کروموزومها جای گرفته اند. ژنهای خوشه ای شاخصهای متفاوت، ممکن است موجب همپوشانی QTLها گردد.
برای تعیین اینکه ماهیت نواحی کنترل کننده بیشتر از یک شاخص، ناشی از پلیوتروپی، لینکاژ ژنی یا ژنهای خوشه ای است نقشه با چگالی بسیار بالا برای نقشه یابی مورد نیاز می باشد. در این مطالعه در مجموع 17عدد QTLبرای شاخصهای مقاومت به خشکی شناسایی گردید که تعداد و نوع و اثر 15 QTL در شاخصهای متفاوت پایدار بود، لذا می توان از آنها در گزینش شاخصهای مقاومت به خشکی به کمک نشانگر استفاده نمود. QTLهای پایدار، موجب پایداری نسبی کنترل ژنتیکی می شوند و بر اثر متقابل ژنوتیپ و محیط فائق می آیند. پایداری QTLها ناشی از کنترل شاخصها به وسیله تعداد اندکی لوسای با اثرات زیاد است. بنابراین بازده گزینش به کمک نشانگر در این جامعه از کارایی لازم برخوردار می باشد.
جدول 4- QTLهای 9 شاخص مقاومت به خشکی اندازه گیری شده در 72 لاین هاپلویید مضاعف جو
|
|
صفت
|
نام QTL
|
گروه لینکاژی
|
نزدیکترین نشانگر
|
موقعیتQTLa
|
LOD
|
اثر آللی(افزایشی)
|
R2
|
Yp
|
Qyp2H
|
H2
|
ABC167
|
2/74
|
75/4
|
5/95-
|
16/0
|
|
Qyp5H
|
H5
|
WG908
|
5/153
|
24/3
|
6/79
|
11/0
|
Ys
|
Qys2H
|
H2
|
ABC162
|
5/73
|
07/9
|
4/72-
|
29/0
|
|
Qys3H
|
H3
|
EBC828
|
8/79
|
22/3
|
8/41
|
10/0
|
GMP
|
Qgmp2Ha
|
H2
|
CDO537
|
8/68
|
4/6
|
8/78-
|
21/0
|
|
Qgmp2Hb
|
H2
|
ABC167
|
2/74
|
8/7
|
9/82-
|
25/0
|
|
Qgmp3H
|
H3
|
MWG680
|
5/80
|
06/3
|
7/48
|
09/0
|
MP
|
Qmp2H
|
H2
|
ABC167
|
2/74
|
4/7
|
05/85-
|
23/0
|
|
Qmp3H
|
H3
|
EBC828
|
8/79
|
7/2
|
7/92
|
08/0
|
|
Qmp5H
|
H5
|
WG908
|
5/153
|
9/2
|
4/51
|
09/0
|
HM
|
Qhm2Ha
|
H2
|
CDO537
|
8/68
|
1/8
|
8/84-
|
29/0
|
|
Qhm2Hb
|
H2
|
ABC167
|
2/74
|
3/9
|
6/87-
|
32/0
|
|
Qhm3H
|
H3
|
EBC828
|
8/79
|
3/3
|
2/51
|
11/0
|
STI
|
Qsti2Ha
|
H2
|
CDO537
|
8/68
|
3/6
|
25/0-
|
21/0
|
|
Qsti2Hb
|
H2
|
ABC167
|
2/74
|
09/8
|
23/0-
|
28/0
|
|
Qsti3H
|
H3
|
EBC828
|
8/79
|
9/2
|
14/0
|
09/0
|
DSI
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
SSI
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
-
|
TOL
|
Qtol5H
|
H5
|
WG908
|
5/153
|
9/2
|
008/59
|
14/0
|
|
|
a موقعیت QTL به سانتیمورگان از انتهای بازوی کوچک کروموزوم
|
|