ارزیابی تحمل به تنش خشکی لاین‌های پیشرفته ذرت با استفاده از صفات زراعی و مورفولوژیکی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه بیوتکنولوژی، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران.

2 گروه اکولوژی، پژوهشگاه علوم و تکنولوژی پیشرفته و علوم محیطی، دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته، کرمان، ایران.

3 گروه گیاه، خاک و سیستم‌های کشاورزی، دانشگاه ایلینوی جنوبی، کاربوندیل، ایالات متحده آمریکا.

چکیده

مقدمه: تنش خشکی به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین چالش‌های کشاورزی در مناطق خشک و نیمه‌خشک جهان مطرح است که می‌تواند به کاهش رشد، فتوسنتز و در نهایت عملکرد گیاهان منجر شود. به دلیل تأثیر مستقیم تنش خشکی بر امنیت غذایی اهمیت شناسایی و اصلاح ژنوتیپ‌های متحمل به خشکی ، افزایش یافته است. ذرت (Zea mays L.)، به‌عنوان یکی از مهم‌ترین محصولات کشاورزی در جهان، نقش کلیدی در تأمین مواد غذایی و صنعتی دارد. با توجه به افزایش تقاضا برای ذرت در سال‌های اخیر، تضمین تولید پایدار آن در شرایط کم‌آبی ضروری است. در این پژوهش، تلاش شده است تا تحمل به خشکی لاین‌های پیشرفته ذرت (نسل هشتم خودگشنی) ارزیابی شود و ژنوتیپ‌های متحمل برای استفاده در برنامه‌های به­نژادی شناسایی شوند.
مواد و روش‌ها: آزمایش در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار، در دو شرایط نرمال رطوبتی (دور آبیاری 5 روز در ظرفیت مزرعه 80 درصد) و تنش خشکی (دور آبیاری 10 روز در ظرفیت مزرعه 50 درصد) در مزرعه تحقیقاتی دانشگاه تحصیلات تکمیلی صنعتی و فناوری پیشرفته کرمان اجرا شد. 40 لاین پیشرفته ذرت بر اساس صفات زراعی و مورفولوژیکی شامل روز تا رسیدگی، ارتفاع گیاه، ارتفاع اولین بلال، طول و عرض برگ، تعداد بلال در بوته، تعداد دانه در بلال، تعداد ردیف دانه، طول و عرض دانه، وزن صد دانه، و عملکرد تک بوته ارزیابی شدند. تجزیه و تحلیل داده‌ها با استفاده از تجزیه واریانس مرکب، آزمون مقایسه میانگین توکی، و روش‌های چندمتغیره مانند تجزیه خوشه‌ای انجام شد.
یافته‌ها: نتایج نشان داد که اثر متقابل لاین × محیط برای بیشتر صفات مورد مطالعه معنی‌دار بود، که حاکی از تفاوت واکنش لاین‌ها به شرایط آبیاری مختلف است. نتایج مقایسه میانگین صفات نشان داد که تنش خشکی باعث کاهش صفات عملکرد تک بوته، تعداد دانه در بلال، عرض دانه و تعداد بلال در بوته به­ترتیب به میزان 8/50، 8/32، 2/28 و 1/27 درصد شده است، در حالی­که کمترین تغییرات را صفات روز تا رسیدگی (6/6 درصد) و ارتفاع بوته (3/13درصد) نشان دادند. لاین‌های 1، 6 و 35 عملکرد بالاتری در هر دو شرایط داشتند و بر اساس شاخص تحمل به تنش به­عنوان ژنوتیپ‌های متحمل شناسایی شدند. بنابراین این لاین‌ها می‌توانند به‌عنوان پایه‌های ژنتیکی مناسب برای ایجاد ارقام جدید و متحمل‌تر مورد استفاده قرار گیرند. تجزیه خوشه‌ای لاین‌ها را در گروه‌های مختلفی دسته‌بندی کرد و تنوع ژنتیکی بالایی میان آن‌ها نمایان شد که بیانگر قابلیت بالا برای انتخاب ژنوتیپ‌های مناسب در برنامه‌های به­نژادی است. نتایج تجزیه خوشه‌ای صفات نیز نشان داد که صفت تعداد دانه در بلال با عملکرد در یک گروه قرار دارند و این صفت یک معیار کلیدی در شناسایی لاین‌های متحمل پرمحصول است.
نتیجه‌گیری: این پژوهش نشان داد که تنش خشکی تأثیر معناداری بر صفات زراعی و مورفولوژیکی ذرت دارد و صفات مرتبط با عملکرد تک بوته بیشترین حساسیت را به تنش نشان دادند. لاین‌های 1، 6 و 35 به‌عنوان متحمل‌ترین لاین‌ها شناسایی شدند و پیشنهاد می‌شود در برنامه‌های به­نژادی برای افزایش تحمل به خشکی مورد استفاده قرار گیرند. همچنین، نتایج تجزیه خوشه‌ای نشان داد که تنوع ژنتیکی قابل‌توجه میان لاین‌ها، ابزار ارزشمندی برای انتخاب ژنوتیپ‌های مطلوب است. بهره‌گیری از صفت تعداد دانه در بلال به‌عنوان معیار انتخاب در برنامه‌های به­نژادی ذرت پیشنهاد می‌شود تا عملکرد پایدار و بهبود یافته در شرایط خشکی تضمین گردد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Evaluation of drought tolerance of advanced corn lines using agronomic and morphological traits

نویسندگان [English]

  • Mehdi Rahimi 1
  • Ameneh Mianabadi 2
  • Mandeep Redhu 3
1 Department of Biotechnology, Institute of Science and High Technology and Environmental Sciences, Graduate University of Advanced Technology, Kerman, Iran.
2 Department of Ecology, Institute of Science and High Technology and Environmental Sciences, Graduate University of Advanced Technology, Kerman, Iran.
3 Department of Plant, Soil and Agricultural System, Southern Illinois University, Carbondale, IL, U.S.A.
چکیده [English]

Introduction: Drought stress is one of the most critical challenges in agriculture, particularly in arid and semi-arid regions, significantly affecting crop growth and yield. Due to the direct impact of drought stress on food security, the importance of identifying and improving drought-tolerant genotypes has increased. Maize (Zea mays L.), as one of the world’s most important crops, plays a crucial role in food and industrial supply chains. Ensuring its sustainable production under water-limited conditions is vital with increasing demand for maize. This study aimed to evaluate the drought tolerance of 40 maize advanced inbred lines (8 generations of selfing) and identify tolerant genotypes for use in breeding programs.
Materials and methods: The experiment was conducted in a randomized complete block design with three replications under two conditions: normal moisture (5-day irrigation interval at 80% field capacity) and drought stress (10-day irrigation interval at 50% field capacity) at the Research Farm of the Graduate University of Advanced Technology, Kerman, Iran. Forty maize lines were evaluated for agronomic and morphological traits, including days to maturity, plant height, first ear height, leaf dimensions, number of ears per plant, number of grains per ear, grain rows per ear, grain length and width, 100-grain weight, and grain yield per plant. Data analysis involved combined ANOVA, Tukey’s mean comparison, and multivariate methods such as cluster.
Results: Results revealed significant environment × line interactions for most traits, highlighting variations in the response of lines to different irrigation regimes. The mean trait results indicated that drought stress reduced the traits of yield/plant, number of grains/ear, grain width and number of ears/plant by 50.8, 32.8, 28.2, and 27.1, respectively, while the lowest changes were shown by the traits of days to maturity (6.6) and plant height (13.3). Lines 1, 6, and 35 had higher yields under both conditions and were identified as tolerant genotypes based on the stress tolerance index. Therefore, these lines can be used as suitable genetic bases for creating new and more tolerant cultivars. Cluster analysis classified the lines into different groups and revealed high genetic diversity, indicating high potential for selecting suitable genotypes in breeding programs. The cluster analysis results of traits also showed that the number of grains/ear trait and yield/plant are in the same group, and this trait is a key criterion in identifying high-yielding tolerant lines.
Conclusion: This study demonstrated that drought stress significantly affects maize agronomic and morphological traits, with yield-related traits showing the highest sensitivity. Lines 6, 1, and 35 were identified as the most drought-tolerant and are recommended for inclusion in breeding programs to improve drought resistance. Cluster analysis highlighted substantial genetic diversity among the lines, providing a robust foundation for selecting optimal genotypes for breeding. Utilizing the number of grains/ear traits as a selection criterion in breeding programs is recommended to ensure stable and improved maize yield under drought-stress conditions.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Cluster analysis
  • drought stress
  • grain yield
  • maize
  • line

مراجع

Ali, F., Kanwal, N., Ahsan, M., Ali, Q., Bibi, I., & Niazi, N.K. 2015. Multivariate analysis of grain yield and its attributing traits in different maize hybrids grown under heat and drought stress. Scientifica, 2015, Article563869. https://doi.org/10.1155/2015/563869
Anjum, S.A., Xie, X.Y., Wang, L.C., Saleem, M.F., Man, C., & Lei, W. 2011. Morphological, physiological and biochemical responses of plants to drought stress. African Journal of Agricultural Research, 6, 2026-2032. https://doi.org/10.5897/AJAR10.027
Azrai, M., Bahrun, A.H., Efendi, R., Andayani, N.N., Jihad, M., Zainuddin, B., & Aqil, M. 2024. Global drought tolerant maize research and development: Analysis and visualization of cutting-edge scientific technologies. Journal of Agriculture and Food Research, 18, Article101323. https://doi.org/10.1016/j.jafr.2024.101323
Balbaa, M.G., Osman, H.T., Kandil, E.E., Javed, T., Lamlom, S.F., Ali, H.M., Kalaji, H.M., Wróbel, J., Telesiñski, A., & Brysiewicz, A. 2022. Determination of morpho-physiological and yield traits of maize inbred lines (Zea mays L.) under optimal and drought stress conditions. Frontiers in Plant Science, 13, Article959203. https://doi.org/10.3389/fpls.2022.959203
Begna, T. 2021. Conventional breeding methods widely used to improve self-pollinated crops. International Journal of Research, 7, 1-16. https://doi.org/10.20431/2454-6224.0701001
Begna, T. 2022. Impact of drought stress on crop production and its management options. International Journal of Research Studies in Agricultural Sciences, 8, 1-13. https://doi.org/10.20431/2454-6224.0812001
Chen, J., Xu, W., Velten, J., Xin, Z., & Stout, J. 2012. Characterization of maize inbred lines for drought and heat tolerance. Journal of Soil and Water Conservation, 67, 354-364. https://doi.org/10.2489/jswc.67.5.354
Dar, I., Dar, Z., Lone, A., Kamaluddin, S.P., Sofi, P., Hussan, S., Dar, M., & Alie, W. 2018. Genetic variability studies involving drought tolerance related traits in maize genotypes. Journal of Agriculture and Ecology Research International, 14, 1-13. https://doi.org/10.9734/JAERI/2018/40241
Dietz, K.J., Zörb, C., & Geilfus, C.M. 2021. Drought and crop yield. Plant Biology, 23, 881-893. https://doi.org/10.1111/plb.13304
Dinar, A., Tieu, A., & Huynh, H. 2019. Water scarcity impacts on global food production. Global Food Security, 23, 212-226. https://doi.org/10.1016/j.gfs.2019.07.007
Ding, S., Zhang, D., Hao, Y., Hu, M., Tian, H., Yang, K., Zhao, G., Xu, R., & Du, W. 2024. Differences in physiological and agronomic traits and evaluation of adaptation of seven maize varieties. Biology, 13, Article977. https://doi.org/10.3390/biology13120977
Fang, Y., & Xiong, L. 2015. General mechanisms of drought response and their application in drought resistance improvement in plants. Cellular and Molecular Life Sciences, 72, 673-689. https://doi.org/10.1007/s00018-014-1767-0
Fao. 2020. The State of Food and Agriculture 2020. Overcoming water challenges in agriculture. Rome, Italy (https://www.fao.org/3/cb1447en/CB1447EN.pdf).
Fernandez, G.C. 1992. Effective selection criteria for assessing plant stress tolerance. In: Proceeding of the International Symposium on Adaptation of Vegetables and Other Food Crops in Temperature and Water Stress. Shanhua, Taiwan. 257–270.
Flint-Garcia, S.A., Buckler, E.S., Tiffin, P., Ersoz, E., & Springer, N.M. 2009. Heterosis is prevalent for multiple traits in diverse maize germplasm. Plos One, 4, e7433. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0007433
Fussell, B.H. 2004. The story of corn. University of New Mexico Press,
Hammer, Ø., Harper, D., & Ryan, P. 2001. PAST: Paleontological statistics software package for education and data analysis. Palaeontologia Electronica, 4, art. 4: 9pp. http://palaeo-electronica.org/2001_1/past/issue1_01.htm
Hefny, M.M., Ali, A.A., Byoumi, T.Y., Al-Ashry, M., & Okasha, S.A. 2017. Classification of genetic diversity for drought tolerance in maize genotypes through principal component analysis. Journal of Agricultural Sciences, Belgrade, 62, 213-227. https://doi.org/10.2298/jas1703213h
Ilyas, M., Nisar, M., Khan, N., Hazrat, A., Khan, A.H., Hayat, K., Fahad, S., Khan, A., & Ullah, A. 2021. Drought tolerance strategies in plants: a mechanistic approach. Journal of Plant Growth Regulation, 40, 926-944. https://doi.org/10.1007/s00344-020-10174-5
Iqbal, J., Shinwari, Z.K., & Rabbani, M.A. 2015a. Maize (Zea mays L.) germplasm agro-morphological characterization based on descriptive, cluster and principal component analysis. Pakistan Journal of Botany, 47, 255-264. https://www.pakbs.org/pjbot/PDFs/47(SI)/33.pdf
Iqbal, J., Shinwari, Z.K., Rabbani, M.A., & Khan, S.A. 2015b. Genetic divergence in maize (Zea mays L.) germplasm using quantitative and qualitative traits. Pakistan Journal of Botany, 47, 227-238. https://www.pakbs.org/pjbot/PDFs/47(SI)/29.pdf
Islam, N.U., Ali, G., Dar, Z., Maqbool, S., Baghel, S., & Bhat, A. 2020. Genetic variability studies involving drought tolerance related traits in maize (Zea mays L.) in breds. International Journal of Chemical Studies, 8, 414-419. https://doi.org/10.22271/chemi.2020.v8.i1f.8282
Kamara, A., Menkir, A., Badu-Apraku, B., & Ibikunle, O. 2003. The influence of drought stress on growth, yield and yield components of selected maize genotypes. The Journal of Agricultural Science, 141, 43-50. https://doi.org/10.1017/s0021859603003423
Khan, S., Mahmud, F., & Ahmmed, T. 2022. Genetic diversity with cluster analysis of maize genotypes (Zea mays L.). Advances in Bioscience and Biotechnology, 13, 273-283. https://doi.org/10.4236/abb.2022.137017
Khodarahmpour, Z., & Hamidi, J. 2012. Study of yield and yield components of corn (Zea mays L.) inbred lines to drought stress. African Journal of Biotechnology, 11, 3099-3105. https://doi.org/10.5897/AJB11.2974
Kokab, S., Hatami Maleki, H., Alizadeh, K., & Rahimi, M. 2016. Evaluation of genotypic variation of sunflower inbred lines for agronomic traits under cold rainfed conditions using multiple factor analyses. Iranian Dryland Agronomy Journal, 5, 157-169 [In Persian]. https://doi.org/10.22092/idaj.2016.109663
Kumar, A., Kumari, J., Rana, J., Chaudhary, D., Kumar, R., Singh, H., Singh, T., & Dutta, M. 2015. Diversity among maize landraces in North West Himalayan region of India assessed by agro-morphological and quality traits. Indian Journal of Genetics and Plant Breeding, 75, 188-195. https://doi.org/10.5958/0975-6906.2015.00029.2
Kumar, A., Singh, N., Jeena, A., Jaiswal, J., & Verma, S. 2020. Evaluation of teosinte derived maize lines for drought tolerance. Indian Journal of Plant Genetic Resources, 33, 60-67. https://doi.org/10.5958/0976-1926.2020.00009.1
Moharramnejad, S., & Shiri, M. 2024. Genetic diversity of early maturing corn hybrids based on phenological and agronomic traits using multivariate statistical methods. Cereal Biotechnology and Biochemistry, 3, 95-109 [In Persian]. https://doi.org/10.22126/cbb.2024.10865.1074
Mostafavi, K., Firoozi, M., & Mousavi, S.M.N. 2013. Effect of drought stress on yield and yield components of maize hybrids. Scientific Research and Essays, 8, 1145-1149. https://doi.org/10.5897/SRE11.1730
Mustafa, H.S.B., Farooq, J., Ejaz-Ul-Hasan, Bibi, T., & Mahmood, T. 2015. Cluster and principle component analyses of maize accessions under normal and water stress conditions. Journal of Agricultural Sciences, Belgrade, 60, 33-48. https://doi.org/10.2298/JAS1501033M
Rahimi, M. 2022. Evaluation of corn lines and hybrids resulting from their crossing based on biochemical and physiological traits in conditions of limited irrigation stress. Cereal Biotechnology and Biochemistry, 1, 375-389 [In Persian]. https://doi.org/10.22126/cbb.2022.8323.1019
Saeed, M., Mumtaz, A., Hussain, D., Arshad, M., Yousaf, M.I., & Ahmad, M.S. 2018. Multivariate analysis based evaluation of maize genotypes under high temperature stress. I3 Biodiversity, 1, Article105, 13Pp. https://www.researchgate.net/publication/329308869_Multivariate_analysis_based_evaluation_of_maize_genotypes_under_high_temperature_stress
Sas-Institute-Inc. 2014. Base SAS 9.4 Procedures Guide: Statistical Procedures, Third Edition. SAS Institute Inc., Cary, NC, USA.
Shemer, H., Wald, S., & Semiat, R. 2023. Challenges and solutions for global water scarcity. Membranes, 13, Article 612. https://doi.org/10.3390/membranes13060612
Shuro, A.R. 2017. Review paper on approaches in developing inbred lines in cross-pollinated crops. Biochemistry and Molecular Biology, 2, 40-45. https://doi.org/10.11648/j.bmb.20170204.12
Spitkó, T., Nagy, Z., Tóthné Zsubori, Z., Halmos, G., Bányai, J., & Marton, L.C. 2014. Effect of drought on yield components of maize hybrids: Zea mays L. Maydica: A Journal Devoted to Maize and Allied Species, 59, 161-169. https://journals-crea.4science.it/index.php/maydica/article/view/995
Subedi, K., & Ma, B. 2009. Corn crop production: growth, fertilization and yield. In: Danforth, A.T. (ed.), Corn Crop Production: Growth, Fertilization and Yield, pp. 1-84, Nova Science Pub. Inc, UK. http://dx.doi.org/10.13140/2.1.3515.9040

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار