بخشی از مقاله
چکیده
ارتفاع بوته و زمان خوشهدهی صفات فنولوژیک مهمی هستند که براي حصول عملکرد مناسب در برنامههاي اصلاحی برنج به آنها توجه میشود. بنابراین، در این تحقیق از روش مطالعه ارتباط در مقیاس ژنوم - GWAS - تحت مدل خطی مختلط با لحاظ ضرایب خویشاوندي - MLM+K - و با به کارگیري 37000 نشانگر SNP، براي شناسایی نواحی ژنومی مرتبط با دو صفت ارتفاع بوته و زمان خوشهدهی در برنج استفاده شد.
براي ارتفاع بوته 9 ناحیه ژنومی - بر روي کروموزومهاي 1، 2، 5، 7، 10، 11 و - 12 شناسایی شدند که بین 4 تا 6/8 درصد و در مجموع 48 درصد از تنوع فنوتیپی را توجیه کردند. بررسی پروژه آنوتیشن ژنوم برنج نشان میدهد که ناحیه ژنومی Ph1.1L شناسایی شده در این تحقیق، حامل ژن شناخته شده sd1 میباشد. براي زمان خوشهدهی نیز 12 ناحیه ژنومی - بر روي کروموزومهاي 1، 2، 3، 6، 7، 9، 10 و - 11 شناسایی شدند که بین 4 تا 6/6 درصد و در مجموع بیش از 61 درصد از تغییرات فنوتیپی را توجیه کردند.
همچنین، براي عملکرد دانه 11 ناحیه ژنومی - از جمله یک QTL بزرگ اثر بر روي کروموزوم - 12 شناسایی شدند که بر روي هم بیش از 65 درصد تغییرات فنوتیپی را توجیه کردند. نتایج این تحقیق میتواند به جداسازي ژنهاي جدید کنترل کننده صفات فنولوژیک منجر شود و امکان بگارگیري نشانگرهاي شناسایی شده را در برنامههاي گزینش به کمک نشانگر - MAS - میسر خواهد نمود.
مقدمه
با توسعه نشانگرهاي مولکولی اطلاعات زیادي درباره QTLهاي بسیاري از صفات زراعی در بسیاري از گیاهان زارعی 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.
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 . - 1 - ارتفاع مناسب بوته پیشنیاز حصول عملکرد مطلوب در برنامههاي بهنژادي برنج است. بنابراین، درك اساس ژنتیکی نحوه توارث آن جهت بهبود ژنتیکی برنج اهمیت دارد. این خصوصیت داراي ماهیت کمی بوده و در مطالعات گذشته با روش مکانیابی QTL، تعدادي نواحی ژنومی براي آن شناسایی شده است.
براي مثال، در مطالعهاي - 2 - هشت QTL بر روي کروموزومهاي 1، 2، 3، 4، 7 و 9 دخیل در کنترل ارتفاع بوته شناسایی کردند. کنترل زمان خوشهدهی نیز یکی از مهمترین اجزاي اثر متقابل بین گیاهان غلات و محیط رشد آنها میباشد - 3 - که نه تنها براي میزان محصول تولیدي بلکه براي کیفیت دانه برنج نیز فاکتور مهمی است . - 4 - در مطالعات گذشته مشخص شده که چندین ژن در پاسخ به فتوپریود در برنج دخالت دارند . - 5 - تحقیق حاضر با هدف شناسایی QTLهاي صفات زراعی مهمی مانند ارتفاع بوته و زمان خوشهدهی برنج با روش مطالعه ارتباط در مقیاس ژنوم - GWAS - 2 انجام شد.
مواد و روشها
در این تحقیق 282 رقم و لاین برنج از موسسه تحقیقات بینالمللی برنج - IRRI - دریافت شد و در سال 1394 در دو تکرار در شرایط مزرعهاي کشت شدند - در هر تکرار 10 بوته - . ارتفاع بوته در زمان انتقال به زمین اصلی - شروع پنجهزنی - از محل طقه تا بلندترین برگ اندازهگیري شد. همچنین زمان %50 خوشهدهی براي همه ارقام - بر حسب روز - یادداشتبرداري شد.
همچنین، عملکرد تک بوته پس از برداشت، اندازهگیري شد. ارقام مورد مطالعه در 44000 لوکوس SNP با کیت Infinium 44K SNP array تعیین ژنوتیپ شدند . - 6 - قبل از آنالیز ارتباط، لوکوسهاي منومورف و لوکوسهاي با کمتر از %5 فراوانی آلل نادر - MAF - حذف شدند. آنالیز ارتباط تحت مدل MLM با لحاظ ضرایب خویشاوندي - K - در نرمافزار Tassel انجام شد. براي تعیین ارتباطات معنیدار بین نشانگرها و خصوصیات مورد بررسی، از –Log - p_value - بالاي 3 استفاده شد.
نتایج و بحث
ژنوتیپهاي برنج تفاوت بسیار معنیداري از نظر ارتفاع بوته در زمان شروع پنجهزنی نشان دادند به طوري که تفاوت بین بلندترین و کوتاهترین رقم 32/6 سانتیمتر بود. علاوه بر آن ارقام از نظر زمان خوشهدهی نیز تفاوت بسیار معنیداري با هم نشان دادند به طوري که تفاوت دیررسترین و زودرسترین رقم 106 روز بود - جدول . - 1 بنابراین تنوع کافی در جمعیت مورد مطالعه براي انجام آنالیز مکانیابی ارتباطی وجود داشت.
36901 نشانگر SNP از 44000 نشانگر، داراي کیفیت مناسب بودند که از این میان 34072 نشانگر پس از حذف لوکوسهاي منومورف و لوکوسهاي با کمتر از %5 آلل نادر - MAF - در مجموعه داده SNP باقی ماندند. بنابراین آنالیز ارتباط با این تعداد نشانگر انجام شد که به طور متوسط به ازاي هر 12/6Kbp از ژنوم برنج یک نشانگر SNP جهت نقشهیابی وجود داشت. بیشترین تعداد نشانگر - 5921 - بر روي کروموزوم 1 و کمترین تعداد - 1654 - بر روي کروموزوم 10 قرار داشتند.
آنالیز ارتباط تحت مدل MLM - +K - با معیار –Log - p_value - >3.0 نشان داد که در ژنوم برنج در مجموع 9 ناحیه ژنومی تعیین کننده ارتفاع بوته هستند - شکل 3 . - 1 و 2 نشانگر SNP به ترتیب بر روي بازوي کوتاه کروموزمهاي 5 و 7 داراي ارتباط معنیداري با ارتفاع بوته میباشند. همچنین، 6، 2، 1، 3، 1، 4 و 2 نشانگر به ترتیب بر روي بازوي بلند کروموزومهاي 1، 2، 5، 6، 10، 11 و 12 ارتباط معنیداري با ارتفاع بوته دارند.
این نواحی ژنومی حدود 4 تا 6/8 درصد و در مجموع حدود 48 درصد از تنوع فنوتیپی این صفت را توجیه میکنند - جدول . - 2 بررسی کنسرسیوم بینالمللی پروژه آنوتیشن ژنوم برنج - IRGSP - ، مشخص میکند که یک ژن براي ارتفاع بوته به نام sd1 بر روي کروموزوم 1 در موقعیت 38382385 وجود دارد که با ناحیه ژنومی Ph1.1L شناسایی شده در این تحقیق - واقع در موقعیت - 38111539-39778040 تطابق دارد.
این ژن با شناسه Os01g0883800 که در سال 2002 جداسازي شده است، در مسیر بیوسنتز جیبرلیک اسید - GA C20Oxidase - فعالیت میکند و یکی از ژنهاي مهم کنترل کننده ارتفاع بوته است که به ژن انقلاب سبز برنج معروف است . - 7 - علاوه بر این، آنالیز ارتباط تحت مدل MLM - +K - نشان داد که در ژنوم برنج در مجموع 12 ناحیه ژنومی تعیین کننده زمان خوشهدهی هستند - شکل 1 . - 2، 1، 5، 4 و 1 نشانگر SNP به ترتیب بر روي بازوي کوتاه کروموزمهاي 1، 2، 6، 9 و 10 داراي ارتباط معنیداري با زودرسی میباشند.
همچنین، 6، 1، 6، 5 و 2 نشانگر به ترتیب بر روي بازوي بلند کروموزومهاي 1، 2، 3، 7 و 11 با زودرسی در ارتباط هستند. این QTLها حدود 4 تا 6/6 درصد و در مجموع بیش از 61 درصد از تنوع فنوتیپی این صفت را توجیه میکنند - جدول . - 3 مقایسه نتایج مکانیابی براي دو خصوصیت ذکر شده حاکی از آن است که هیچ گونه ناحیه ژنومی مشترکی براي کنترل همزمان دو خصوصیت وجود ندارد.
