اثر انتخاب بر تنوع ژرم‌پلاسم لاین‌های خالص سورگوم زراعی در ایران با استفاده از نشانگرهای مولکولی IRAP و ویژگی‌های ریخت‌شناختی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

گروه زیست شناسی گیاهی و جانوری، دانشکده علوم و فناوری های زیستی، دانشگاه اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

مقدمه: بشر از دیرباز به دنبال اهلی‎سازی گونه‎های زراعی مهم و اقتصادی و انتخاب صفات مطلوب کشاورزی بوده است. در واقع انتخاب توسط بشر، فاکتوری است که نقش اساسی در تعیین سرنوشت لاین‎های اصلاحی گیاهان و به‎ویژه غلات به عهده دارد. از این‎رو، مطالعه تنوع وراثتی و بررسی ذخیره ژرم‎پلاسم لاین‎های اصلاحی از یک سو و مطالعه نقش و اثر انتخاب‎های انجام شده توسط اصلاح کنندگان نبات از سوی دیگر، عوامل کلیدی جهت بررسی سرنوشت بذرهای اصلاح شده به شمار می‎روند. جهت انجام چنین بررسی‎هایی، مطالعات مولکولی با استفاده از نشانگرهایی که به صورت خنثی و تصادفی عمل می‎کنند، حائز اهمیت می‎باشد. بر این اساس، در مطالعه پیش‎رو جهت بررسی اثر انتخاب بر بذر گیاهان زراعی مهمی که مدت‌ها تحت اهلی‎سازی و برنامه‎‌های اصلاح نبات قرار گرفته‎اند، از 16 لاین خالص سورگوم زراعی کشت شده در مزرعه تحقیقاتی مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی خراسان رضوی و با به کارگیری نشانگرهای مولکولی مبتنی بر نواحی رتروترانسپوزون و صفات ریخت‎شناختی مرتبط با افزایش بیوماس گیاه، استفاده شد.
مواد و روش‌ها: در مجموع 80 فرد متعلق به نسل‌های اول تا نهم اصلاحی انتخاب شد و مطالعات مولکولی با استفاده از هشت زوج آغازگر IRAP و مطالعات ریخت‎شناختی با اندازه‎گیری صفات مربوط به بیوماس برگ انجام شد.
یافته‌ها: مشاهدات حاکی از تنوع بین گروهی (بین نسل‌های اصلاحی) نسبتاً بالا (63.5%) در گروه مورد مطالعه بود. از بین نسل‎های مورد مطالعه، نسل پنجم و در مرحله بعد، نسل‎های هفتم و هشتم بیشترین میزان تنوع وراثتی، بیشترین میزان هتروزیگوسیتی و بیشترین میزان آلل‌های منحصر بفرد را به خود اختصاص دادند.
نتیجه‌گیری: بر این اساس وجود جریان ژنی بین لاین‌های اصلاحی سورگوم زراعی و بروز آن در تنوع آللی افراد نسل پنجم، ششم و هفتم تأیید شد. با این حال، کاهش مجدد آن در نسل‎های هفتم به بعد، حاکی از ناپایداری نوترکیبی‎های مذکور بود. در نهایت چنین نتیجه‌گیری شد که انتخاب فنوتیپ‌های برتر و مطلوب طی روند خالص‌سازی همواره به صورت یک جاروی ژنی عمل کرده و به صورت یک انتخاب جهت‌دار باعث حذف تنوعات ایجاد شده حاصل از جریان ژنی و در نتیجه کاهش تنوع وراثتی در لاین‌های خالص سورگوم زراعی می‌شود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Effect of selection on germplasm diversity of pure lines of crop sorghum in Iran using IRAP molecular markers and morphological traits

نویسندگان [English]

  • Negar Karimi
  • Hojjatollah Saeidi
Department of Plant and Animal Biology, Faculty of Biological Science and Technology, University of Isfahan, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Introduction: Humans have long sought to select the desirable traits for agriculture and domestication of important and economical crop species around the world. In fact, the human selection is a factor that plays a key role in determining the fate of plant breeding lines, especially cereals. Therefore, the study of genetic diversity and the study of germplasm storage of breeding lines on the one hand and the study of the role and effect of choices made by plant breeders, on the other hand, are key factors in investigating the fate of improved seeds and lines. To conduct such studies, molecular studies using markers that act neutrally and randomly are important. Accordingly, the present study aimed to investigate the effect of selection on seeds of an important crop that has long been under domestication and crop breeding programs. Sixteen pure lines of sorghum grown in the research farm of Agricultural and Natural Resources Research and Training Center of Khorasan Razavi were assessed using retrotransposon-based molecular markers plus desirable morphological traits used in breeding crop sorghums.
Materials and methods: A total of 80 individuals belonging to the first to ninth generations of breeding sorghums were randomly selected, and molecular studies were performed using 8 IRAP primer combinations. Morphological studies were also performed using the measurement of traits related to leaf biomass (the number of leaves at 60 days of plant growth).
Results: The observations showed relatively high intergroup genetic diversity (between breeding generations) (63.5%) in the study group. Among the studied generations, the fifth generation and afterward the seventh and eighth generations showed the highest hereditary diversity, the highest heterozygosity, and the highest number of unique alleles. The first and ninth generations with the highest homozygosity, respectively, were the purest lines studied.
Conclusion: The results of dendrogram trees also confirmed the existence of three completely different clusters in the study group. Accordingly, the existence of gene flow between the breeding lines of sorghum and its occurrence among the individuals of the fifth, sixth and seventh generations was confirmed. However, its decline and decrease in the seventh generation onwards indicated the instability of observed recombination. Finally, it was concluded that the selection of superior and desirable phenotypes during the purification process always acts as a selective sweep and as a directional selection eliminates the variations created by gene flow and thus reduces the genetic diversity in the pure lines of crop sorghum.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Breeding
  • Genetic diversity
  • Iran
  • Pure lines
  • Retrotransposons
  • Sorghum

مراجع

APG (Angiosperm Phylogeny Group). 2003. An update of the Angiosperm Phylogeny Group classification for the orders and families of flowering plants: APG II. Botanical Journal of the Linnean Society, 141, 4, 399-436. https://doi.org/10.1046/j.1095-8339.2003.t01-1-00158.x
Benson, C., & Rao, C. S.1906. The Great Millet or Sorghum of Madras. Government Press.
Borghi, E., Crusciol, C. A. C., Nascente, A. S., Sousa, V. V., Martins, P. O., Mateus, G. P., & Costa, C. 2013. Sorghum grain yield, forage biomass production and revenue as affected by intercropping time. European Journal of Agronomy, 51, 130-139. https://doi.org/10.1016/j.eja.2013.08.006
Burkill, I. H. 1937. The races of Sorghum. Bulletin of Miscellaneous Information, Royal Botanic Gardens, Kew, 2, 112-119.
Dean, R. E., Dahlberg, J. A., Hopkins, M. S., Mitchell, S. E., & Kresovich, S. 1999. Genetic redundancy and diversity among ‘Orange’ accessions in the U.S. national sorghum collection as assessed with simple sequence repeat (SSR) markers. Crop Science, 39 (4), 1215-1221. https://doi.org/10.2135/cropsci1999.0011183X003900040043x
De Wet, J. M. J., & Harlan, J. R. 1971. The origin and domestication of Sorghum bicolor. Economic Botany, 25 (2), 128-135. https://doi.org/10.1007/BF02860074
FAO. 1991. Sorghum and millets in human nutrition. Retrieved in, http://faostat.fao.org/docrep/t0818e/T0818E03.htm, accessed 2013.
Fedoroff, N.V. 1991. Maize transposable elements. Perspectives in Biology and Medicine, 35 (1), 2-19. https://doi.org/10.1353/pbm.1991.0065
Feschotte, C. 2008. Transposable elements and the evolution of regulatory networks. Nature Reviews Genetics, 9 (5), 397-405. https://doi.org/10.1038/nrg2337
Gautam, S., Mishra, U., Scown, C. D., & Zhang, Y. 2020. Sorghum biomass production in the continental United States and its potential impacts on soil organic carbon and nitrous oxide emissions. GCB Bioenergy: Bioproducts for a Sustainable Bioeconomy, 12 (10), 878-890. https://doi.org/10.1111/gcbb.12736
Gawel, N. J., & Jarret, R.L. 1991. A modified CTAB DNA extraction procedure for Musa and Ipomoea. Plant Molecular Biology Reporter, 9 (3), 262-266. https://doi.org/10.1007/BF02672076
Ghahramani, S., & Darvishzadeh, R. 2021. Estimating breeding value of agro-biological traits in maize using IRAP and REMAP markers. Crop Biotechnology, 11 (36), 33-48. https://doi.org/10.30473/CB.2022.62429.1865
Jaccard, P. 1908. Nouvelles Recherches sur la Distribution Florale. Bulletin de la Société Vaudoise des Sciences Naturelles, 44. 223-270.
Jankowski, K. J., Sokólski, M. M., Dubis, B., Załuski, D., & Szempliński, W. 2020. Sweet Sorghum-Biomass production and energy balance at different levels of agricultural inputs. A six-year field experiment in north-eastern Poland. European Journal of Agronomy, 119, 126119. https://doi.org/10.1016/j.eja.2020.126119
Karimi, A., & Saeidi, H. 2016. Genetic diversity of Sorghum halepense (L.) Pers. in Iran as revealed by IRAP markers. Plant Genetic Resources, 14 (2), 132-141. https://doi.org/10.1017/S1479262115000167
Kimber, C. T. 2000. Origins of domesticated Sorghum and its early diffusion to India and China. Sorghum: Origin, history, technology, and production, 3-98.
Lin, Z., Hayes, B. J., & Daetwyler, H. D. 2014. Genomic selection in crops, trees and forages: a review. Crop and Pasture Science, 65 (11), 1177-1191. https://doi.org/10.1071/CP13363
Liu, K., & Muse, S. V. 2005. PowerMarker: an integrated analysis environment for genetic marker analysis. Bioinformatics, 21 (9), 2128-2129. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/bti282
Maqbool, S. B., Devi, P., & Sticklen, M. B. 2001. Biotechnology: Genetic improvement of sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench). In Vitro Cellular & Developmental Biology-Plant, 37 (5), 504-515. https://doi.org/10.1007/s11627-001-0089-8
Martiwi, I. N. A., Nugroho, L. H., Daryono, B. S., & Susandarini, R., 2020. Genotypic variability and relationships of Sorghum bicolor accessions from Java Island, Indonesia based on IRAP markers. Biodiversitas Journal of Biological Diversity, 21 (12). https://doi.org/10.13057/biodiv/d211220
Muraya, M. M., Geiger, H. H., Sagnard, F., Toure, L., Traore, P., Togola, S., de Villiers, S., & Parzies, H. K. 2012. Adaptive values of wild× cultivated sorghum (Sorghum bicolor (L.) Moench) hybrids in generations F1, F2, and F3. Genetic Resources and Crop Evolution, 59 (1), 83-93. https://doi.org/10.1007/s10722-011-9670-0
Nei, M., & Li, W. H. 1979. Mathematical model for studying genetic variation in terms of restriction endonucleases. Proceedings of the National Academy of Sciences, 76 (10), 5269-5273. https://doi.org/10.1073/pnas.76.10.5269
Peakall, R. O. D., & Smouse, P. E. 2006. GENALEX 6: genetic analysis in Excel. Population genetic software for teaching and research. Molecular Ecology Notes, 6 (1), 288-295. https://doi.org/10.1111/j.1471-8286.2005.01155.x
Robertson, A. 1961. Inbreeding in artificial selection programmes. Genetics Research, 2 (2), 189-194. https://doi.org/10.1017/S0016672300000690
Rohlf, F. J. 2000. NTSYS-pc: numerical taxonomy and multivariate analysis system, version 2.1., New York, Exeter Software.
Wasson, A. P., Richards, R. A., Chatrath, R., Misra, S. C., Prasad, S. S., Rebetzke, G. J., Kirkegaard, J. A., Christopher, J., & Watt, M. 2012. Traits and selection strategies to improve root systems and water uptake in water-limited wheat crops. Journal of Experimental Botany, 63 (9), 3485-3498. https://doi.org/10.1093/jxb/ers111

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار