توصيفگر ها :
گندم نان , عملكرد دانه , ويژگي هاي ريشه , مطالعه ارتباطي سراسر ژنومي , تنش خشكي , WAMI , GWAS
چكيده فارسي :
سالانه بيشترين سطح كشت ميان گياهان زارعي در كل دنيا به كشت گندم اختصاص مي¬يابد. اين غله غذاي اصلي حدود يك سوم انسان هاست و در خاورميانه و شمال آفريقا بيش از 50 درصد كالري موردنياز هر فرد را تأمين مي‌كند. تغييرات آب و هوايي جهاني پيش بيني مي¬كنند در صورت عدم تعديل روند كنوني خشكي، تا 60 درصد از مناطق فعلي گندم كاري تا پايان اين قرن، همزمان با حوادث شديد كمبود آب مواجه مي شوند، در حالي كه امروز فقط 15 درصد از اراضي دچار اين وضعيت هستند. براي پاسخگويي به تقاضاي ناشي از رشد جمعيت تا سال 2050 افزايش عملكرد سالانه بيشتري مورد نياز است. مطالعات نقشه يابي ارتباطي سراسر ژنومي (GWAS) يكي از رويكردهاي اصلي براي شناسايي ارتباط نشانگر و صفت (MTA) است و براي تجزيه اساس ژنتيكي صفات پيچيده به كار مي رود. جمعيت گندم WAMI به منظور نقشه يابي ارتباطي صفات پيچيده تحت شرايط تنش از طرف موسسه سيميت معرفي شده است و به دفعات در شرايط اقليمي گوناگون مورد مطالعه قرار گرفته است. اهداف اين مطالعه ارزيابي عملكرد دانه ، اجزاء آن و خصوصيات ريشه تحت شرايط تنش و عدم تنش براي شناسايي مكان ها و نشانگرهاي مولكولي مرتبط با عملكرد و ويژگي هاي ريشه و گزارش QTL ها يا SNP هاي منتخب براي بهبود عملكرد بود. در اين پژوهش جمعيت WAMI در شرايط تنش و عدم تنش در مزرعه مورد ارزيابي صفات زراعي و در گلخانه از نظر صفات ريشه¬اي بررسي شد. در مطالعه حاضر ، 14968 SNP از 90K Illumina iselect SNP ، با موقعيت فيزيكي شناخته شده در ژنوم ، براي شناسايي ارتباط نشانگر-صفت (MTA) با عملكرد ، اجزاي عملكرد و خصوصيات ريشه در هر دو شرايط تنش و عدم تنش خشكي در قالب سه آزمايش مجزا استفاده شد. در آزمايش مزرعه¬اي اول، عملكرد و اجزاي آن در محيط هاي عدم تنش و تنش آبي به مدت دو سال ارزيابي شدند و سپس GWAS انجام شد. در آزمايش دوم ، ويژگي¬هاي ريشه اي صرفاً براي يك زيرمجموعه انتخاب شده از جمعيت WAMI در لوله هاي خاك در مزرعه و تحت تيمارهاي تنش و عدم تنش خشكي مطالعه شدند و سپس GWAS انجام گرفت. همچنين ، مطالعات مزرعه¬اي قبلي بر روي WAMI موجب اعتبارسنجي نتايج گرديد. در آزمايش سوم ، ويژگي هاي ريشه هاي گياهچه¬اي زيرجمعيت WAMI طي سه هفته پس از جوانه زني تحت تنش و عدم تنش اسمزي مورد بررسي قرار گرفت. در آزمايش اول 17 MTA براي عملكرد دانه، 48 عدد براي وزن هزاردانه، 40 عدد براي تعداد دانه در سنبله، 46 عدد براي تعداد سنبلچه در سنبله، 90 عدد براي طول پدانكل و 125 عدد براي طول سنبله شناسايي شد. در ميان آنها ، 28 منطقه ژنومي كانديد براي ارتباط با صفات مورد مطالعه مشخص شد. در آزمايش دوم، چهار مولفه¬ "توسعه ريشه" ، "سيستم ريشه اي عميق" ، "بنيه گياه" و "ويژگي¬هاي سنبله" حاصل از تجزيه به مولفه¬هاي اصلي به طور موثري صفات مورد مطالعه را خلاصه كرد. زيرجمعيت مورد مطالعه در اين آزمايش هيچ گونه انحرافي از WAMI در رابطه با ساختار جمعيت نشان نداد. در ميان 14968 SNP ، در مجموع 116 مكان منحصر به فرد (186 MTA) توزيع شده بر روي كروموزوم هاي گندم (به استثناي 1D ، 4A ، 4D ، 6D و 7D) حداقل با يكي از ويژگي ريشه مرتبط بود. در ميان اين مكان ها ، 38 عدد تحت عدم تنش و 78 عدد تحت شرايط تنش شناسايي شدند. هيچ مكان ژنتيكي مشتركي ميان دو رژيم آبياري يافت نشد. همچنين، در مجموع 47 SNP منتخب براي صفات مورد مطالعه و مولفه هاي مربوطه پس از اعتبارسنجي گزارش شد. در آزمايش سوم ، در مجموع 169 مكان منحصر به فرد (334 MTA) كه بر روي كل ژنوم به جز كروموزوم هاي 4D، 6D و 7D توزيع شده، با حداقل يك صفت مرتبط بود. در ميان اين مكان¬ها، 58 مورد تحت شرايط عدم تنش ، 56 مورد تحت شرايط تنش اسمزي و 19 مورد در مدل تركيبي شناسايي شدند. در ميان آن-ها ، 26 QTL و 17 SNP براي ويژگي هاي ريشه بر اساس قوام و تأثير آنها مشخص شد. همچنين با به كارگيري تمام مكانهاي شناسايي شده در اين آزمايش در مدل¬هاي رگرسيون سه تيغي نتايج اميدواركننده اي مبني بر تأثير خصوصيات ريشه بر عملكرد دانه نشان داده شد. مطالعه حاضر با تعداد زيادي MTA، منابع ژنومي غني را براي اصلاح عملكرد دانه و اجزاي آن به كمك نشانگر در اختيار ما قرار مي دهد. انتظار مي¬رود اين مطالعه به درك ژنتيك ، اصلاح براي عملكرد بيشتر و ايجاد فرصتي براي بهبود بيشتر بهره وري گندم در شرايط تنش خشكي با توجه به خصوصيات ريشه كمك كند.
چكيده انگليسي :
Wheat occupies the largest global harvested area of any crop. More than a third of agricultural fields are threatened by phenomenon such as desertification. Changes in the global aridity agree with climate model predictions, where severe and widespread droughts might occur due to decreased precipitation, increased temperature and evaporation. As the climate becomes more variable over the years and at specific locations, yield stability and overall adaptation are increasingly important. To address the rising global population and climate effects, wheat breeders need to achieve 2% genetic gain annually. The recognition of the genetic foundation of complex traits in wheat such as the grain yield, its components and root characteristics, particularly in the water-stressed environment, provides an opportunity for future breeding programs. Particularly root features are challenging to enhance through conventional selection strategies, and therefore, molecular approaches such as genome-wide association studies (GWAS) may help overcome some of the limitations. In the current study, 14968 SNPs of the 90K Illumina iselect SNP array, with known physical position in the genome, was used to identify marker-trait association (MTA) with yield, its components and root characteristics under both drought-stress and well-watered conditions across three distinct experiments. In the first field experiment we have evaluated the yield and its components under well-watered and water stressed environments for two years and then performed GWAS. For the second experiment, considering the labor, time and cost, we have studied the root characteristics of a selected subset of elite lines among entries of WAMI in soil tubes in the field and then performed GWAS. Also, former field studies on WAMI enabled us to validate the results. In the third experiment characteristics of seminal roots of the subset of WAMI were evaluated within the three weeks after germination under osmotic stress and none-stressed environments. The objectives of this study were to evaluate grain yield, its component and the root characteristics under contrasting stress environments to identify loci and molecular markers associated with yield and root traits, and report candidate QTLs, hotspots or SNPs for yield improvement. In the first experiment, 17 significant MTAs were found for YLD, 48 for TKW, 40 for Nseed, 46 for Nspikelet, 90 for PL and 125 for SpL. Among them 28 hotspot regions were identified for studied traits. In the second experiment, the “root development”, “deep rooting system”, “plant vigor”, and “spike properties” effectively summarized the studied traits via PCA. The studied subset in this experiment did not illustrate any deviation from WAMI regarding the population structure. Among the 14968 SNPs a total of 116 unique loci (186 MTAs) distributed on the wheat chromosomes (except for 1D, 4A, 4D, 6D, and 7D) showed associated with at least one root characteristics. Among these loci, 38 were identified under the WW regime and 78 under the WS condition. No common locus was found under both water regimes.
