بخشی از مقاله
چکیده
سیستم ریشه گیاه و صفات مرتبط با آن در برنج عوامل مهمی براي جذب رطوبت از خاكهاي عمیق بوده و میتوانند براي بهبود سازگاري به محیطهایی با منابع آبی محدود مورد استفاده قرار گیرند. مطالعات زیادي براي مکانیابی ژنهاي مرتبط با صفات کّمی صورت گرفته و نتایج ناهمگنی براي ارقام، جمعیتها و محیطهاي مختلفی براي صفات ریشه گزارش شده است.
بهمنظور تعیین دقیق موقعیتهاي توافقی براي ژنهاي مرتبط با آرایش سیستم ریشهاي در برنج، اطلاعات مربوط به QTLهاي کنترلکننده صفات مختلف ریشه بهعنوان مثال تعداد، حداکثر طول، ضخامت، حجم و وزن خشک ریشه، نرخ و عمق ریشهدهی و نسبت سطح رشد ریشه در عمق و گسترش سطح ریشه که در جمعیتهاي مختلف برنج شناساییشده از مقالات مختلف جمعآوري شدند.
از مجموع QTL 574 یافتشده، تعداد 345 و QTL 229 بهترتیب در شرایط طبیعی رطوبتی و تنش خشکی یافت شده بودند که روي نقشه مورد توافق قرار گرفتند. پس از انتقال و نمایش QTLها روي نقشه توافقی مرجع، تجزیه Meta-QTL با استفاده از نرمافزار BioMercator نسخه 4.2 انجام گرفت. در مجموع تعداد QTL M-46 معنیدار روي 12 کروموزوم برنج - شامل M-QTL 3 در کروموزومهاي 5، 10 و تعداد M-QTL 4 در سایر کروموزومها - شناسایی شدند.
مقدمه
برنج، غذاي اصلی نزدیک به نیمی از جمعیت جهان است، در حالی که عمق کم ریشه آن نسبت به دیگر غلات دلیل حساسیت آن به تنش خشکی است . - Uga et al., 2015 - افزایش تحمل به خشکی در برنج یک راهکار و معیار مهم براي ایجاد ثبات تولید در مناطقی با محدودیت آبی میباشد. یکی از مهمترین شاخصهاي تحمل به خشکی مورد استفاده در برنامه هاي اصلاحی برنج، ارزیابی صفات ریشه در شرایط طبیعی رطوبتی و تنش خشکی است. ساختار ریشه در گیاهان و صفات مرتبط با آن در سازگاري و رشد مطلوب در شرایطی که محدودیت منابع آب و جذب مواد غذایی وجود دارد، از اهمیت بالایی برخوردار میباشد
آرایش سیستم ریشه اي به توزیع فضایی ریشه در خاك اشاره دارد و تغییرات RSA شامل فرایندهاي متعدد، از جمله نرخ رشد و طول ریشه، میزان و مقدار انشعاب ریشه، جهتگیري و زاویه و انشعابهاي آن میباشد. آرایش سیستم ریشه در حفظ و افزایش پتانسیل ریشه براي بهرهبرداري و استفاده از ویژگیهاي آن در جهت افزایش عملکرد غذایی گیاه و استفاده بهینه از زمینهاي کشاورزي بسیار مهم است. برنج با داشتن ریشههاي بلند، ضخیم ، منشعب و عمیق در شرایط خشکی تحمل بیشتري خواهد داشت
بررسیهاي RSA روي رشد اولیه و ثانویه ریشه و انشعابات آن تمرکز دارد و نقشهاي کلیدي را براي ژنهاي متعدد و شبکههاي ژنی، هورمونهاي مختلف از جمله اکسین، سیتوکنین، جیبرلین، براسینواستروئید، اسیدآبسزیک و اتیلن، مواد مغذي خاك شامل نیتروژن و فسفر نشان داده است
با وجود پیچیدگی در کنترل ژنتیکی صفات ریشه، برخی از پیشرفتها با استفاده از تجزیه QTLها براي معرفی ژنوتیپهاي جدید در گونههاي زراعی مختلف حاصل شده است، بهعنوان مثال، گزینش به کمک نشانگر براي QTLهاي مرتبط با صفات ریشه براي بهبود سیستم ریشهاي و افزایش عملکرد در شرایط غیرغرقاب در ارقام مختلف برنج موفقیتآمیز بوده است
سیستم ریشه در گیاهان همانند سایر صفات تحت تاثیر ژنهاي زیادي میباشد، بنابراین شناسایی مکانهاي ژنی مرتبط با صفات ریشه میتواند تا حد زیادي ما را در اصلاح صفات ریشه کمک کند. مطالعات QTL نشاندهنده هممکانی ژنهاي مرتبط با ریشه با ژنهاي عملکرد در گیاهان زراعی میباشد که این امر حاکی از نقش احتمالی صفات ریشه در تعیین عملکرد نهایی گیاه است
مکانیابی کلاسیک ژنهاي کنترلکننده صفات کمّی با استفاده از جمعیتهاي مشتقشده از دو والد داراي محدودیتهایی است.
اول اینکه این مطالعات فقط QTLهاي متفاوت در دو والد را شناسایی میکند
دومین عامل محدودکننده براي شناسایی QTLها با استفاده از جمعیتهاي در حال تفرق، تفاوت در وضوح نقشههاي ژنتیکی میباشد
سوم اینکه بسیاري از مطالعات مرتبط با QTLها در یک یا چندین محیط مختلف انجام شده است، اگرچه این مطالعات توانسته به شناسایی مکانهاي کنترلکننده بیانجامد ولی مقایسه این نتایج نشان داده است که QTLهاي متفاوتی براي یک صفت در محیط هاي مختلف گزارش شده است
با استفاده از دادههاي حاصل از مجموعه بزرگی از مطالعات QTL در آزمایشهاي مختلف، تجزیه Meta-QTL را بهطور موثري میتوان براي تعیین تعداد و موقعیتهاي QTLهاي توافقی به کار برد. انجام این روش همچنین میتواند با کاهش فاصله اطمینان2براي مکان ژنی دقت و اعتبار نتایج را افزایش دهد
گردآوري، تجمیع و مکانیابی QTLهاي مرتبط با آرایش سیستم ریشهاي روي کروموزومهاي برنج و آنالیز Meta-QTL از اهداف این پژوهش بوده است. نتایج حاصل میتواند در تسهیل مقایسه قابل اعتماد QTLهاي مرتبط با صفات موردنظر در برنج، مطالعه جامع ژنهاي موثر در آرایش سیستم ریشه و همچنین یافتن محل دقیق ژنهاي منتخب شناساییشده و پیشبینی عملکرد آنها موثر واقع شود.
مواد و روش
ابتدا QTLهاي مرتبط با تنش خشکی و تعیین آرایش سیستم ریشهاي که تا کنون شناخته شدهاند از پایگاههاي داده مرتبط گردآوري شده و از طریق مرور منابع تکمیل شدند. سپس QTLهاي مذکور خوشه بندي و دقت آنها مورد ارزیابی قرار گرفت. آنگاه یک نقشه پیوستگی توافقی مرجع3ایجاد و QTLها روي آن نقشهبرداري شدند. آنالیز Meta-QTL هر کروموزوم بهطور جداگانه انجام و نشانگرهاي پیوسته به این QTLها و موقعیت آنها روي نقشه فیزیکی با استفاده از نرمافزار BioMercator V4.2 مشخص گردید. در مطالعه دادههاي QTL شماره کروموزوم، نوع صفت، واریانس فنوتیپی - R2 - ، LOD، فاصله اطمینان - CI - ، موقعیت کروموزوم و تعداد جمعیت یادداشتبرداي شدند. نقشه مرجع با وضوح ژنتیکی و چگالی نشانگري مناسب انتخاب شد. فاصله اطمینان - CI - در سطح اطمینان 95 درصد براي QTLهاي مورد بررسی با استفاده از معادله ذیل محاسبه گردید: CI=530/R2N
که در آن N تعداد افراد جمعیت، R2 واریانس فنوتیپی و CI فاصله اطمینان میباشد.
تعیین اعتبار M-QTL با استفاده از برآورد فاصله اطمینان در هر کروموزوم به دست آمد. با استفاده از نرمافزار BioMercator، QTLهاي مورد توافق با مقادیر مختلف 4 AICمحاسبه و مدلی با کمترین مقدار AIC بهعنوان بهترین مدل انتخاب شد. سپس ناحیه QTL توسط مدل بهینه بهعنوان M-QTL در نظر گرفته شد.
نتایج و بحث
اطلاعات مربوط به QTLهاي برنج از گزارشهاي بهچاپرسیده بین سالهاي 1994 تا 2017 در 54 مقاله جمعآوري شدند.براي این منظور، اطلاعات مربوط به QTLهاي کنترلکننده پارامترهاي مختلف ریشه بهعنوان مثال صفات تعداد ریشه - RN - ، حداکثر طول ریشه - MRL - ، ضخامت ریشه - RTHK - ، حجم ریشه - RV - ، نرخ ساقه/ریشه - RS/R - ، وزن خشک ریشه - RDW - ، عمق ریشهدهی - DRR - و وزن تر ریشه - FRW - ، نسبت عمق به حجم ریشه - RGRD - و گسترش سطح ریشه - RSA - که در جمعیتهاي مختلف برنج شناساییشده بودند، از مقالات مختلف جمعآوري شدند.
از مجموع 54 مطالعه بهمنظور تعیین و شناسایی دقیق موقعیتهاي توافقی براي صفات ریشه در برنج، QTL 574 یافت شد که تعداد QTL 345 در شرایط طبیعی رطوبتی و تعداد QTL 229 در تنش خشکی شناسایی شده بودند. پس از انتقال و نمایش این QTL 574 روي نقشه توافقی مرجع، تجزیه M-QTL با استفاده از نرمافزار BioMercator نسخه 4.2 انجام گرفت. در مجموع تعداد M- 46 QTL معنیدار روي 12 کروموزوم برنج شناسایی شدند. از M-QTL شناساییشده، تعداد M-QTL 4 روي کروموزومهاي 1، 2، 3، 4، 6، 8،7 ، 9، 11 و 12 و تعداد M-QTL 3 روي کروموزومهاي 5، 10 یافت شدند.
بهعنوان مثال در کروموزوم 1 برنج، از همپوشانی QTLهاي مطالعهشده در مقالات مستقل، M-QTL 4 روي نقشه توافقی مرجع شناسایی شد - شکل . - 1 این M-QTL 4 واقع روي کروموزوم 1، تحت عنوان M-QTL1، M-QTL2، M-QTL3 و M-QTL4 نامگذاري شدند - شکل . - 1 بهترین مدل براي تجزیه M-QTL روي کروموزوم 1، AIC با معیار 1593/6 شناخته شد.
این M-QTLها روي کروموزوم 1 در نقشه ژنتیکی بهترتیب در موقعیتهاي 22/92 - CM - ، 70/5، 109/52 و 168/14 و حدود اطمینانهاي 21/24 -58/26 - CM - ، 68/72-68/31، 108/110-74/33 و166/79-169/5 قرار گرفتند - شکل M- . - 1 QTL1 بین دو نشانگر RM428-RM323 قرار دارد و از تعداد QTL 11 که شامل صفات مرتبط با مورفولوژي ریشه MRL RS/R، RV، RDW و RTHK میباشد حاصل شده است.
M-QTL2 بین دو نشانگر RM580-RM312 است که شامل 22 QTL و صفات FRW، RV، RDW، RTHK، DRR و RN میباشد. M-QTL3 بین دو نشانگر RMg72-RM246 قراردارد که شامل QTL 14 و صفات FRW، RN، RV و RTHKمیباشد. M-QTL4 بین دو نشانگر RM315-RM472 واقع شده است که شامل QTL 16 مربوط با صفات FRW، RN، RV، RTHK و RGRV به دست آمده است
از بین M-QTLهاي شناساییشده، M-QTL15، M-QTL25، M-QTL25 , M-QTL26، M-QTL2 بیشترین QTL مربوط به صفات ریشه را دارا بودند - بهترتیب از همپوشانی 53، 39، 30، 24 و QTL 22 حاصل شدند - و بنابراین پیشبینی میشود در تعیین آرایش سیستم ریشهاي و تحمل تنش بسیار موثر باشند. در مجموع بیشترین QTLهاي مربوط با صفات ریشه در کروموزوم 1، 2، 4، 6، 7، 8 و 9 واقع شده است که نشاندهنده نقش این کروموزومها در تنش خشکی میباشد.
