ارزیابی تنوع مولکولی ژنوتیپ‌های گندم دوروم با استفاده از نشانگرهای RAPD و ISSR

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 سازمان نظام مهندسی کشاورزی و منابع طبیعی، همدان، ایران

2 موسسه تحقیقات کشاورزی دیم کشور، معاونت سرارود، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، کرمانشاه، ایران

چکیده

مقدمه:
آگاهی از میزان تنوع ژنتیکی در ژرم‌پلاسم­ها اطلاعات ارزشمندی را در جهت حفظ منابع ژنتیکی و کاربرد آنها را در اختیار به‌نژادگر قرار می­دهد. دانش بیشتر درباره تنوع ژنتیکی و عوامل ژنتیکی تنوع برای کشف ژن‌های جدید بسیار سودمند است.
مواد و روش:
این تحقیق با هدف ارزیابی تنوع ژنتیکی در 20 ژنوتیپ متنوع گندم دوروم شامل ارقام بومی، ارقام اصلاح شده و لاین­های اصلاحی با استفاده از 31 آغازگر RAPD و 13 آغازگر ISSR انجام گرفت.
یافته ­ها:
 بر اساس نتایج حاصل، ژنوتیپ­های مورد بررسی بر اساس هر دو نشانگر تنوع قابل توجهی داشتند. در تجزیه و تحلیل RAPD، 31 آغازگر 319 باند را تکثیر کردند که 204 باند از آنها چندشکل  بود و درصد نوارهای چندشکلی 94/63 درصد برآورد شد. در نشانگرهای ISSR، 13 آغازگر 125 باند تولید کردند که 88 باند از آنها چند شکل بود و درصد کل نوارهای چندشکل 4/70 درصد برآورد شد. برآورد تشابه ژنتیکی و تجزیه خوشه ای RAPD و ISSR با استفاده از ضرایب تشابه جاکارد انجام شد. مقادیر ضرایب تشابه جاکارد برای RAPD، از  22/0 تا 90/0 و برای ISSR از 22/0 تا 94/0 متغیر بود که نشان دهنده وجود تنوع ژنتیکی بالا در سطح مولکولی برای ژنوتیپ­های مورد بررسی بود. نتایج حاصل از تجزیه خوشه­ای و تجزیه به مختصات اصلی بر اساس هر یک از نشانگرهای RAPD و ISSR ژنوتیپ­ها را به چهار گروه تقسیم نمود. نتایج حاصل از این تحقیق نشان داد که نشانگرهای RAPD و ISSR، نشانگرهای مناسبی جهت مطالعات تنوع ژنتیکی در گندم دوروم می‌باشند. اما نشانگر ISSRبه‌دلیل تطابق بیشتر با منشأ جغرافیایی، تکرار پذیری بالا و هزینه یکسان با RAPD از ارجحیت بیشتری برخوردار است. نتایج نشان داد که الگوهای گروه­بندی ژنوتیپ‌های گندم دوروم عمدتاً به‌دلیل منشأ جغرافیایی آنها نیست. این نتایج بیانگر این است که گروه­بندی توده‌های متعلق به مناطق جغرافیایی مختلف در گروه‌های مشابه احتمالاً به دلیل جریان ژن در بین مناطق از طریق تبادل تدریجی گندم بین کشاورزان باشد، همچنین ممکن است به دلیل گزینش قبلی برای برخی از ویژگی های زراعی در توده های مورد استفاده برای تحمل به تنش‌های محیطی باشد.

نتیجه­ گیری
بر اساس نتایج به‌دست آمده از هر دو نشانگر، ژنوتیپ شماره 20 (Stj3//Bcr/lks4) رفتاری کاملاً متفاوت با بقیه ژنوتیپ‌ها داشت، به­طوریکه در بررسی به کمک هر یک از نشانگرها در گروهی جداگانه قرار گرفت. بنابراین می­توان از این ژنوتیپ به­عنوان یکی از والدین در تلاقی با سایر ژنوتیپ­ها در مطالعات آتی استفاده نمود.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluation of molecular diversity of durum wheat genotypes using RAPD and ISSR markers

نویسندگان [English]

  • Asieh Moradi 1
  • Reza Mohammadi 2
1 Agricultural and Natural Resources Engineering Organization, Hamedan, Iran
2 Dryland Agricultural Research Institute, Sararood Branch, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Kermanshah, Iran
چکیده [English]

Introduction: Knowledge of the amount of genetic diversity in germplasms provides plant breeders with valuable information for the effective preservation of genetic resources and their use. More knowledge about genetic diversity and genetic factors of diversity is very beneficial for exploring new genes. Maintaining such diversity and using it in breeding programs is one of the main principles of biological conservation and genetic breeding of crop plants.
Materials and methods: This research was conducted to evaluate the genetic diversity in 20 different durum wheat genotypes, including landraces, improved cultivars, and breeding lines using RAPD and ISSR molecular markers. In this research, 31 RAPD primers and 13 ISSR primers were used to evaluate the genetic diversity in durum wheat genotypes.
Results: Based on the results, the studied genotypes had significant diversity based on both molecular markers. In RAPD analysis, 31 primers amplified 319 bands, of which 204 bands were polymorphic and the percentage of polymorphic bands was estimated at 63.94%. In ISSR markers, 13 primers produced 125 bands, of which 88 bands were polymorphic and the total percentage of polymorphic bands was estimated at 70.4%. Genetic similarity and cluster analysis of RAPD and ISSR were estimated using the Jaccard coefficient. For RAPD, the similarity index values ​​ranged from 0.22 to 0.90, and for ISSR from 0.22 to 0.94, which indicated the presence of high genetic diversity at the molecular level for the studied genotypes. The results of cluster analysis and principal coordinate analysis based on each of the RAPD and ISSR markers grouped genotypes into four groups. The results of the research showed that RAPD and ISSR markers are suitable markers for genetic diversity studies in durum wheat. But the ISSR marker is preferable due to its greater compatibility with the geographical origin, high reproducibility, and the similar cost as RAPD. The results showed that the grouping patterns of durum wheat genotypes are not mainly due to their geographical origins. 
The results indicated that the grouping of populations in different geographical regions in similar groups is probably due to the gene flow between regions through the gradual exchange of grains between farmers. This could also be due to the previous selection for sum agronomical traits in the populations for tolerance to environmental stresses.
Conclusion: Based on both markers, genotype # 20 (Stj3//Bcr/lks4) showed a different response from the other genotypes, so it was placed in a separate group in the analysis based on each of the markers. Therefore, this genotype can be used as one of the parents in crossing with other genotypes in subsequent studies.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Durum wheat
  • cluster analysis
  • ISSR marker
  • RAPD marker

مراجع

Aghaee-Sarbarzeh, M. 2012. Variation of agronomic traits in durum wheat genotypes. Seed and Plant Journal, 28 (3), 481-502. [In Persian] doi: 10.22092/spij.2017.111121
Bevan, M. W., & Uauy, C. 2013. Genomics reveals new landscapes for crop improvement. Genome Biology, 14, 206.
Cao, W., Hucl, P., Scoles, G., & Chibbar, R.N. 1998. Genetic diversity within spelta and macha wheats based on RAPD analysis. Euphytica, 104, 181–189. https://doi.org/10.1023/A:1018628102650
Carvalho, A., Guedes-Pinto, H.,  & Lima-Brito J. 2009. Genetic diversity among old Portuguese bread wheat cultivars and botanical varieties evaluated by ITS rDNA PCR-RFLP markers. Journal of Genetics, 88 (3), 363-367.
Cavanagh, C. R., Chao, S., Wang, S., Huang, B. E., Stephen, S., Kianic, S., Forrest, K., Saintenac, C., Brown-Guedira, G. L., Akhunov, A., See, D., Bai, G., Pumphrey, M., Tomar, L., Wong, D., Kong, S., Reynolds, M., Lopez da Silvak, M., Bockelman, M., Talbert, L., Anderson, J. A., Dreisigacker, S., Baenziger, S., Carter, A., Korzun, V., Morrell, P. L., Dubcovsky, J., Morella, M. K., Sorrells, M. E., Hayden, M. J., & Akhunov, E. 2013. Genome-wide comparative diversity uncovers multiple targets of selection for improvement in hexaploid wheat landraces and cultivars. The Proceedings of the National Academy of Sciences, 110, 8057–8062.
Dellaporta, S.L., Wood, J., & Hicks, J.B. 1983. A plant DNA mini preparation: version II. Plant Molecular Biology Reporter, 1, 19–21.
Fufa, H., Baenziger, P., Beecher, B., Dweikat, I., Graybosch, R., & Eskridge, K. 2005. Comparison of phenotypic and molecular marker-based classifications of hard red winter wheat cultivars. Euphytica, 145, 133-146.
Grewal, S., Kharb, P. Malik, R., Jian, S., & Jain, R. K. 2007.  Assessment of genetic diversity among some Indian wheat cultivars using random amplified polymorphic DNA (RAPD) markers. Indian Journal of Biotechnology, 6 (1), 18–23.
Gupta, P. K., Mir, R. R., Mohan, A., & Kumar, J. 2008. Wheat Genomics: Present Status and Future Prospects. International Journal of Plant Genomics, 896451.
Habash, D., Kehel, Z. & Nachit, M. 2009. Genomic approaches for designing durum wheat ready for climate change with a focus on drought. Journal of Experimental Botany, 60: 2805-2815.
Hayden, M., Tabone, T., Nguyen, T., Coventry, S., Keiper, F., Fox, R., Chalmers, K., Mather, D., & Eglinton, J. 2009. An informative set of SNP markers for molecular characterization of Australian barley germplasm. Crop and Pasture Science, 61 (1), 70–83.
Hou, Y.C., Yan, Z.H., Wei, Y.M., & Zheng Y.L. 2005. Genetic diversity in barley from west China based on RAPD and ISSR analysis. Barley Genetics Newsletter, 35,  9–22.
Hu, X., Ren, J., Ren, X., Huang, S., Sabiel, S. A., Luo, M., Nevo, E., Fu, C., Peng, J., & Sun, D. 2015. Association of agronomic traits with SNP markers in durum wheat (Triticum turgidum L. durum (Desf.)). PLoS ONE, 10, e0130854.
Jana, S. 1999. Some recent issues on the conservation of crop genetic resources in developing countries. Genome, 42, 562–569.
Kabbaj, H., Sall, A. T., Al-Abdallat, A., Geleta, M., Amri, A., Filali-Maltouf, A., Belkadi, B., Ortiz, R., & Bassi, F. M. 2017. Genetic diversity within a global panel of durum wheat (Triticum durum) landraces and modern germplasm reveals the history of alleles exchange. Frontiers in Plant Science, 8, 1277.
Karaca, M., &  Izbirak, A. 2008. Comparative analysis of genetic diversity in Turkish durum wheat cultivars using RAPD and ISSR markers. Journal of Food Agriculture and Environment, 6 (3), 219–225.
Kresovich, S., Szewc-McFadden, A., Bliek S., & McFerson, J. 1995. Abundance and characterization of simple sequence repeats (SSRs) isolated from a size-fractionated genomic library of Brassica napus L. (rape seed). Theoretical and Applied Genetics, 91, 206–211.
Marcotuli, I., Houston, K., Waugh, R., Fincher, G. B., Burton, R. A., Blanco, A., & Gadaleta, A. 2015. Genome wide association mapping for arabinoxylan content in a collection of tetraploid wheats. PLoS ONE, 10 (7), e0132787.
Mengistu, D. K., Kiros, A. Y., & Pè, M. E. 2015. Phenotypic diversity in Ethiopian durum wheat (Triticum turgidum var. durum) landraces author links open overlay panel. The Crop Journal, 3(3), 190–199.
MirMohammadi Maibody, S. A. M., & Golkar, P. 2019. Application of DNA molecular markers in plant breeding (Review article). Plant Genetic Researches, 6 (1), 1–30 [In Persian].
Mohammadi, R., & Amri, A. 2022. Assessment of the suitability of Triticum turgidum accessions for incorporation into a durum wheat breeding program. Euphytica, 218, 70. https://doi.org/10.1007/s10681-022-03024-w
Mohammadi, R., Cheghamirza, K., Geravandi, M., & Abbasi, S. 2022. Assessment of genetic and agro-physiological diversity in a global durum wheat germplasm. Cereal Research Communications, 50, 117–126.
Okuno, K., Ebana, K., Noov, B., & Yoshida, H. 1998. Genetic diversity of Central Asian and north Caucasian Aegilops species as revealed by RAPD markers. Genetic Resources and Crop Evolution, 45, 389–394.
Pasqualone, A., Lotti, C., Bruno, A., De Vita, P., Di Fonzo, N., & Blanco, A. Use of ISSR markers for cultivar identification in durum wheat. In: Royo C. (ed.), Nachit M. (ed.), Di Fonzo N. (ed.), Araus J.L. (ed.). Durum wheat improvement in the Mediterranean region: New challenges. Zaragoza: CIHEAM, 2000. p. 157-161 (Options Méditerranéennes: Série A. Séminaires Méditerranéens; n. 40).
Peng, J., Bai, Y., Haley, S., & Lapitan, N. 2009. Microsatellite-based molecular diversity of bread wheat germplasm and association mapping of wheat resistance to the Russian wheat aphid. Genetica, 135, 95–122.
Rajaram, S. 2010. International Wheat Breeding. The Proceeding of 11th Iranian Crop Science Congress: Crop Production, Pp 225–238.
Randhawa, H. S., Asif, M., Pozniak, C., Clarke, J. M., Graf, R. J., Fox, S. L., Humphreys, D. G., Knox, R. E., DePauw, R. M., Singh, A. K., Cuthbert, R. D., Hucl, P., & Spaner, D. 2013. Application of molecular markers to wheat breeding in Canada. Plant Breeding, 132, 458–471.
Wang, A., Yu, Z., & Ding, Y. 2009. Genetic diversity analysis of wild close relatives of barley from Tibet and the Middle East by ISSR and SSR markers. Comptes Rendus Biologies, 332, (4), 393–403.
Williams, J. G. K., Kubelik, A. R., Livak, K. J., Rafalski, J. A., & Tingey, S. V. 1990. DNA polymorphisms amplified by arbitrary primers are useful as genetic markers. Nucleic Acids Research, 18 (22), 6531–5.
Xynias, I. N., Mylonas, I., Korpetis, E. G., Ninou, E., Tsaballa, A., Avdikos, I. D., & Mavromatis, A. G. 2020. Durum wheat breeding in the Mediterranean region: Current status and future prospects. Agronomy, 10, 432.
Yang, X., Tan, B., Liu, H., Zhu, W., Xu, L., Wang, Y., Fan, X., Sha, L., Zhang, H., Zeng, J., Wu, D., Jiang, Y., Hu, X., Chen, G., Zhou, Y., & Kang, H. 2020. Genetic diversity and population structure of Asian and European common wheat accessions based on genotyping-by-sequencing. Frontiers in Genetics, 11, 580782.
Yousef, G. G., & Juvik, J. A. 2001. Comparison of phenotypic and marker-assisted selection for quantitative traits in sweet corn. Crop Science, 41, 645–655.
Zietkiewicz, E., Rafalski, A., & Labuda, D. 1994. Genome fingerprinting by simple sequence repeat (SSR)-anchored polymerase chain reaction amplification. Genomics, 20,176–183.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار