بررسی تنوع فنوتیپی و ژنتیکی و ارزیابی روابط صفات زراعی در لاین های برنج متحمل به سرما

 مقدمه

برنج یکی از مهم‌ترین گیاهان زراعی است که حدود 50 درصد جمعیت جهان از آن تغذیه می‌کند (Wang et al., 2013). نیاز جهانی به برنج در سال 2025 حدود 25 درصد نسبت به 2001 افزایش می‌یابد (Zhao et al., 2011). برنج به عنوان یک محصول گرمسیری و گیاهی نیمه آبزی به خوبی با شرایط غیرهوازی خاک سازگار شده است (Rashedmohassel et al., 1997). از آنجایی که سردی هوا و پایین بودن دمای آب محدودکننده رشد زایشی برنج هستند (Hossain, 1995)، به ‌نظر می‌رسد گسترش سطح زیرکشت این محصول در مناطق سرد موفقیت‌آمیز نباشد، مگر آنکه از تنوع موجود در بین ژنوتیپ‌ها در راستای شناسایی و معرفی ژنوتیپ‌های مناسب و متحمل به سرما به‌نحو شایسته‌ای استفاده شود (Rahimsoroush et al., 2004). منابع ژنتیکی نقش مهمی در افزایش پتانسیل عملکرد برنج دارند و کاهش تنوع ژنتیکی با مشکلات عدیده‌ای در یافتن ژن‌های جدید برای بهبود عملکرد کمی و کیفی و مقاومت به تنش‌های زنده و غیرزنده همراه است (Cheng et al., 2012). استفاده از تنوع ژنتیکی در ژنوم گیاهان زراعی از مهم‌ترین علاقه‌مندی‌های متخصصین اصلاح نباتات در درک استراتژی‌های بهبود گیاهان زراعی است (Varshney et al., 2008). برای رسیدن به عملکرد بالا در برنج پژوهش‌گران واریته‌های با عملکرد بالا و متحمل به تنش‌های زنده و غیرزنده را توسعه داده‌اند (Wang et al., 2013). بای و توآن آزمایشی برای بررسی تنوع ژنتیکی 32 رقم برنج انجام داده و گزارش کردند که رقم‌‌های مورد بررسی از لحاظ صفات ارتفاع بوته و تعداد روز تا 50 درصد گلدهی بیشترین تنوع را داشتند (Bui and Tuan, 1989). بررسی تنوع ژنتیکی 30 توده بومی برنج هندوستان توسط سینها و همکاران نشان داد که صفاتی مانند تعداد انشعاب فرعی و تعداد دانه پردر خوشه نقش مهم‌تری در تنوع مربوط به عملکرد داشتند (Sinha et al., 1991). رحیم‌سروش و همکاران با مطالعه تنوع ژنتیکی و فنوتیپی 36 لاین و رقم برنج، به وجود اختلاف معنی‌دار بین ژنوتیپ‌ها برای عملکرد دانه و اجزای آن، اشاره نمودند که بیشترین ضرایب تنوع ژنتیکی و فنوتیپی در بین اجزای عملکرد مربوط به تعداد دانه در خوشه بود (Rahimsoroush et al., 2004). درستی و همکاران نشان دادند که تعداد دانه در خوشه و زاویه برگ پرچم بیشترین تنوع را داشته و بالاترین توارث پذیری مربوط به صفات تعداد روز تا 50 درصد گلدهی و رسیدگی می باشد (Dorosty et al., 2004). بخشی‌پور و همکاران در بررسی هفت لاین امیدبخش برنج و شاهد شیرودی، نشان دادند که بین لاین‌های امیدبخش در صفات مورد مطالعه تفاوت وجود داشت و این دلالت بر تنوع ژنتیکی عنوان شد (Bakhshipour et al., 2013).

تجزیه مسیر اجزای عملکرد و بررسی همبستگی بین این اجزا در بسیاری از محصولات زراعی از قبیل گندم (Triticum aestivum)، گلرنگ (Carthamus tinctorius)، سویا (Glycine max) و برنج انجام شده است (Mehetre et al., 1994). مطالعه ی تجزیه ضرایب مسیر برای عملکرد دانه در برنج نشان داد که صفات تعداد خوشه در بوته، تعداد دانه پر در خوشه و وزن صد دانه اثر مستقیم و مثبت بر عملکرد دانه برنج داشته و اثر مستقیم تعداد دانه پوک در خوشه نیز منفی است (Gravois and Helms, 1992). در تحقیق دیگری مشاهده شد که تعداد پنجه بارور در بوته، طول خوشه و وزن هزار دانه به ترتیب بالاترین اثر مستقیم را بر عملکرد دانه برنج و ارتفاع گیاه بیشترین اثر مستقیم منفی فنوتیپی و ژنوتیپی را بر عملکرد دانه داشت (Marwat et al., 1994). نوربخشیان و رضایی در تعیین همبستگی صفات و اجزای عملکرد یازده رقم و لاین برنج در استان چهارمحال و بختیاری، اثر مستقیم وزن هزار دانه، تعداد دانه پر در خوشه و تعداد پنجه بارور در بوته بر عملکرد را مثبت و اثر مستقیم تعداد دانه پوک در خوشه بر عملکرد را منفی گزارش کرده اند (Noorbakhshian and Rezaei, 1999). این مطالعه به منظور بررسی تنوع فنوتیپی و ژنتیکی و ارزیابی روابط صفات زراعی در لاین‌های برنج متحمل به سرما جهت کشت در مناطق نیمه سرد استان چهارمحال و بختیاری انجام گردید.

مواد و روش ها

این مطالعه طی سه سال زراعی متوالی(از 1383 تا 1385) به منظور مقایسه پنج ژنوتیپ برتر برنج و بررسی همبستگی بین صفات مختلف و تجزیه مسیر اجزای عملکرد بر عملکرد دانه در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار در منطقه علی‌آباد سامان انجام شد. این منطقه در 30 کیلومتری شمال شرقی شهرکرد، در عرض جغرافیایی39/32 درجه شمالی و طول54/50 درجه شرقی و ارتفاع 1860 متر از سطح دریا واقع است. میانگین بلندمدت حداقل و حداکثر دمای سالیانه هوا به ترتیب 02/4 و14/23 درجه سانتی گراد بوده و متوسط بارندگی منطقه 4/324 میلی‌متر گزارش شده است (Anonymous, 2006). خاک مزرعه دارای بافت لومی رسی با جرم مخصوص ظاهری 4/1 گرم بر سانتی‌متر مکعب و 2/7pH=  بود.

دراین تحقیق پنج لاین منتخب از بررسی مقدماتی بیست لاین در سال قبل، به نام‌های Lido،  79014-IR14-1-1-2، Rosa-Manchatli،  H270-85 و  Stevela  که به ‌ترتیب با کدهای 1، 3، 7، 13و 14 مشخص شده‌اند، همراه با رقم کوهرنگ به عنوان شاهد، طی سه سال متوالی مورد مقایسه قرار گرفتند. بذرها پس از جوانه دار شدن، ابتدا در خزانه کشت شده و با انجام مراقبت‌های زراعی لازم، پس از رسیدن به مرحله 5 تا 6 برگی، نشاکاری در کرت‌هایی به ابعاد 0/2 × 2/3 متر، با استفاده از 4-3 نخ نشاء در هر کپه و رعایت فواصل بوته و ردیف 20 سانتی‌متر انجام شد.

صفات تعداد روز تا ظهور 50 درصد خوشه‌ها و 80 درصد رسیدگی، عملکرد شلتوک در واحد سطح، تعداد ساقه‌های بارور (خوشه) و نابارور (پنجه‌های عقیم) در بوته، تعداد دانه‌های پرشده و پرنشده در خوشه، وزن صد دانه، طول خوشه و ارتفاع بوته اندازه‌گیری شد. داده‌های آزمایشی برای هر یک از صفات با استفاده از نرم افزار آماری SAS برای هر سال به طور جداگانه و سپس به صورت مرکب برای سه سال تجزیه واریانس شده و در صورت معنی‌دار بودن اثر هر عامل آزمایشی، مقایسه میانگین‌ها با استفاده از آزمون حداقل تفاوت معنی‌دار (LSD) انجام شد. در این بررسی واریانس ژنتیکی و فنوتیپی، ضرایب تغییرات فنوتیپی و ژنتیکی و توارث ‌پذیری عمومی صفات مختلف برآورد گردید. ضرایب همبستگی فنوتیپی و ژنتیکی بین صفات نیز محاسبه شد. تجزیه رگرسیون مرحله‌ای توسط نرم‌افزار  SAS صورت گرفت و سپس تجزیه مسیر با استفاده از نرم‌افزار PATH برای تعیین اثرات مستقیم و غیر مستقیم صفات بر عملکرد دانه در واحد سطح، انجام شد.

نتایج و بحث

تجزیه واریانس‌ مرکب معنی‌دار بودن تفاوت بین ژنوتیپ‌ها برای کلیه صفات مورد بررسی در سطح احتمال 1 درصد را نشان داد. اثر سال نیز بر روی کلیه صفات بجز ارتفاع بوته، وزن صد دانه و طول خوشه معنی‌دار شد (جدول 1). در سال دوم آزمایش بیشترین عملکرد شلتوک از طریق افزایش معنی‌دار تعداد دانه پرشده و تعداد ساقه بارور در بوته نسبت به سال سوم آزمایش بدست آمد، ولی این افزایش عملکرد نسبت به سال نخست معنی دار نبود (جدول 2). بر اساس میانگین سه ساله ژنوتیپ های کد 1 و 14پس از 121روز و ژنوتیپ شاهد (رقم کوهرنگ) پس از 142 روز مرحله 80 درصد رسیدگی را سپری کرده و زودرس‌ترین و دیررس‌ترین ژنوتیپ‌ها شناخته شدند (جدول 3). عکس‌العمل ژنوتیپ‌ها به روز تا ظهور 50 درصد خوشه‌ها‌‌‌ نیز از روند تقریباً مشابهی برخوردار بود (جدول 3). درستی و همکاران و رحیم‌سروش و همکاران نیز گزارش کردند که ژنوتیپ‌های برنج برای صفات روز تا 50 درصد گلدهی و روز تا رسیدگی از تنوع بالایی برخوردارند (Dorosty et al., 2004 و Rahimsoroush et al., 2004). ژنوتیپ‌های مورد آزمایش از لحاظ میانگین ارتفاع بوته نیز متفاوت از یکدیگر بودند (جداول 1 و3). از آنجایی که ارتفاع کلیه لاین‌های مورد بررسی نسبت به ژنوتیپ‌ شاهد کمتر بود، انتظار می‌رود این لاین‌ها منابع ژنتیکی مطلوبی برای مقاومت به خوابیدگی باشند. عملکرد گیاهان زراعی از سیستم پیچیده‌ای تبعیت می‌کند که هر یک از اجزای این سیستم تحت تأثیر ژنوتیپ گیاه، شرایط محیطی و یا اثر متقابل آنها قرار می‌گیرد (Gravois and Helms, 1992).

درک بهتر تغییرات عملکرد دانه و واکنش آن نسبت به عوامل زراعی مستلزم شناخت اجزای عملکرد دانه، روابط بین آنها و میزان تأثیرپذیری آنها از عوامل زراعی ‌و محیطی می‌باشد (Sarmadnia and Koucheki, 1993). در گیاه برنج عملکرد دانه متأثر از چند جزء عملکرد شامل تعداد ساقه بارور در بوته (تعداد خوشه)، تعداد دانه پرشده در خوشه و وزن دانه می‌باشد. در پاره‌ای از مطالعات تعداد خوشه در بوته به عنوان مهم‌ترین عامل توجیه کننده عملکرد برنج معرفی شده است (Allahqholipour, 1997، Dorosty et al., 2004، Sabouri, 2002 و Saffar-Hamidi, 1997).

نتایج این بررسی بیانگر وجود تفاوت معنی‌دار بین ژنوتیپ‌ها از نظر صفات تعداد ساقه‌های بارور و نابارور،  تعداد دانه‌های پرشده و پرنشده در خوشه و وزن صد دانه بود (جدول 1). مقایسه متوسط عملکرد ژنوتیپ‌ها طی سه سال آزمایش نشان داد که ژنوتیپ کد 7 با داشتن تعداد ساقه بارور بیشتر در بوته و پایین‌ترین تعداد دانه پرنشده در خوشه، میانگین 6240 کیلوگرم شلتوک در هکتار (بالاترین عملکرد) را داشت. از طرف دیگر رقم کوهرنگ علیرغم داشتن بیشترین تعداد دانه در خوشه، بخاطر داشتن کمترین تعداد ساقه بارور در بوته و نیز کمترین وزن صد دانه، پایین‌ترین عملکرد شلتوک (4163 کیلوگرم در هکتار) را تولید کرد (جدول 3). صبوری، درستی و همکاران و رحیم‌سروش و همکاران در مطالعات خود گزارش کردند تفاوت معنی‌دار ژنوتیپ‌ها برای صفت عملکرد دانه ناشی از تغییرات تعداد ساقه بارور در بوته و تعداد دانه در خوشه می‌باشد (Sabouri, 2002،  Dorosty et al., 2004و Rahimsoroush et al., 2004).

جدول1- 3---------

وراثت پذیری معیاری است که نوع روش اصلاحی و قدرت توارث هر صفت را برای گیاه مشخص می‌کند و در واقع  بیان کننده سهم تغییرات ژنتیکی از کل تغییرات موجود است (Farshadfar, 1997). وراثت پذیری اغلب صفات مورد ارزیابی احتمالاً به علت یکنواختی محیط آزمایش، در حد بالایی بوده و ضرایب تنوع فنوتیپی و ژنتیکی نیز از روند تغییرات مشابهی برخوردار بودند (جدول 4) ، گرچه مقادیر ضرایب تنوع فنوتیپی بزرگتر از ژنتیکی بود که نشان دهنده دخالت اثر محیط می‌باشد. مطالعات دیگر (Chaubey and Richaria, 1993، Chaudhary and Das, 1998 و Saffar-Hamidi, 199) نیز نتایج مشابهی در خصوص روند تغییرات این ضرایب گزارش کرده‌اند.

صفات ارتفاع بوته و تعداد روز تا 80 درصد رسیدگی با 5/97 و 0/96 درصد بیشترین وراثت پذیری عمومی را داشتند (جدول 4) که با نتایج درستی و همکاران (Dorosty et al., 2004) و مائوریا (Maurya, 1975) مطابقت دارد. در بین صفات مورد بررسی کمترین وراثت پذیری عمومی (4/42 درصد) مربوط به تعداد ساقه نابارور در هر بوته بود. رحیم‌سروش و همکاران  نیز کمترین درصد وراثت پذیری عمومی را در تعداد خوشه های عقیم گزارش کردند (Rahimsoroush et al., 2004). عملکرد شلتوک به عنوان یک صفت کمّی که توسط تعداد زیادی ژن کنترل می‌شود نیز از توارث پذیری نسبتاً بالایی (7/83%) برخوردار بود. در این مطالعه میزان همبستگی ژنتیکی در اغلب صفات بالاتر از همبستگی فنوتیپی بود که خود بیانگر پایین‌تر بودن ضریب تغییرات ژنتیکی نسبت به فنوتیپی و در نتیجه تأثیر کمتر محیط بر این صفات می‌باشد (Chaubey and Richaria, 1993).

بررسی ضرایب همبستگی بیانگر رابطه مثبت و بسیار معنی‌دار بین صفت عملکرد شلتوک در واحد سطح و تعداد ساقه بارور (تعداد خوشه) در بوته بود به نحوی که بیشترین ضرایب همبستگی (90/0 = r_g ، 72/0 =r_p ) را به خود اختصاص دادند. در حالی که همبستگی فنوتیپی و ژنتیکی عملکرد با تعداد ساقه نابارور (28/0- = r_g ، 46/0- =r_p) منفی و معنی‌دار بود. صبوری نیز در مطالعه خود بالاترین ضرایب همبستگی بین عملکرد دانه و اجزای عملکرد را در صفت تعداد خوشه یافت (Sabouri, 2002). درستی و همکاران و رحیم‌سروش و همکاران نیز به وجود چنین رابطه مثبتی در برنج پی بردند (Dorosty et al., 2004 و Rahimsoroush et al., 2004). از طرف دیگر همبستگی فنوتیپی و ژنتیکی وزن صد دانه با عملکرد شلتوک نیز مثبت و معنی‌دار بود (جدول 5). اما علیرغم آنچه انتظار می رود همبستگی تعداد دانه در خوشه با عملکرد معنی دار نشده است، زیرا رقم کوهرنگ برخلاف سایر ژنوتیپ های مورد بررسی، با داشتن بیشترین دانه در خوشه بخاطر کم بودن وزن صد دانه اش کمترین عملکرد را بخود اختصاص داده است. اگر این رقم را در نظر نگیریم، در سایر ژنوتیپ ها صفت تعداد دانه در خوشه با عملکرد  همبستگی بالا و معنی داری نشان خواهد داد. صفار حمیدی  و رحیم‌سروش و همکاران  نیز همبستگی مثبت و معنی‌داری بین عملکرد دانه با تعداد دانه پرشده در خوشه مشاهده کردند (Saffar-Hamidi, 1997 و Rahimsoroush et al., 2004). همچنین در بررسی مهتر و همکاران یکی از معیارهای انتخاب ژنوتیپ‌های برتر برنج، تعداد دانه پر در خوشه گزارش شده ‌است (Mehetre et al., 1994). در این مطالعه ضرایب همبستگی بین عملکرد شلتوک و ارتفاع بوته منفی و معنی‌دار بود، (88/0- = r_g ، 55/0- =r_p) که با نتایج مطالعات صبوری (Sabouri, 2002)، درستی و همکاران (Dorosty et al., 2004)، رحیم‌سروش و همکاران (Rahimsoroush et al., 2004) و سامونت و همکاران (Samonte et al., 1998) بر روی برنج تطابق دارد. بنابراین از وجود این همبستگی منفی می‌توان برای گزینش لاین‌های برتر بر اساس ارتفاع بوته بهره برد.

جدول 4. ضریب تغییرات فنوتیپی و ژنتیکی و وراثت پذیری عمومی صفات ژنوتیپ های برنج در استان چهارمحال و بختیاری جدول 4------------------

عملکرد شلتوک در واحد سطح با صفات تعداد روز تا ظهور 50 درصد خوشه‌ها‌ و تعداد روز تا 80 درصد رسیدگی همبستگی فنوتیپی و ژنتیکی منفی و معنی‌داری داشت (جدول 5)، اگر چه در برخی از مطالعات (Dorosty et al., 2004، Rahimsoroush et al., 2004 و Sabouri, 2002) این همبستگی مثبت گزارش شده است. به نظر می‌رسد منفی بودن این همبستگی در تحقیق حاضر ناشی کوتاه بودن فصل رشد باشد، زیرا با افزایش تعداد روز تا ظهور خوشه‌، گرده افشانی و باروری دانه‌ها در پنجه‌های ثانویه به علت برخورد با دماهای پایین آخر فصل، کاهش یافته و منجر به افت عملکرد می‌گردد. چنان که اشاره شد همبستگی عملکرد شلتوک در واحد سطح با تعداد روز تا خوشه دهی منفی بوده و این صفات از وراثت پذیری بالایی نیز برخوردارند (جداول 4 و 5)، لذا انتظار می‌رود که انتخاب ژنوتیپ‌های پرعملکرد می‌تواند به نحو مطلوبی بر اساس کوتاه‌تر بودن دوره رویشی (تعداد روز از کاشت تا ظهور خوشه‌ها) صورت گیرد.

تجزیه رگرسیون مرحله‌ای سهم هر یک از صفات (متغیرهای مستقل) را در تنوع موجود برای یک صفت تابع مثل عملکرد دانه، تعیین می‌کند (Rezaie and Soltani, 1998). نتایج تجزیه رگرسیون مرحله‌ای در جدول 6 قابل مشاهده است. نتایج حاصل نشان داد که صفت تعداد ساقه بارور در بوته به تنهایی حدود 52 درصد از تغییرات عملکرد دانه را توجیه کرد. بعد از این صفت، تعداد دانه پر در خوشه وارد مدل شد که به همراه صفت قبلی 71 درصد از تغییرات عملکرد دانه را تبیین نمود. وزن دانه سومین متغیری بود که نقش خود را در ایجاد عملکرد نشان داده و ضریب تشخیص تجمعی را از 71 درصد به 88 درصد ارتقا بخشید. مثبت بودن ضرایب رگرسیون برای این صفات نشانگر افزایش عملکرد دانه برنج با افزایش هر یک از این عوامل می‌باشد. پس از اجزای عملکرد، صفت فنولوژیک تعداد روز تا ظهور 50 درصد خوشه‌ها آخرین متغیری بود که وارد مدل شده و میزان ضریب تشخیص تجمعی را حدود  3 درصد افزایش داد (جدول 6). صبوری  نیز در آزمایش خود به نقش موثر اجزای عملکرد در توجیه عملکرد دانه در واحد سطح پی برد (Sabouri, 2002). نتایج حاصل از تجزیه ضرایب مسیر برای عملکرد دانه نشان داد که اجزای عملکرد و تعداد روز تا ظهور 50 درصد خوشه‌ها دارای اثر مستقیم و مثبت بر عملکرد شلتوک در واحد سطح بودند (جدول 7).