بخشی از مقاله
چکیده
تنش فلزات سنگین یکی از تنشهاي غیر زیستی مهم است که رشد و عملکرد گیاهان را در مناطق آلوده تحت تاثیر قرار میدهد. علیرغم قابلیت بالاي روش مکانیابی ارتباطی براي شناسایی جایگاهاي کنترل کننده صفات کمّی - QTL - ، از این روش قدرتمند براي شناسایی دقیق نواحی ژنومی کنترل کننده تحمل به کادمیمدر برنج و در نتیجه براي شناسایی و جداسازي ژنهاي تحمل به این تنش تاکنون استفاده نشده است. بنابراین در این تحقیق تلاش شدهبا روش مکانیابی ارتباطی با استفاده از37 هزار نشانگر SNPتحت مدل خطی مختلط - MLM - ، نواحی ژنومی دقیق مرتبط با انباشت کادمیم در ریشه و ساقه برنج شناسایی گردند.
بر اساس نتایج مکانیابی ارتباطی در شرایط تنش کادمیم 12 ناحیه ژنومی براي انباشت کادمیم در ساقه و 13 ناحیه ژنومی براي انباشت کادمیم در ریشه بر روي کروموزومهاي مختلف برنج شناسایی شدند. این QTLها از 12 تا 19/1 درصد تنوع فنوتیپی را توجیه میکنند که به نظر میرسد در این نواحی ژنهاي بزرگ اثر به همراه ژنهاي کوچک اثري قرار داشته باشند.همچنین، یکناحیه ژنومی مشترك واقع بر روي بازوي بلند کروموزوم 4 براي کنترل هر دو خصوصیت تحت تنش کادمیم، شناسایی شد. نتایج این تحقیق میتواند به جداسازي ژنهاي جدید کنترل کننده تحمل به تنش کادمیم منجر شود.
مقدمه
فلزات سنگین که از آلاینده هاي غیر زیستی هستند بر خلاف آلایندههاي آلی تجزیهپذیر نمیباشند. این واقعیت، فلزات سنگین را به یکی از خطرناکترین گروه آلایندههاي زیست محیطی تبدیل ساخته است . - 1 - فلزات سنگین سمی به DNA آسیب میرسانند و احتمالاً اثرات سرطانزایی آنها در حیوانات و انسان از قابلیت جهشزایی این فلزات سرچشمه میگیرد. سمیت گیاهی ناشی از فلزات سنگین بر حسب گونهي گیاه متفاوت است. در میان محصولات کشاورزي اصلی، برنج محصول ویژهاي با جذب و تجمع بالایکادمیوم، سرب و آرسنیک است که با توجه به مسئله افزایش آلودگی منابع آب و خاك به فلزات سنگین در سال هاي اخیر، ارزیابی و شناسایی ارقام برنج متحمل به فلزات سنگین ضرورت دارد.
یکی از واکنشهاي عمومی به فلزات سنگین، کاهش محسوس رشد گیاه است . - 2 - در پژوهشهاي مختلف مشخص شده که فلزات سنگین تقرًیبا همواره بر رشد طولی ریشه اثر میگذارند - 3 - که با خسارت به هستکها در مریستم نوك ریشه - 4 - همراه است.کادمیم به دلیل تحرك نسبتاً بالا در خاك ها و سمیت شدید بیولوژیکی حتی در غلظت کم موجب نگرانی زیادي است
با توسعه نشانگرهاي مولکولی اطلاعات زیادي درباره جایگاه ژنومی QTLها براي بسیاري از صفات زراعی در گیاهان متعدد در اختیار محققان قرار گرفته است. از جمله این نشانگرها، نشانگرهاي SNP هستند که به تعداد زیاد در ژنوم پراکندهاند.
براي رفع محدودیتهاي نقشهیابی لینکاژي - مثل نیاز به ایجاد جمعیتهاي در حال تفرق، تعداد کم کراسینگاور و در نتیجه تعداد کم نوترکیبی و در نهایت وضوح پایین نقشه نشانگري - در سالهاي اخیر روش مکانیابی ارتباطی1 معرفی شده است که مهمترین مزیت آن استفاده از جمعیتهاي طبیعی است. در این روش مجموعهي بزرگی از لاین ها و ارقامبه طور تصادفی جمعآوري میشوند و مکان یابی QTLها بر اساس عدم تعادل لینکاژي صورت میگیرد.
مکانیابی ارتباطی در مقایسه با نقشهیابی لینکاژي به مراتب ارزانتر، سریعتر و دقیقتر است و به دلیل نوترکیبیهاي زیاد در تاریخ تکامل گیاه مورد مطالعه، نقشه ژنتیکی حاصل وضوح بالایی دارد. علت دقت و وضوح بالا در این نوع نقشهیابی این است که تمام رویدادهاي میوزي که در طول تاریخچهي تکاملی گیاه انباشته شده است در نظر گرفته میشود و فقط ارتباط بین نشانگرهایی که در پیوستگی بسیار قوي با صفت مورد نظر باشند، باقی میماند .
در مطالعات تجزیه ارتباط - AM - به کمک نشانگرهاي SSR و SNP ارتباطهاي معنیداري بین نشانگر و صفات زراعی و مورفولوژیکی در برنج - 7-8 - ، ذرت - 9 - وسایر غلات شناسایی شده است. تحقیق حاضر با هدف شناسایی نواحی ژنومی دخیل در تحمل به تنش کادمیم در برنج با روش مطالعه ارتباط در مقیاس ژنوم - GWAS - 2 انجام شد.
مواد و روشها
در این تحقیق 120 رقم و لاین برنج از موسسه تحقیقات بینالمللی برنج - IRRI - مورد ارزیابی قرار گرفتند. آزمایش در قالب طرح کاملا تصادفی اجرا گردید که در آن بذور هر رقم در 3 تکرار در دو شرایط نرمال و تنش کادمیم در حوله کاغذي کشت شدند. بذور سترون شده با محلول هیپوکلریت سدیم 10٪ به مدت 3 روز در گرمخانه تاریک - با دماي 28 درجه - جهت جوانهزنی قرار گرفتند. سپس به محیط اصلی رشد - اتاق رشد با دماي 25 درجه سانتیگراد - انتقال داده شدند. از محلول پایه یوشیدا براي تغذیه گیاهچهها در شرایط نرمال استفاده شد. براي اعمال تنش کادمیم از محلول یوشیدا حاوي 5 میلی مول نمک کادمیم استفاده شد.
14 روز بعد از رشد خصوصیات مختلفی در گیاهچههاي هر رقم برنج در هر تکرار اندازهگیري شد که عبارتند از: طول ریشه، طول ساقه، وزن تر ساقه، وزن خشک ساقه و محتواي آب ساقه، همچنین نسبت طول ریشه به طول ساقه و نسبت وزن خشک به وزن تر ساقه محاسبه گردید. علاوه بر آن میزان کادمیم در دو بافت ریشه و ساقه با دستگاه جذب اتمی - بر حسب پی پی ام - اندازهگیري شد.
همه ارقام مورد مطالعه در 44000 لوکوس SNP با کیت Infinium 44K SNP array تعیین ژنوتیپ شدند. قبل از آنالیز ارتباط، لوکوسهاي منومورف و لوکوسهاي با کمتر از %5 فراوانی آلل نادر - MAF - حذف شدند. آنالیز ارتباط تحت مدل MLMبا لحاظ ضرایب خویشاوندي - K - در نرمافزار Tasselانجام شد. براي تعیین ارتباطات معنیدار بین نشانگرها و خصوصیات مورد بررسی، از –Log - p_value - بالاي 4 استفاده شد.
نتایج و بحث
بررسی میزان تاثیر تنش کادمیم بر خصوصیات مختلف رشدي برنج نشان داد که در حضور کادمیم تمامی خصوصیات مورد مطالعه به استثناي نسبت وزن خشک به وزن تر ساقه به طور معنیداري کاهش یافتند. بررسی نتایج تجزیه واریانس براي انباشت کادمیم در بافت هاي برنج نشان داد که ارقام مختلف برنج در شرایط تنش کادمیم از نظر انباشت کادمیم هم در ریشه و هم در ساقه خود تفاوت بسیار معنیداري داشتند.
در بین ارقام مورد مطالعه رقم شماره 57 کمترین و رقم شماره 4 بیشترین میزان کادمیم را در ساقه انباشته کردند - به ترتیب 0/19 و 2/55 پی پی ام - . در حالی که کمترین میزان تجمع کادمیم ریشه مربوط به رقم شماره 32 و بیشترین آن مربوط به رقم شماره 41 - به ترتیب 1/12 و 3/54 پی پی ام - بوده است. کمترین انتقال کادمیم از ریشه به ساقه مربوط به رقم شماره 57 و بیشترین آن مربوط به رقم شماره 184 بوده است - به ترتیب 8/7 و 94/3 درصد؛ جدول . - 1
جدول -1 دامنه تغییرات میزان کادمیم ساقه و ریشه در شرایط تنش کادمیم - توجه: اعداد داخل پرانتز مربوط به شماره رقم برنج میباشد - .
براي انباشت کادمیم در ساقه دوازده ناحیه ژنومی واقع بر روي کروموزومهاي 1، 3، 4، 8 و 11 شناسایی شد
این QTLها از 12/0 تا 19/1 درصد از تنوع فنوتیپی طول ساقه را توجیه میکنند - جدول . - 2 قويترین QTL روي کروموزوم 1 با 19/1 درصد توجیهپذیري بوده است.
براي انباشت کادمیم در ریشه سیزده ناحیه ژنومی واقع بر روي کروموزومهاي 3، 4، 5، 6، 10،7، 11 و 12 شناسایی شد
این QTLها از 12/0 تا 15/9 درصد از تنوع فنوتیپی طول ساقه را توجیه میکنند - جدول . - 2 قويترین QTL روي کروموزوم 6 با 15/9 درصد توجیهپذیري بوده است.
