بخشی از مقاله
چکیده :
سنجش طیف انعکاسی به عنوان یک روش سریع، غیر مخرب و سازگار میتواند جایگزین قدرتمندي براي روشهاي سنتی و گران قیمت در اصلاح نباتات به منظور ارزیابی ژرمپلاسمهاي بزرگ باشد. اساس ژنتیکی ویژگیهاي طیف انعکاسی و کاربرد مستقیم آنها براي غربالگري سریع در گندم به ندرت مورد بررسی قرار گرفته است.
در این مطالعه 226 لاین دابل هاپلوئید گندم - حاصل از تلاقی یک رقم قدیمی و یک رقم مدرن - از نظر پارامترهاي مورفو فیزیولوژیک و همچنین طیف انعکاسی در اتاق رشد - مرحله گیاهچه - و عملکرد، میزان پروتئین و صفات مرفولوژیک در مزرعه - مرحله بلوغ - بررسی شدند.
دادههاي طیف انعکاسی براي 200 طول موج بین 390 تا 1090 نانومتر اندازه گیري شد و سپس 14 شاخص نیز بر اساس آنها محاسبه شد. تنوع ژنتیکی بالایی براي طیف انعکاسی و دیگر ویژگیهاي اندازه گیري شده یافت شد. والد مدرن و نیز ارقام داراي عملکرد بالا، بازتاب کمتري در طول موجهاي مرئی نشان دادند. صفات عملکرد و درصد پروتئین ارتباط منفی با بازتابهاي مرئی نشان دادند در حالی که عمده تنوع صفات فیزیولوژیک بطور یکسانی از هر دو گروه بازتابهاي مرئی و مادون قرمز متاثر شد. نتایج نشان داد که استفاده از تکنولوژي طیف انعکاسی میتواند مدلهایی براي گزینش سریع، غیر مخرب و دقیق براي بسیاري از صفات در گندم در مراحل اولیه و نهایی رشد را فراهم آورد.
مقدمه
بهبود ژنتیکی گیاهان معمولا هزینههاي پرسنلی بسیار بالایی را به همراه دارد زیرا اصلاحگران به طور مرتب تعداد زیادي از نمونهها را براي صفات مختلف بویژه عملکرد و کیفیت محصول ارزیابی میکنند. توسعه تکنیکهایی که بتواند ویژگیهاي مهم را بر اساس صفات ثانویه دیگر بویژه در مراحل اولیه رشد گیاه سنجش کند، میتواند براي کاهش زمان ارزیابی و هزینه بسیار مفید باشد
در سالهاي اخیر استفاده از حسگرهاي کنترل از راه دور یا نزدیک - پروگزیمال - ، تصویربرداري طیف انعکاسی و اسکنر لیزري توانسته است فنوتایپینگ کم هزینه، کارآمد و با توان بالا را در اختیار قرار دهد
اساس طیف انعکاسی بر توانایی اندازهگیري انرژي الکترومغناطیسی در طول موجهاي مختلف است که بخشهاي مختلف گیاه به آن واکنش نشان میدهند. هدف از این علم، اندازه گیري یک فنوتیپ کمی از طریق تعامل بین نور و گیاه، مانند فوتون منعکس شده، جذب شده، انتقال یافته و منتشر شده است. زیرا هر جزء از سلولها و بافتهاي گیاهی داراي خواص بازتابی و جذبی خاصی هستند. به عنوان مثال، واکنش یک گیاه سالم به تابش الکترو مغناطیسی - جذب، بازتاب، انتشار، انتقال و فلورسنت - متفاوت از یک گیاه آلوده است
این علم در طول 50 سال گذشته بینش ارزشمندي را در زمینه علوم و صنایع کشاورزي به ارمغان آورده است . - 4 - لابوس امکان استفاده از این روش را به عنوان یک معیار انتخاب در برنامههاي گندم مطرح کرده است
در عمل به منظور استفاده راحتتر از طیف انعکاسی در کشاورزي، انرژي الکترومغناطیسی در باندهاي مختلف طول موج معمولا به شاخصهاي طیف انعکاسی خلاصه میشود که بیشتر براي پیشبینی رویکردهاي فیزیولوژیک گیاه یا صفات زراعی استفاده می شوند. شاخصهاي طیف انعکاسی، روش ساده و راحت براي استخراج اطلاعات از دادههاي حساس طیف انعکاسی است که پردازش و تجزیه و تحلیل مقادیر زیادي از دادهها را تسهیل میکن
چندین شاخص مرتبط با عملکرد دانه و سایر ویژگیهاي زراعی و فیزیولوژیک مهم یافت شده است 1 - و - 3، با این وجود این شاخصها تمام نوارهاي طیفی حاصل از سنسورها را در نظر نمیگیرند. به عبارت دیگر هر شاخص از روي دو یا چند باند محدود ساخته میشود بنابراین در عمل اطلاعات قابل توجهی از دست میرود و از طرف دیگر براي همه ارقام قابل تعمیم نیستند.
در این راستا با توسعه برنامههاي کامپیوتري لازم است الگوریتمهایی توسعه یابند که نیاز به تفسیر دادههاي بزرگ حاصل از سنجش طیف انعکاسی را میسر سازند 2 - و . - 5 برخی روشهاي تحلیلهاي چند متغییره نظیرتجزیه به مولفههاي اصلی که به طور گستردهاي در انتخاب ژنومی نیز کاربرد دارد ممکن است در این زمینه نیز مفید باشند - . - 2 مطالعات کاربردي براي پیش بینی عملکرد دانه و صفات فیزیولوژیک از روي بازتابش طیفهاي نوري در مراحل مختلف در اصلاح گندم بسیار اندك است. بر این اساس این مطالعه با هدف بررسی تنوع ژنتیکی ویژگیهاي طیف انعکاسی و کاربرد آنها براي غربالگري سریع در گندم انجام گرفت.
مواد و روشها
در این مطالعه 226 لاین گندم در دو آزمایش گلخانهاي - مرحله گیاهچه - و مزرعهاي در دانشگاه گولف کانادا مورد مطالعه قرار گرفتند. این لاینها نتاج دابل هاپلوئید حاصل از تلاقی رقم - RedFifeبه عنوان جد ارقام گندم کانادا - با یک رقم مدرن اصلاح شده و تجاري به نام Stettler بودند. در شرایط گلخانه آزمایش در 6 تکرار و در قالب طرح بلوك کامل تصادفی و هر بار روي 3 نمونه - گلدان - - بدلیل جنبه تخریبی بودن برخی صفات - انجام شد.
شرایط گلخانه شامل دماي 21 درجه طی روز و 18 درجه طی شب، فتوپریود 16 ساعت و رطوبت نسبی 50 درصد بود. در مرحلهي 3 برگی - دوهفته پس از کاشت - و بر روي برگ دوم بوتهها صفات مختلف شامل: میزان فتوسنتز و پارامترهاي مربوطه، محتواي کلروفیل، مساحت برگ، تنفس و بیومس کلی اندازه گیري شد. طیف انعکاسی با دستگاه UNISPECیک چمبر از طریق تابش نور لامپ هالوژن به یک طرف در دو نقطه برگ اندازه گیري شد. در شرایط مزرعه، لاینهاي دابلهاپلوئید در سال 2017 در دو منطقه - مزرعه - Belwood - و - Elora در دو تکرار در قالب طرح پایه بلوك کامل تصادفی - با امکان تجزیه بصورت لاتیس - کشت شدند. هر کرت آزمایشی شامل 6 ردیف کاشت به مساحت حدود 2 متر مربع بود. مجموعهاي از صفات مرفولوژیک و زراعی شامل روز تا 50 درصد خوشهدهی، روز تا 100 درصد خوشهدهی، ارتفاع بوته، طول خوشه، عملکرد دانه و محتوي پروتئین اندازه گیري شد. طیف انعکاسی در روز آفتابی با دستگاه UNISPECدو چمبر اندازه گیري شد. دادههاي مربوطه به طیف انعکاسی - حدود
200 طول موج در هر یک از شرایط گلخانه و مزرعه - به همراه 14 شاخص طیف انعکاسی براي بررسی رابطه آنها با صفات، ساختن مدلهاي رگرسیونی و نیز بررسی امکان غربالگري ژنوتیپها با استفاده از روشهاي چند متغیره مورد بررسی قرار گرفتند.
نتایج و بحث
در هر دو مطالعه تنوع بسیار زیادي بین لاینها براي صفات مورد مطالعه یافت شد. دامنه صفات نتاج براي اکثر صفات خارج از محدوده والدین بود که حاکی از توارث کمی و وجود تفکیک متجاوز میباشد. میزان وراثت پذیري بارتابشهاي مورد بررسی براي هر دو شرایط مزرعه و گلخانه در حد متوسط بود. بیشترین وراثت پذیري صفات فیزیولوژیک - در مطالعه گلخانه - مربوط به محتوي کلروفیل بود در حالی که در شرایط مزرعه به صفت ارتفاع بوته تعلق داشت - نتایج نشان داده نشده است - .
روند تغییرات طیف انعکاس نور و میزان تنوع در جامعه دابل هاپلویید در شکل 1 آورده شده است. دو والد قدیم و جدید گندم - به ترتیب RedFife و - Stettler از نظر طیف انعکاسی تفاوت قابل ملاحظهاي را در هر دو شرایط مزرعه و گلخانه نشان دادند. والد جدید انعکاس کمتري در اکثر طول موجها نشان داد که میتواند ناشی از انتخاب مثبت باشد. حداقل و حداکثر طیف انعکاسی در جمعیت دابل هاپلویید - نقطه چینها - نشان میدهد که تنوع قابل ملاحظهاي در جمعییت حاصله وجود داشت که میتواند در مطالعات اصلاحی استفاده شود.
شکل -1 روند تغییرات طیف انعکاس نور و میزان حداکثر و حداقل در جامعه دابل هاپلویید در گلخانه - الف - و مزرعه - ب - . RedFife و Stettler به ترتیب والد قدیمی و والد جدید می باشند.
نتایج تجزیه مولفههاي اصلی براي شاخصهاي طیف انعکاسی و صفات در شرایط مزرعه و گلخانه در شکل 2 آورده شده است. نمودار بايپلات نشان میدهد که اکثر شاخصهاي محاسبه شده به غیر از RARSa - شاخص کلروفیل - ، WI - شاخص آب - و - PSRIشاخص شادابی - همبستگی بالایی با عملکرد دانه دارند.
این سه شاخص جنبههاي متفاوتی از رشد گیاه را نشان میدهند. براساس بردارهاي ویژه صفات، مشخص گردید که مولفه اول توسط بازتابهاي مرئی و مولفه دوم توسط بازتاب هاي مادون قرمز توجیه می شوند. در شرایط گلخانه، صفات فیزیولوژیک در مرکز باي پلات قرار گرفتند که نشان میدهد
تنوع موجود در این صفات بطور یکسانی از هر دو گروه امواج مرئی و مادون قرمز متاثر میشوند. در شرایط مزرعه، صفات عملکرد و درصد پروتئین ارتباط منفی با بازتابهاي مرئی نشان دادند که نشان میدهد ارقامی که میزان انعکاس کمتر - جذب بیشتري - در این طول موجها دارند، تولید بیشتري داشته و از کیفیت بالاتري نیز برخوردارند.
