مکان‌یابی QTL‌های کنترل کننده صفات مرتبط با برگ پرچم و پدانکل در گندم دوروم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه رازی، کرمانشاه ، ایران.

2 مرکز تحقیقات غلات، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

3 استادیار گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، پردیس کشاورزی و منابع طبیعی، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

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

5 گروه علوم و مهندسی خاک، دانشگاه رازی، کرمانشاه، ایران

چکیده

مقدمه: در بین غلات گندم دوروم (Triticum turgidum L. var. durum) پس از گندم نان یکی از مهم­ترین منابع پروتئین و انرژی است و در اکثر کشورهای جهان نقش عمده­ای در تغذیه انسان دارد.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه به‌منظور شناسایی و مکان­یابی جایگاه­های ژنی کنترل کننده صفات مرتبط با برگ پرچم و پدانکل، 118 رگه درون­زاد نوترکیب گندم دوروم حاصل از تلاقی بین ژنوتیپ بومی ایران-249 با منشاء غرب ایران و رقم بومی زردک با منشاء کرمانشاه در سه محیط تحت شرایط دیم و با استفاده از طرح بلوک­های کامل تصادفی با سه تکرار به همراه والدین ارزیابی شدند. تجزیه QTL برای هر صفت با استفاده از روش مکان‌یابی فاصله‌ای مرکب فراگیر برای شناسایی مناطق ژنومی که تأثیر قابل توجهی بر صفات مورد مطالعه داشتند، انجام شد.
یافته‌ها: براساس نتایج تجزیه واریانس، اثر ژنوتیپ­ (رگه درون­زاد) از نظر صفات مرتبط با برگ پرچم و پدانکل در هر سه محیط مورد مطالعه معنی‌دار بود که نشان‌دهنده سطوح مناسبی از تنوع ژنتیکی در جمعیت مورد بررسی برای صفات مطالعه شده می­باشد. نتایج تجزیه QTL با استفاده از روش مکان‌یابی فاصله‌ای مرکب فراگیر منجر به شناسایی 33 عدد QTL برای صفات مورد بررسی شد. QTLهایی QTLهای مرتبط با صفات طول و قطر پدانکل بر روی کروموزوم­های 1A، 1B.1، 2B.1 و 5A و QTLهای مرتبط با صفت طول برگ پرچم، عرض برگ پرچم و سطح برگ پرچم بر روی کروموزوم­های 2A، 5A و 7A به صورت مشترک و پایدار در حداقل دو محیط مکان­یابی شدند. شناسایی QTLهای تکرارپذیر در محیط­های مورد مطالعه برای صفات مرتبط با برگ پرچم و پدانکل، می‌تواند بیانگر وجود نواحی ژنومی مرتبط و پایدار با این صفات ­باشد. از طرفی، همبستگی مثبت و معنی‎دار بین صفات مشاهده شد که احتمالاً به علت پیوستگی یا اثر پلیوتروپیک QTLهای کنترل کننده آنها باشد. بر اساس نتایج تجزیه QTL به روش دو لوکوسی اثر اصلی افزایشی و همچنین اثر متقابلQTL  × محیط برای همه صفات اندازه گیری شده بجز صفات قطر میانه و پایین پدانکل معنی­دار بود. در مجموع شش مکان ژنی با اثرات اپیستازی معنی­دار افزایشی× افزایشی، برای صفات سطح برگ پرچم  و قطر بالای پدانکل شناسایی شدند.
نتیجه‌گیری: شناسایی و مکان­یابی QTLهای پایدار و تکرارپذیر در محیط‌های مختلف برای برخی از صفات مرتبط با برگ پرچم و پدانکل می‌تواند به درک بهتر پتانسیل و اساس ژنتیکی این صفات جهت استفاده در برنامه‌های به‌نژادی گندم دوروم به‌ویژه در پروژه‌های انتخاب به کمک نشانگر کمک نماید.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Localization genes controlling traits related to flag-leaf and peduncle in durum wheat

نویسندگان [English]

  • Roghayeh Naseri 1
  • Kianoosh Cheghamirza 1 2
  • Leila Zarei 3 2
  • Reza Mohammadi 4
  • Ali Beheshti Aleagha 5
1 Department of Plant Production and Genetics, Campus of Agriculture and Natural Resources, Razi University, Kermanshah, Iran.
2 Department of Plant Production and Genetics, Campus of Agriculture and Natural Resources, Razi University, Kermanshah, Iran.|Cereal Research Center, Razi University, Kermanshah, Iran
3 Assistant Professor, Department of Production Engineering and Plant Genetics, College of Agriculture and Natural Resources, University of Razi, Kermanshah, Iran|Cereal Research Center, Razi University, Kermanshah, Iran
4 Dryland Agricultural Research Institute, Sararood Branch, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Kermanshah, Iran
5 Department of Soil Science, Razi University, Kermanshah, Iran
چکیده [English]

Introduction: Among cereals, durum wheat (Triticum turgidum L. var. durum) is one of the most important protein and energy sources after bread wheat. It has a significant role in human nutrition in most countries.
Materials and methods: In this study, in order to identify and localization of QTLs controlling traits related to flag leaf and peduncle, 118 durum wheat recombinant inbred lines obtained from the cross between the local genotype of Iran-249 originated from the west of Iran and the local cultivar of Zardak from Kermanshah were evaluated in three environments under rainfall conditions using randomized complete block design along with parents in three replications. QTL analysis for each trait was performed using the inclusive composite interval mapping method to identify genomic regions that significantly affected the studied traits.
Results: Based on the analysis of variance, the effect of genotype (recombinant inbred line) was significant in terms of traits related to flag leaf and peduncle in three environments, which indicates the existence of appropriate levels of genetic diversity in the studied population for measured traits. The results of QTL analysis using the inclusive composite interval mapping method led to the identification of 33 QTL for the measured traits. The common and stable QTLs were located in at least two environments on chromosomes 1A, 1B.1, 2B.1 and 5A for peduncle length and diameter traits and on chromosomes 2A, 5A and 7A for flag leaf length, flag leaf width and flag leaf area. Identification of repeatable QTLs in the different environments can indicate the existence of stable genomic regions related to flag leaf and peduncle. On the other hand, a positive and significant correlation was observed between the traits, probably due to the linkage or pleiotropic effect of their controlling QTLs. Also, based on QTL analysis using the two-locus method, the additive main effect, as well as the interaction effect of the QTL× environment, was significant for all traits except for the middle and bottom peduncle diameter. In total, six gene loci with significant additive× additive epistasis effects were identified for the flag leaf area-related traits and top peduncle diameter.
Conclusion: Identification and localization of stable QTLs in different environments for some traits related to flag leaf and peduncle can assist in understanding better the genetic basis of these traits to be used in breeding programs, especially in MAS projects.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Additive effects× environment
  • durum wheat
  • flag leaf
  • peduncle
  • QTL analysis

مراجع

Cassman, K. G., Dobermann, A., Walters, D. T., & Yang, H. 2003. Meeting cereal demand while 889 protecting natural resources and improving environmental quality. Annual Review of Environment and Resources, 28, 315-358. http://dx.doi.org/10.1146/annurev.energy.28.040202.122858
Colasuonno, P., Marcotuli, I., Gadaleta, A., & Soriano, J. M. 2021. From genetic maps to QTL cloning: an overview for durum wheat. Plants, 10 (2), 315-326. 10.3390/plants10020315
Darvasi, A., & Soller, M. 1997. A simple method to calculate resolving power and confidence interval of QTL map location. Genetics. 27, 125–132. 10.1023/A:1025685324830
Desiderio, F., Zarei, L., Licciardello, S., Cheghamirza, K., Farshadfar, E., Virzi, N., Fabiola Sciacca, F., Bagnaresi , P., Battaglia , R., Guerra , D., Palumbo , M., Luigi , C., Mazzucotelli , E. 2019. Genomic Regions from an Iranian Landrace Increase Kernel Size in Durum Wheat. Frontier Plant Science, 10, 448-451. 10.3389/fpls.2019.00448
Fan, X., Liu, X., Cui, F, Zhao, C.H., Zhao, C. Tong, Y., & Li, J. 2015. QTLs for fag leaf size and their infuence on yield-related traits in wheat (Triticum aestivum L.). Molecular Breeding, 35, 1-24. 10.1007/s11032-015-0205-9
Farokhzadeh, S., Fakheri, B.A., Mahdi Nezhad, N., Tahmasebi, S., & Mirsoleimani, A. 2019. Mapping QTLs of flag leaf morphological and physiological traits related to aluminum tolerance in wheat (Triticum aestivum L.). Physiology Molecular and Biology Plants,  25 (4), 975–990. 10.1007/s12298-019-00670-8
Gauley, A., & Boden, S. A. 2019. Genetic pathways controlling inflorescence architecture and development in wheat and barley. Journal Integrative Plant Biology, 61(3), 296–309. 10.1111/jipb.12732
Giunta, F., DeVita, P., Mastrangelo, A. M., Sanna, G., & Motzo, R. 2018. Environmental and genetic variation for yield-related traits of durum wheat as affected by development. Frontier Plant Science, 9 (8), 1-19. 10.3389/fpls.2018.00008
Graziani, M., Maccaferri, A. M., Royo, A. C., Salvatorelli, A., & Tuberosa, R. 2014. QTL dissection of yield components and morpho-physiological traits in a durum wheat elite population tested in contrasting thermo-pluviometric conditions. Crop and Pasture Science, 65, 80–95. 10.1071/CP13349
Huang, S., Sun, L., Hu, X., Wang, Y., Zhang, Y., Nevo, E., Peng, J., & Sen, D. 2018. Associations of canopy leaf traits with SNP markers in durum wheat (Triticum turgidum L. durum (Desf.)). PLoS ONE, 13 (10), 1-14. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0206226
International Grains Council (IGC). 2020. World grain statistics 2016 [Online]. Available: 1051 https://www.igc.int/en/subscriptions/subscription.aspx [Accessed 05/21/2020].
Joehanes, R., & Nelson, J. 2008. QGene 4.0, an extensible Java QTL-analysis platform. Bioinformatics, 24 (23), 2788–2789.
Jia, H., Wan, H., Yang, S., Zhang, Z., Kong, Z., Xue, S., Zhang., L., & Ma., Zh. 2013.Genetic dissection of yield-related traits in a recombinant inbred line population created using a key breeding parent in China’s wheat breeding. Tagtheoretical & Applied Geneticstheoretische Und Angewandte Genetik, 126, 2123–2139. 10.1007/s00122-013-2123-8
Li, J.H., Li, G.H., Zhang, Y.G., Luo, Q.R., Yang, C.D., Wang, S.H.,  Zhenghui, L.,  Qiangsheng, W., & Yanfeng, D. 2009. Effects of precise and quantitative cultivation on plant type and yield of rice in high altitude and cold ecological area. Scientia Agricultural Sinica, 42, 3067–3077. Corpus ID: 127220130
Liu, Y., Tao, Y., Wang, Z., Guo, Q., Wu, F., Yang, X., Deng, M., Ma, J., Chen, G., Yuming, W.,  & Zheng, Y. 2018. Identification of QTL for flag leaf length in common wheat and their pleiotropic effects. Molecular Breeding, 38, 11-18. https://doi.org/10.1007/s11032-017-0766-x
Maccaferri, M., Ricci, A., Salvi, S., Milner, S. G., Noli, E., Martelli, P. L., Rita Casadio, R., Akhunov, E., Scalabrin, S., Vendramin, V., Ammar, K., Blanco, A., Desiderio, F., Distelfeld, A., Dubcovsky, J., Fahima, T., Faris,J., Korol, A., Massi, A., Maria, A., Mastrangelo, A., Morgante, M., Pozniak, C., N'Diaye, A., Xu, S., & Tuberosa, R. 2015. A high-density, SNP-based consensus map of tetraploid wheat as a bridge to integrate durum and bread wheat genomics and breeding. Plant Biotechnology, 13, 648–663. 10.1111/pbi.12288
Maccaferri, M., Sanguineti, M. C., Corneti, S., Ortega, J. L. A., BenSalem, M., Bort, J., DeAmbrogio, E., 2008. Quantitative trait loci for grain yield and adaptation of durum wheat (Triticum durum Desf.) across a wide range of water availability. Genetics, 78 (1), 489–511. 10.1534/genetics.107.077297
Me´rida-Garc´ıa, R., Liu, G., He, S., GonzalezDugo, V., Dorado, G., Ga´lvez, S., Ignacio Solís, L., Zarco-Tejada, P. J., Reif, J. C., & Hernandez, P. 2019. Genetic dissection of agronomic and quality traits based on association mapping and genomic selection approaches in durum wheat grown in southern Spain. PLoS ONE, 14(2), 1-24. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0211718
Nigro, D., Fortunato, S., Giove, S.L., Mazzucotelli, E., & Gadaleta A. 2020. Functional Validation of Glutamine syntheses and Glutamate Synthase Genes in Durum Wheat near Isogenic Lines with QTL for High GP. International Journal Molecular Science, 21 (9253), 1-17. 10.3390/ijms21239253
Nyquist, W.E. 1991. Estimation of Heritability and Prediction of Selection Response in Plant Populations. Critical Reviews in Plant Science, 10, 235-322. https://doi.org/10.1080/07352689109382313
Roncallo, P., Pavan, F. Akkiraju, C., Gerardo, L. Viviana, C., & Echenique, C. 2018. QTL mapping and analysis of epistatic interactions for grain yield and yield-related traits in Triticum turgidum L. var. durum. Euphytica, 213, 277-297. 10.1007/s10681-017-2058-2
Sabouri, H., Alegh, S.M., Sahranavard, N., & Sanchouli, S. 2022. SSR linkage maps and identification of QTL controlling morpho-phenological traits in two Iranian wheat RIL populations. BioTechnology, 11 (32), 1-20. 10.3390/biotech11030032
SAS, Institute. 2008. Statistical Analytical Systems SAS/STAT User’s Guide. Version 8(2), SAS Institute Inc., Cary.
Sen, S., & Churchill, G. A. 2001. A statistical framework for quantitative trait mapping. Genetics, 159, 371–387. 10.1093/genetics/159.1.371
Wang, J., Liu, H., Zhao, C., Tang, H., Mu, Y., Xu, Q., Xu, Q., Deng, M., Jiang, Q., Chen, G., Qi, P., Wang, J., Jiang, Y., Chen, Sh., Wei, Y., Zheng,Y., Lan, X., & Ma, J. 2022. Mapping and validation of major and stable QTL for flag leaf size from tetraploid wheat. Plant Genome, 15, 1-17. https://doi.org/10.1002/tpg2.20252
 Wang , T., Su ,N.,  Lu , J., Zhang , R., Sun , X., & Weining, S. 2023. Genome-wide association studies of peduncle length in wheat under rain-fed and irrigating field conditions. Journal Plant Physiology, 280-292. 10.1016/j.jplph.2022.153854
Yan, X., Wang, S., Yang, B., Zhang, W., Cao, Y., Shi, Y., Sun, D., & Jing, R. 2020. QTL mapping for flag leaf related traits and genetic effect of QFLW-6A on flag leaf width using two related introgression line populations in wheat. PLoS ONE, 15 (3), 1-15. 10.1371/journal.pone.0229912
Yu, H., Liu, Y., Zou, Z., Sun, X., Zhang, J., Song, Sh., Lijie Wang, L., Qin, R., Sun, H., Cui, F., Zhao, Ch & Shi, S. 2022. QTL detection for internode diameter and its association with yield-related traits in wheat. Cereal Research Communications, 1-18. 10.1007/s42976-022-00283-0
Zarei, L. 2011. Mapping QTLs related to drought tolerance in durum wheat (Triticum turgidum var durum. (Ph.D. Thesis). Razi University.
Zhou, Y., Conway, B., Miller, D., Marshall, D., Cooper, A., Murphy, P., & Costa, J. 2017. Quantitative trait loci mapping for spike characteristics in hexaploid wheat. The Plant Genome, 10 (2), 1-16. 10.3835/plantgenome2016.10.0101

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار