بررسی ویژگی های ژنتیکی صفات آگروفیزیولوژیکی و سیستم دفاع آنتی اکسیدان هیبرید ذرت (SC01) از گروه متوسط‌رس

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

2 دانشیار ، گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

3 استادیار پژوهش، بخش تحقیقات علوم زراعی و باغی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان اردبیل (مغان)

4 استاد، گروه بیوتکنولوژی کشاورزی، دانشکده علوم کشاورزی، دانشگاه گیلان، رشت، ایران

5 استادیار بخش تحقیقات زیست‌فناوری،‌ موسسه تحقیقات جنگل‌ها و مراتع کشور، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، تهران، ایران

چکیده

مقدمه: با توجه‌ به‌ نیاز روزافزون‌ به‌ مواد غذایی‌ به‌ لحاظ‌ افزایش‌ جمعیت‌ و محدود بودن‌ زمین‌های قابـل‌ کشـت‌، نقـش‌ افزایش‌ تولید از طریق‌ اصلاح‌نباتات‌ بدیهی‌ است‌. ذرت یکی از مهم‌ترین محصولات کشاورزی در جهان است. این محصول یکی از منابع اصلی غذا برای انسان­ها و حیوانات است و همچنین برای تولید زیست‌توده و محصولات زیستی استفاده می‌شود. هتروزیس،‌ که به‌ افزایش‌ بنیه‌ هیبرید نسبت‌ به‌ والدین‌ اطلاق‌ می‌شود، مـی‌تـواند‌ به افزایش تولید محصول کمک کند. هیبریدهای ذرت، که از تلاقی دو یا چند لاین خالص ایجاد می‌شوند، عملکرد بالاتری نسبت به ذرت‌های خالص دارند. بنابراین‌، مطالعه‌ حاضر با هدف‌ برآورد هتروزیس‌ و ارزیابی‌ ضریب‌ تغییرات‌ فنوتیپی‌، ژنتیکی‌ و برآورد وراثت‌پذیری در هیبرید­های ذرت اجرا گردید.
مواد و روش‌ها: مواد گیاهی شامل والد مادری(MS02) ، والد پدری (TS01) و نتاج SC01 که طی سال زراعی 1402 در مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان اردبیل (مغان) در قالب طرح پایه بلوک­های کامل تصادفی در چهار تکرار مورد ارزیابی مزرعه­ای قرار گرفتند. صفات آگروفیزیولوژیکی شامل ارتفاع بوته، عملکرد دانه، میزان رنگ‌دانه، هدایت روزنه‌ای و فلورسانس کلروفیل و صفات سیستم دفاع آنتی اکسیدان شامل پرولین، پلی فنول، مالون دی آلدئید، پراکسید هیدروژن و پروتئین محلول و آنزیم­های آنتی اکسیدان شامل ﺳﻮﭘﺮﺍﻛﺴﻴﺪ ﺩﻳﺴﻤﻮﺗﺎﺯ (SOD)، ﭘﺮﺍﻛﺴﻴﺪﺍﺯ (POX)  ﻭ ﻛﺎﺗﺎﻻﺯ (CAT) بودند. از تجزیـه‌ واریـانس‌ برای بـرآورد ضریب‌ تغییرات‌ فنوتیپی‌، ضریب‌ تغییرات‌ ژنتیکی‌ و  وراثت‌پذیری عمومی استفاده گردید و ‌هتروزیس‌ بر اساس‌ میانگین‌ والدین‌ و والد برتر محاسبه شد.
یافته‌ها: نتایج‌ تجزیه‌ واریانس‌ تفاوت‌ معنی‌داری میان‌ ژنوتیپ‌ها (MS02× TS01; SC01) از لحاظ‌ صفات‌ مورد بررسی‌ نشان‌ داد. تفاوت ژنوتیپ‌ها برای تمام‌ صفات‌ آگروفیزیولوژی و سیستم دفاع آنتی‌اکسیدان به جز کلروفیل a، Fm،  Fvو  Fv/Fm معنی‌دار بود. نتایج نشان داد که از بین صفات مورد مطالعه فلورسانس کلروفیل Fm  و میزان پراکسید‌هیدروژن دارای بیشترین مقادیر میانگین، واریانس خطا، واریانس ژنتیکی و واریانس فنوتیپی در مقایسه با سایر صفات مورد مطالعه بودند. آنزیم CAT نیز از بین آنزیم­های آنتی‌اکسیدان دارای بیشترین مقادیر واریانس خطا، واریانس ژنتیکی، واریانس فنوتیپی، ضریب تنوع ژنتیکی و فنوتیپی در مقایسه با سایر صفات مورد مطالعه بود. نتایج این تحقیق نشان می‌دهد که هتروزیس می‌تواند به­طور قابل توجهی صفات مورفولوژیکی هیبرید F1 (SC01) را بهبود ببخشد. همچنین، واریانس ژنوتیپی بالا برای اکثر صفات نشان‌‌دهنده پتانسیل بالای بهبود این صفات از طریق اصلاح نبات است. دامنه تغییرات هتروزیس نسبت به میانگین والدین بین صفات مورد ازریابی بین 04/0- تا 19/95 بود که نشان از تنوع میزان هتروزیس در بین صفات مورد ازریابی در هیبرید SC01 داشت.
نتیجه‌گیری: با توجه‌ به‌ تنوع‌ مشاهده‌ شده‌ در این‌ پژوهش‌ که‌ نشان‌دهنده‌ وجـود آلل­های با اثر غالبیت در صـفات‌ آگروفیزیولوژیکی و صفات مربوط به سیستم دفاع آنتی‌اکسیدانی‌ اسـت‌ و همچنین‌، وجود تنوع و وراثت­پذیری مطلوب در صفات آگروفیزیولوژیکی و سیستم دفاع آنتی اکسیدان‌، نشان از اختلاف بین لاین­های مادری و پدری هیبرید SC01 است. چنین به­نظر می­رسد که استفاده از صفات آگروفیزیولوژیکی و سیستم دفاع آنتی اکسیدان می­تواند در تعیین برترین تلاقی جهت بهره­مندی حداکثری از هتروزیس در ذرت مفید باشد. هتروزیس مشاهده شده فرصتی برای توسعه هیبریدهای جدید با عملکرد و کیفیت بهتر فراهم می­کند. انتخاب ژنوتیپ­های با آلل­های مطلوب و والدین مناسب با تنوع ژنتیکی بالا، استراتژی موثری برای اصلاح ذرت هیبرید به شمار می­آید و می­تواند به افزایش عملکرد دانه و بهبود کارایی فتوسنتز منجر شود.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

The Study of Genetic Characteristics of Agrophysiological Traits and Antioxidant Defense System in Maize Hybrid (SC01) from Medium Maturity Group

نویسندگان [English]

  • yeganeh shafiei 1
  • Mohammad Mohsenzadeh Golfazani 2
  • sajjad Moharramnejad 3
  • Habibullah Samizadeh Lahiji 4
  • Farzad Banaei Asl 5
1 Department of Agricultural Biotechnology, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran
2 Associate Professor, Department of Plant Biotechnology, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran.
3 Research Assistant Professor, Agricultural and Horticultural Science Research Department, Agricultural and Natural Resources Research and Training Center of Ardabil Province (Moghan),
4 Professor, Department of Plant Biotechnology, Faculty of Agricultural Sciences, University of Guilan, Rasht, Iran
5 Biotechnology Research Department, Research Institute of Forests and Rangelands, Agricultural Research, Education and Extension Organization, Tehran, Tehran, Iran
چکیده [English]

Introduction: Given the increasing demand for food due to population growth, besides the limited availability of arable land, the role of increasing production through plant breeding is evident. Maize is one of the key agricultural products in the world, a primary food source for humans and animals, and also used for biomass and bio-product production. Referring to the increased vigor of hybrids compared to their parents' heterosis can help to increase crop yields. Maize hybrids produced by crossing two or more pure lines have higher yields than pure maize. Therefore, the present study aimed to estimate heterosis and evaluate the coefficient of phenotypic and genetic variations and heritability in maize hybrids.
Materials and methods: The plant materials included the maternal parent (MS02), the paternal parent (TS01), and the SC01 offspring evaluated during the 2023 growing season at the Agricultural and Natural Resources Research and Education Center of Ardabil Province (Moghan) in a randomized complete block design with four replications. Agrophysiological traits included plant height, grain yield, pigment content, stomatal conductance, and chlorophyll fluorescence, antioxidant defense system traits included proline, polyphenols, malondialdehyde, hydrogen peroxide, soluble protein, and antioxidant enzymes, including superoxide dismutase (SOD), peroxidase (POX), and catalase (CAT). Analysis of variance (ANOVA) was performed to estimate the coefficients of phenotypic and genetic variations, general heritability, and heterosis based on the mean of parents and the superior parent.
Results: The analysis of variance showed significant differences among the genotypes (MS02×TS01; SC01) in terms of the studied traits. The difference between genotypes was significant for all agro-physiological traits and antioxidant defense systems except for chlorophyll a, Fm, Fv and Fv/Fm. According to the results, among the studied traits, chlorophyll fluorescence (Fm) and hydrogen peroxide content had the highest mean values, error variance, genetic variance, and phenotypic variance compared to the other traits. Moreover, the CAT enzyme had the highest error variance, genetic variance, phenotypic variance, genetic diversity coefficient, and phenotypic diversity coefficient among the antioxidant enzymes. These results indicate that heterosis could significantly improve the morphological traits of F1 hybrid maize (SC01). Furthermore, high genotypic variance for most traits shows a high potential for improving these traits through plant breeding. The range of heterosis variations (relative to the mean of parents) among the evaluated traits was between -0.04 and 95.19, indicating the diversity of heterosis levels among the evaluated traits in the SC01 hybrid.
Conclusion: Given the observed diversity in the present study, indicating the presence of alleles with dominance effects in agro-physiological traits and traits related to the antioxidant defense system, as well as the desirable diversity and heritability in agro-physiological traits and antioxidant defense systems, there are differences between the maternal and paternal lines of the SC01 hybrid. It seems that using agro-physiological traits and antioxidant defense systems may be useful in determining the best crosses to maximize heterosis in maize. The observed heterosis provides an opportunity to develop new hybrids with better performance and quality. Selecting genotypes with desirable alleles and suitable parents with high genetic diversity is an effective strategy for hybrid maize breeding that may result in increased grain yield and improved photosynthetic efficiency.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Antioxidant Enzymes
  • Analysis of Variance (ANOVA)
  • Physiological Traits
  • Morphological Traits
  • Heritability
  • Heterosis

مراجع

Adhikari, A., Ibrahim, A. M., Rudd, J. C., Baenziger, P. S., & Sarazin, J. B. 2020. Estimation of heterosis and combining abilities of US winter wheat germplasm for hybrid development in Texas. Crop science, 60 (2),.788-803. http://dx.doi.org/10.1002/csc2.20020
Ahmadi, A., Ehsanzadeh, P., & Jabbari, F. 2009. Introduction to plant physiology. Tehran University Press (translated). 651,.300-302. (In Persian)
Akel, W., Rapp, M., Thorwarth, P., Würschum, T., & Longin, C.F.H. 2019. Hybrid durum wheat: heterosis of grain yield and quality traits and genetic architecture of anther extrusion. Theoretical and Applied Genetics, 132,.921-932. http://dx.doi.org/10.1007/s00122-018-3248-6
Anonymous. 2023. https://amar.maj.ir/page-amar/FA/65/form/pId3352. (In Persian).
Berlan, J.P. 2021. Hybrid maize beyond heterosis: reading George Shull’s hybrid Maize articles (1908–1909). Journal of Genetics, 100 (2), 72. http://dx.doi.org/10.1007/BF00018060
Birchler, J.A., Auger, D.L., & Riddle, N.C. 2003. In search of the molecular basis of heterosis. The Plant Cell, 15 (10), 2236-2239. http://dx.doi.org/10.1105/tpc.151030
Boeven, P.H., Longin, C.F.H., Leiser, W.L., Kollers, S., Ebmeyer, E., & Würschum, T. 2016. Genetic architecture of male floral traits required for hybrid wheat breeding. Theoretical and Applied Genetics, 129,. 2343-2357. http://dx.doi.org/10.1007/s00122-016-2771-6. Epub 2016 Aug 23.
Brandenburg, J.-T., Mary-Huard, T., Rigaill, G., Hearne, S.J., Corti, H., Joets, J., Vitte, C., Charcosset, A., Nicolas, S., & Tenaillon, M. 2017. Independent introductions and admixtures have contributed to adaptation of European maize and its American counterparts. PLoS Genetics, 13(3), e1006666. http://dx.doi.org/10.1371/journal.pgen.1006666
Briggle, L.W. 1963. Heterosis in wheat-a review. http://dx.doi.org/ 10.2135/cropsci1963.0011183X000300050011x
Conti, L. 1985. Conclusive results of a selection programme for obtaining a dwarf bean (Ph. vulgaris) resistant to some viruses and characterized by agronomical qualities.
Dar, I.A., Dar, Z.A., Lone, A.A., Kamaluddin, S.P., Sofi, P.A., Hussan, S., Dar, M.S., & Alie, W. 2018. Genetic variability studies involving drought tolerance related traits in maize genotypes. Journal of Agriculture and Ecology Research International, 14(2), 1-13. http://dx.doi.org/ 10.9734/JAERI/2018/40241
Farshadfar, E. 2010. New discussions in biometrical genetics, vol 1. Islamic Azad University of Kermanshah Press. (In Persian)
Foley, J.A., Ramankutty, N., Brauman, K.A., Cassidy, E.S., Gerber, J.S., Johnston, M., Mueller, N.D., O’Connell, C., Ray, D.K., West, P.C., & Balzer, C. 2011. Solutions for a cultivated planet. Nature, 478(7369), 337-342. http://dx.doi.org/10.1038/nature10452
García, M., Rodríguez, A., & López, M. 2023. Evaluation of antioxidant enzyme activity and genetic diversity in maize. Journal of Plant Physiology. https://doi.org/10.1016/j.jplph.2023.153022
Harborne, J.B. 1984. Methods of Plant Analysis. In Phytochemical methods: a guide to modern techniques of plant analysis (1-36). Dordrecht: Springer Netherlands. https://doi.org/10.1007/978-94-009-5570-7
Jones, D. F. 1922. Further studies on the breeding of corn. Genetics, 7(5), 482-501. https://doi.org/  10.1093/genetics/7.5.482
Kumar, S., & Kumar, P. 2020. Genetic variability, heritability and genetic advance in maize (Zea mays L.). Plant Breeding and Biotechnology. https://doi.org/10.9787/PBB.2020.8.1.33
Liu, S., Chen, J., & Zhang, C. 2021. The role of  dominance and additive effects in maize heterosis. Journal of Experimental Botany. https://doi.org/10.1093/jxb/eraa521
Longin, C.F.H., Mühleisen, J., Maurer, H.P., Zhang, H., Gowda, M., & Reif, J.C. 2012. Hybrid breeding in autogamous cereals. Theoretical and applied genetics, 125.,1087-1096. https://doi.org/10.1007/s00122-012-1967-7
Mafakheri, K., Valizadeh, M., & Mohammadi, S. A. 2022. Banding patterns activity of antioxidant enzymes and physiological indices in the maize (Zea mays L.) Genotypes under Water Deficit Stress. J Crop Breed. 14(43), 64-75. http://dx.doi.org/10.52547/jcb.14.43.64
Malik, A.J., Sheedi, S.M., & Rajpur, M.M. 1981. Heterosis in wheat (Triticum aestivum L.). Wheat Inf. Ser. 53: 25-29.
Marlee, R., Labroo, Anthony, J. Studer., & Jessica, E. Rutkoski. 2021. Heterosis and hybrid crop breeding: a multidisciplinary review. front. genet., 24 february. sec. Statistical Genetics and Methodology. Volume 12 – 221. https://doi.org/10.3389/fgene.2021.643761
Miller, R. L., Johnson, P., & Thompson, S. 2021. Genetic diversity and its effects on heterosis in crops. Frontiers in Plant Science, 12, 567890. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.567890
Moharramnejad, S., & Valizadeh, M. 2019. A key response of grain yield and superoxide dismutase in maize (Zea mays L.) to water deficit stress. Journal of Plant Physiology and Breeding, 9(2), 77-84. http://dx.doi.org/10.22034/jppb.2019.10606
Mousavi, S.S., Ghanbari, F., Abdullahi, M.R., Kayani, A.R., & Mousavat,  S.A. 2018. Evaluation of heritability and genetic parameters of seed yield and important agronomic traits in Maize lines (Zea mays L.) using the generation mean analysis method. Journal of Agricultural Sciences of Iran, 20(2), 93-107. https://dorl.net/dor/20.1001.1.15625540.1397.20.2.1.6 (In Persian)
Munaro, E.M., Eyhérabide, G.H., D’Andrea, K.E., Cirilo, A.G., & Otegui, M.E. 2011. Heterosis× environment interaction in maize: What drives heterosis for grain yield?. Field Crops Research, 124(3), 441-449. http://dx.doi.org/10.1016/j.fcr.2011.08.001
Nizamani, M.M., Nizamani, F.G., Rind, R.A., Khokhar, A.A., Mehmood, A., & Nizamani, M. 2020. 36. Heritability and genetic variability estimates in F3 populations of bread wheat (Triticum aestivum L.). Pure and Applied Biology (PAB), 9(1), 352-368. http://dx.doi.org/10.19045/bspab.2020.90040
Patel, R., Sharma, S., & Kumar, A. 2022. Genetic variation and antioxidant activity in maize Under Stress Conditions. Crop Science. https://doi.org/10.1002/csc2.20612
Prasad, G., Chand, M., Kumar, P., & Rinwa, R.S. 2017. Performance of maize (Zea mays L.) hybrids with respect to growth parameters and phenological stages under different sowing dates in kharif season. International Journal of Current Microbiology and Applied Sciences, 6(10), 5079-5087. https://doi.org/10.20546/ijcmas.2017.610.482
Raj, S., & Singh, V. 2019. Evaluation of genetic parameters and yield components in maize. Journal of Agriculture and Food Research. https://doi.org/10.1016/j.jafr.2019.100027
Ramirez-Vallejo, P., & Kelly, J.D. 1998. Traits related to drought resistance in common bean. Euphytica, 99, 127-136. https://doi.org/10.1023/A:1018353200015
Ray, D.K., Mueller, N.D., West, P.C., & Foley, J.A. 2013. Yield trends are insufficient to double global crop production by 2050. PloS one, 8(6), p.e66428. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0066428
Rostami,A.,  & Mohammadi, KH. 2020. The effect of nitrogen fertilizers and nitrogen bacteria on grain yield and nitrogen use efficiency in Moroccan single cross corn. Scientific-Research Journal of Plant Ecophysiology 12: 200-210. https://civilica.com/doc/1608432 (In Persian)
Smith, J., & Jones, M. 2018. Negative genetic correlations for protein content in maize indicate antagonistic relationships between alleles at different loci. Journal of Plant Genetics, 12(4), 455-462. https://doi.org/ 10.1007/s00122-018-3155-9
Schnable, P.S., & Springer, N.M. 2013. Progress toward understanding heterosis in crop plants. Annual review of plant biology, 64(1), pp.71-88. https://doi.org/10.1146/annurev-arplant-042110-103827
Shull, G. H. 1908. The composition of a field of maize. Journal of Heredity, 4(1), 296-301. https://doi.org/10.1093/jhered/os-4.1.296
Singh, N., Sharma, A., & Singh, R. 2021. Heritability and genetic advance for yield and its components in maize (Zea mays L.). Journal of Crop Improvement. https://doi.org/10.1080/15427528.2021.1877030
Wang, J., Zhang, Y., & Liu, H. 2021. Role of Genetic Variation in Antioxidant Enzyme Activity of Maize Hybrids. Plant Breeding. https://doi.org/10.1111/pbr.12927
Yang, Y., Zhao, Z., & Wang, L. 2022. Genetic Basis and Application of Heterosis in Maize Improvement. Plant Breeding Reviews. https://doi.org/10.1002/9781119682752.ch07
Zhang, X., Li, X., & Yu, X. 2023. Recent Advances in Understanding Heterosis in Maize. Field Crops Research. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2023.108920
Zhang, Y., & Li, X. 2019. Impact of parental genetic variation on heterosis. Theoretical and Applied Genetics, 132(4), 1001-1010. https://doi.org/10.1007/s00122-018-3273-2
Zhang, Y., Liu, H., & Wu, Y. 2022. Heterosis and Its Impact on Photosynthesis and Water Use Efficiency in Maize. Plant Science. https://doi.org/10.1016/j.plantsci.2022.110211

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار