بخشی از مقاله
چکیده
نقشههاي ژنتیکی در اصلاح نباتات و مکانیابی QTLهاي1 صفات کمی گیاهان زراعی اهمیت زیادي داشته و با معرفی نشانگرهاي SSR و 2TRAP به وفور در گیاهان زراعی استفاده شدهاند. با افزایش جایگاههاي ژنتیکی، دشواري تعیین ترتیب3 مطلوب آنها با راهکار مدرن الگوریتم کلنی مورچه 4 - ACO - بخوبی حل شده که در نقشهیابی ژنوم با اعمال آزمون بوتستراپ بکار گرفته میشود.
در این تحقیق، نقشههاي لینکاژي مجزائی درجمعیتی از 96 لاین دبلهاپلوئید گندم براي 35 جفت آغازگر SSR و 21 جفت آغازگر TRAP با الگوریتم کلنی مورچه ترسیم و نقشه ادغام شده، به کمک برنامه Joinmap تهیه و جهت شناسایی QTLهاي صفات عملکرد دانه و شاخص برداشت، مهمترین صفات اقتصادي گندم، استفاده شد. بر این اساس طول نقشه بدست آمده 1454/93 cM بوده و 15 کروموزوم منوپلوئید را دربر گرفت.
صفت عملکرد در سال 1385 داراي دو QTL بر روي کروموزومهاي 6B و 7A بوده که بهمراه شاخص برداشت در اغلب سالها داراي QTLهایی بزرگ اثر و کوچک اثر بوده و نیز داراي اپیستازي - AA - و اثر متقابل اپیستازي و محیط - AAE - بود. براي شاخص برداشت، جایگاه کروموزوم 2A با دو جایگاه دیگر بر روي کروموزم 5A اثر متقابل نشان داده و اپیستازي اول با سال دوم و اپیستازي دوم با سالهاي دوم و چهارم اثر متقابل نشان داده که بترتیب 3/86، 5/6 و 1/67 درصد از تنوع این صفت مهم را توجیه نمودند. این اطلاعات میتواند در کارهاي اصلاحی همانند کلونکردن و انتقال ژنهاي این صفات بکار رود.
مقدمه
یک نقشه ژنتیکی لیستی از عناصر ژنتیکی است که بر اساس الگوهاي تفرق همزمان خود مرتب شدهه و از نقطه نظر تاریخی، به ژنهاي وابسته به ویژگیهاي ریختی - فنوتیپی - همانند شکل دانه و رنگ چشم در مگس سرکه منتسب شده ولی محدود به چنین صفاتی نمیشوند . - 4 - استارتوانت اولین نقشه لینکاژي ژنتیکی را در کروموزوم X مگس سرکه معرفی نمود . - 13 - نقشههاي لینکاژي ژنتیکی کاربردهاي فراوانی در زیست شناسی شامل گزینش بر اساس نشانگر، تحلیل همبستگی بیماري5، همسانه سازي ژن مبتنی بر نقشه - 4 - 6 و معرفی و گسترش کولتیوارهاي جدید در گونههاي زراعی محسوب میشود.
نشانگرهاي DNA بطور موفقیتآمیزي جهت مطالعه تفرق در جوامع نقشهیابی به کار گرفته شده و به تشکیل نقشههاي لینکاژي کمک نمودهاند . - 11 - نشانگرهاي SSR به دلیل تنوع پذیري و چندشکلی بالا و همچنین هم بارز بودن، توانایی شگرفی را در تشخیص ژنوتیپهاي با وابستگی بالا از خود نشان میدهند. کاربرد همزمان ISSR، TRAP و AFLP و مشتقات7 آن و .... در کنار SSRها جهت انگشتنگاري و نقشهیابی QTLهاي گیاهان زراعی بکار میرود .
تکنیک نیمهتصادفی TRAP نیز توسط هیو و ویک - 8 - ارائه گردیده که از دو آغازگر تصادفی و ثابت تشکیل شده که آغازگر ثابت بر اساس اطلاعات EST صفات مورد نظر طراحی میگردداخیراً. توجه زیادي به سیستم هاي SNP و ریزآرایه8 به دلیل، وفور و چندشکلی بالا و دقیق و بررسی چندشکلی شان معطوف گردیده است. ترتیببندي لوکوسهاي ژنتیکی شیوهاي ضروري در نقشهیابی ژنوم است.
زمانی که تعداد لوکوسها زیاد باشد، تعیین ترتیب بهینه لوکوسها بدلیل جستجوي بهترین ترادف در بین تمامی حالات ممکنه امري دشوار و خسته کننده است. در سالهاي اخیر تکنیک الگوریتم کلنی مورچه - 6 - - ACO - که بر اساس رفتار واقعی کلنیهاي مورچه - شکل - 1 عمل میکند، بصورت موفقیتآمیزي در جهت مسائل مختلف بهینهسازي گسسته بکار گرفته شده است.
شکل .1 راست - نمایی ساده از الگوریتم کلنی مورچه - ACO - که در آن مورچهها کوتاه ترین مسیر را از لانه - N - براي دستیابی به غذا - F - میپیمایند. با ترشح فرمون مورچههایی که زودتر به کوتاهترین منبع غذایی دست بیابند، بقیه مورچهها نیز مسیر کوتاه را دنبال کنند. این سیستم در تعیین نقشه لینکاژي لوکوسها و نیز شبکههاي عصبی مصنوعی بکار میرود. چپ - محیط نرمافزار Antmap 1.2 جهت تشکیل نقشه لینکاژي بر اساس راهکار .ACO در این رابطه، ایواتا و نینومیا - 10 - سیستم جدید و بسیار کارآمدي را بر پایه ACO جهت ترتیببندي لوکوسها در نقشهیابی ژنوم ارائه دادند.
در این سیستم، لوکوسها و ارزش مطلق چگالی احتمال9 - یا نسبت نوترکیبی - بین لوکوسها در نظر گرفته میشوند. بر این اساس ایواتا - 9 - نرم افزار Antmap را ارائه داده که آزمون تفرق، گروهبندي لینکاژي، ترتیببندي لوکوسها،تشکیل بسیار سریع و تقریباً خودکار یک نقشه لینکاژيو انجام آزمون بوتستراپ را به خوبی انجام میدهد. محققین به کمک این برنامه، در وقت و کار خود صرفه جویی نموده و قادرند نقشهاي را بدست آورند که اعتبار آن با استفاده از آزمون بوتستراپ سنجیده میشود . - 9 - مزیت دیگر این برنامه، رسم خودکار و جذاب نقشه لینکاژي کروموزومها نسبت به برنامههاي دیگر است.
چیو و همکاران - 5 - جهت نقشهیابی ژنوم و شناسایی QTLهاي کنترلکنندة صفات گندم از 120 لاین دبل هاپلوئید، با نشانگرهاي SSR و TRAP، کار نقشهیابی صفات اگرونومیکی را انجام و نقشهاي تقریباً جامع را فراهم ساختند.یک QTL بزرگ اثر روي کروموزوم 4DL کار افزایش تعداد سنبلچه در سنبله، یک QTL روي کروموزوم 4DS ارتفاع گیاه و دو QTL نیز بر روي کروموزومهاي 5AL و 5BL تراکم سنبله را کنترل نمود. این تحقیق به منظور نقشهیابی برخی از QTLهاي صفات تولید - عملکرد دانه و شاخص برداشت - در گندم نان با یک راهکار مدرن جهت تشکیل نقشههاي لینکاژي نشانگرهاي مولکولی TRAP و SSR انجام شد.
مواد و روش ها
این تحقیق در 4 سال زراعی 1385-1388 در دانشگاه شهرکرد مرکز استان چهارمحال و بختیاري انجام شد. جامعه نقشهیابی 94 لاین گندم بهاره دبلهاپلوئید حاصل از تلاقی با ذرت بود. عملکرد دانه در واحد سطح - gm-2 - و شاخص برداشت اندازهگیري گردید. همچنین DNAي برگهاي تازه استخراج - 2 - و با 134 جفت آغازگر اولیه SSR و TRAP آزمون گردید. تشکیل نقشه لینکاژي کروموزومها با الگوریتم کلنی مورچه - ACO - و با نرمافزار - 10 - Antmap 1.2 انجام شد. این برنامه 4 قسمت اصلی بنامهاي: - 1 آزمون تفرق10، - 2 گروهبندي لینکاژي11، - 3 ترتیببندي جایگاهها12 و - 4 آزمون بوتستراپ13 دارد .
در قسمت گروهبندي لینکاژي دو روش: نزدیکترین لوکوس همسایه14 و یا تمامی ترکیبات15 وجود دارد. حد آستانه16 - علاوه بر حداقل تعداد نشانگرها براي تشکیل گروه لینکاژي - معمولاًبین 0/25 و 0/3 تغییر نماید. براي حصول بهترین تعداد گروهها و ترتیب نشانگري گروههاي لینکاژي با سعی و خطا عمل میشود - 10 - ، که در برنامه Mapmaker مشکل و طاقت فرساست.
در ترتیببندي لوکوسها نیز: معیار ترتیببندي شامل LL و SARF است. عبارت LL مخفف چگالی احتمال17 و SARF نیز مخفف Sum of adjacent fractions اند. در قسمت بعدي نرم افزار Antmap، تنظیمات مربوط به الگوریتم کلنی مورچه دیده میشود که مهمترین وجه تمایز این برنامه از دیگر برنامههاي تشکیل نقشههاي لینکاژي است و شامل: - 1 تأثیر فرمون بر انتخاب یک شهر - آلفا - ، تأثیر شباهت بر انتخاب یک شهر - بتا - ، شدت تداوم آثار فرمون - rho - ، پارامتر وزنی جهت فروکشکردن فرمون - Q - ، تعداد دفعات اجراي فرآیند الگوریتم ACO، تعداد مورچه، ارزش اولیه tau، شدت انتخاب تصادفی - r - ، پارامتر وزنی جهت انتخاب گلچین - سیگما - است.
مکانیابی QTLهاي عملکرد دانه و شاخص برداشت با نرمافزارهاي - 14 - Windows QTLCartographer 2.5 با روش نقشهیابی فاصلهاي مرکب - CIM - و - 15 - Windows QTLNetwork 2.1 انجام پذیرفت. برنامه دوم از راهکار نقشهیابی فاصلهاي مرکب مختلط - MCIM - استفاده و قادر به برآورد اثرات اصلی - M-QTL - ، اپیستازي - QQ - و اثرات متقابل QTLها با محیط - QE - و اثر متقابل اپیستازي QTLها با محیط - QQE - میباشد و با گرافیک فوقالعادة خود ارزشمند است.
نتایج و بحث
بنابه توزیع فنوتیپی صفات و نیز تفرق برتر از والدین، بررسی ژنتیکی سهم جایگاههاي کنترلکنندة این صفات ضرورت پیدا نمود - دادهها آورده نشد - . نقشه لینکاژي حاصل از 21 جفت آغازگر TRAP و 35 جفت آغازگر SSR چندشکل با سیستم ACO تشکیل که نقشهاي را با 84 نشانگر از دو نوع حاصل نمود - جدول 1، شکل 2، راست - . بر اساس جدول 1 و شکل 2، تعداد 84 جفت نشانگر روي 15 تا از 21 کروموزوم منوپلوئید گندم قرار داشته و نقشهاي را با طول 1454/93 cM پوشش داده و کروموزوم 5A بیشترین طول - 197/33 cM - و تعداد نشانگر 12 - درصد - را داشته و بطور متوسط در نقشه، در هر 18 cM یک نشانگر وجود داشت.
عملکرد دانه نیز در سال اول - 1385 - داراي دو QTL بر روي کروموزومهاي 6B و 7A بود - جدول . - 2 عملکرد دانه در سال سوم، به روش CIM داراي دو QTL بر روي کروموزومهاي 7A و 6B بوده که اولین QTL در فاصله Xfcp665-Xwmc597 در موقعیت 0/01 cM از ابتداي کروموزم، با LOD برابر 1/6 مقدار 7/62 درصد از تنوع این صفت را توجیه نمود - جدول . - 2 این صفت در سال سوم به روش MCIM بر روي کروموزم 2A داراي یک QTL بوده که با اثر افزایشی -87/09 مقدار 10/72درصد از تنوع را توجیه نمود.
عملکرد در مجموع 4 سال داراي دو QTL بر روي کروموزومهاي 2A و 4A بوده و جالب اینکه جایگاه کنترلکنندة عملکرد دانه در سال سوم، در مجموع 4 سال هم، در همین موقعیت عمل نموده و با کاهش سهمش اثر اصلی افزایشی آن منفی گردیده که نشاندهندة اثر محیط - سال - بر بیان ژنها و جایگاههاي کنترلکننده صفات کمی است.
صفت مهم و اقتصادي شاخص برداشت نیز در سال اول و نیز در مجموع سالها QTLهایی بر کروموزومهاي 5A و 7A داشت. دو صفت، در سالهاي مختلف داراي اثر متقابل QTL در محیط بوده و QTL عملکرد واقع بر کروموزوم 2A با سال دوم اثر متقابل داشته که این اثر، 5/4 درصد از تنوع آن را توجیه نمود - جدول . - 2 شاخص برداشت نیز بر روي کروموزوم 5A یک QTL داشته که در فاصله Xgwm617-Xfcp668 و در موقعیت 83 cM مقدار 3/42 درصد از تنوع را توجیه و با سال دوم اثر متقابل معنیدار داشته و در مجموع 2/52درصد از تنوع صفت را توجیه نمود.
