Journal of Crop Breeding

fa تجزیه ارتباطی صفات مهم گیاهچه ‎ای در ارقام و لاین‎ های پیشرفته گندم در شرایط بدون تنش و تنش شوری Association Analysis for Main Seedling Characteristics in Wheat Advanced Varieties and Lines under Non-Stressed and Salt-Stressed Conditions اصلاح نباتات مولكولي اصلاح نباتات مولكولي پژوهشي Research <div style="text-align: justify;">چکیده مبسوط مقدمه و هدف: گندم (L.Triticum aestivum ) به عنوان یک غله استراتژیک، نقش حیاتی در امنیت غذایی جهانی ایفا می‌کند و منبع اصلی تغذیه برای بیش از ۳۵ درصد از جمعیت جهان محسوب می‌شود. با این حال، تولید پایدار این محصول با چالش‌های متعددی از جمله تنش‌های غیر زیستی مواجه است. در میان این تنش‌ها، شوری یکی از مهمترین عوامل محدودکننده تولید گندم در بسیاری از مناطق جهان به شمار می‌رود. تنش شوری نه تنها بر جوانه‌زنی و استقرار گیاهچه تأثیر منفی می‌گذارد، بلکه مراحل مختلف رشد، عملکرد نهایی و حتی ویژگی‌های کیفی دانه را نیز به شدت تحت تأثیر قرار می‌دهد. با توجه به گسترش روزافزون خاک‌های شور و کاهش منابع آب با کیفیت، شناسایی و معرفی ارقام متحمل به شوری در برنامه‌های به‌نژادی گندم ضروری است. تحمل به شوری یک صفت کمی پیچیده است که توسط تعداد زیادی از ژن‌ها و شبکه‌های پیچیده فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی کنترل می‌شود. از آنجا که این مکانیسم‌ها شامل ویژگی‌های فیزیولوژیک و مورفولوژیک متعددی می‌شوند، ارزیابی تنوع ژنتیکی و شناسایی نشانگرهای مولکولی مرتبط با صفات فیزیولوژیک و مورفولوژیک، گامی ضروری برای بهبود ژنتیکی این گیاه محسوب می‌شود. استفاده از نشانگرهای مولکولی، نظیر ریزماهواره‌ها (SSR) که با نواحی ژنی کنترل‌کننده تحمل به شوری ارتباط دارند، امکان گزینش دقیق‌تر و سریع‌تر ژنوتیپ‌های متحمل را در قالب گزینش به کمک نشانگر فراهم می‌کند. بر این اساس، پژوهش حاضر با هدف شناسایی تنوع ژنتیکی و نشانگرهای مهم مولکولی مرتبط با صفات مهم گیاهچه‌ای تحت شرایط بدون تنش و تنش شوری در ژنوتیپ‌های گندم اجرا شد. مواد و روش&lrm;ها: در بخش ارزیابی فنوتیپی، تعداد ۳۷ ژنوتیپ گندم در قالب طرح بلوک&lrm;های کامل تصادفی با سه تکرار در دو شرایط بدون تنش و تنش شوری در سال ۱۳۹۹ در گلخانه تحقیقات شوری بخش تحقیقات غلات موسسه اصلاح و تهیه نهال و بذر کرج در محیط کشت هوگلند مطالعه شدند. در تیمار شاهد (بدون تنش) محلول غذایی هوگلند و در تیمار تنش شوری محلول غذایی هوگلند حاوی NaCl با شوری ۱۲ دسی&lrm;زیمنس بر متر استفاده شدند. پس از دوره رشد شش هفته‌ای، صفات فیزیولوژیک و مورفولوژیک مهمی شامل میزان کلروفیل برگ، طول، عرض و سطح برگ پرچم، بیوماس کل، میزان یون‌های سدیم و پتاسیم و نسبت پتاسیم به سدیم اندازه‌گیری شدند. در بخش مولکولی، استخراج DNA به روش CTAB از برگهای جوان و عاری از بیماری انجام گرفت. سپس DNA استخراجشده از نظر خصوصیات کیفی و کمی، شامل غلظت و خلوص آن، توسط دستگاه اسپکتروفتومتری و الکتروفورز ژل آگارز یک درصد بررسی گردید. تمامی ژنوتیپ‌های مورد بررسی با استفاده از 27 نشانگر SSR که با نواحی گزارش شده QTLهای تحمل به شوری در گندم مرتبط بودند، مورد ارزیابی قرار گرفتند. در بخش ارزیابی مورفولوژی، تجزیه وایانس داده &lrm;ها با استفاده از نرم افزارهای SPSS v.21 و در بخش مولکولی تعیین ساختار جمعیت با استفاده از روش بیزین در نرم‌افزار Structure v.2.3.4، محاسبه شاخص های تنوع و تجزیه واریانس مولکولی با استفاده از نرم افزار GenAlEx v.6.501، تجزیه به مختصات اصلی و تجزیه خوشه ای با استفاده از الگوریتم UPGMA در نرم افزار DARwin v.6 و تجزیه ارتباطی براساس مدل MLM در نرم‌افزار TASSEL v.4 انجام شدند. یافته &lrm;ها: نتایج تجزیه واریانس در دو شرایط نشان دادند که بین ژنوتیپ&lrm;های مورد مطالعه از نظر صفات میزان کلروفیل برگ، طول و عرض برگ پرچم، سطح برگ پرچم، بیوماس کل، میزان سدیم، میزان پتاسیم و نسبت میزان پتاسیم به سدیم برگ تفاوت های آماری معنی&lrm;داری وجود داشتند (0.01<p) ، که بیانگر تنوع ژنتیکی بالا بین ژنوتیپ&lrm;های مورد بررسی است. در تجزیه ساختار جمعیت، ژنوتیپ&lrm;های مورد بررسی براساس حداکثر مقدار ∆K در دو زیر گروه احتمالی (۲=K) طبقه&lrm;بندی شدند، به&lrm; طوری&lrm;که در زیر گروه اول ۱۸ ژنوتیپ و در زیر گروه دوم ۱۹ ژنوتیپ قرار گرفتند. در زیرگروه اول شامل چهار رقم تجاری و ۱۴ لاین امیدبخش و زیرجمعیت دوم ۱۰ رقم تجاری و ۹ لاین امیدبخش گروه بندی شدند. بر اساس شاخص های تنوع، زیرگروه دوم در مقایسه با زیرگروه اول تنوع بسیار بیشتری نشان داد. بر اساس تجزیه واریانس مولکولی، بین دو زیرگروه تمایز ژنتیکی معنی داری مشاهده شد. با توجه به نتایج تجزیه ارتباطی با روش مدل خطی مخلوط (MLM)، در شرایط بدون تنش تعداد ۲۹ و در شرایط تنش شوری تعداد ۳۰ ارتباط معنی&lrm;دار (0.01<p ) نشانگر-صفت مشاهده شدند. در شرایط تنش شوری، نشانگرهای gwm108 و gwm47 با صفات میزان سدیم و نسبت میزان پتاسیم به سدیم ارتباط بالایی نشان دادند که می&lrm;توانند در شناسایی نمونه های متحمل به تنش شوری مورد استفاده قرار گیرند. نتیجه گیری: نتایج این پژوهش اطلاعات ارزشمندی را در ارتباط با تنوع ژنتیکی ژنوتیپ‌های مورد بررسی و مبنای ژنتیکی صفات مورد مطالعه فراهم می نماید. شناسایی نشانگرهای مرتبط با صفات مهم فیزیولوژیک و مورفولوژیک تحت شرایط تنش شوری، امکان گزینش به کمک نشانگر را برای بهبود تحمل به شوری در گندم فراهم می‌کند. این یافته‌ها را می‌توان در پیشبرد برنامه‌های به‌نژادی و گزینش و تولید ژنوتیپ‌های مطلوب با تحمل به شوری مورد استفاده قرار داد. نشانگرهای شناسایی شده به ویژه gwm108 و gwm47 را می‌توان به عنوان ابزارهای مولکولی ارزشمندی در برنامه‌های به‌نژادی گندم برای مناطق تحت تأثیر شوری به کار گرفت.  </div> <div style="text-align: justify;">Extended Abstract Background: Wheat (Triticum aestivum L.) is a strategic cereal crop that plays a vital role in global food security, serving as a primary source of nutrition for over 35% of the world's population. However, the sustainable production of this crucial crop faces numerous challenges, including abiotic stresses. Among these, salinity stress stands out as one of the most significant factors limiting wheat production in many regions worldwide. Salinity stress negatively impacts not only seed germination and seedling establishment but also severely affects various growth stages, final yield, and even grain quality parameters. The mechanisms of salt-induced damage include osmotic stress, ionic toxicity, nutritional imbalance, and oxidative stress. Given the increasing expansion of saline soils and the reduction of quality water resources, identifying and developing salt-tolerant cultivars has become essential in wheat breeding programs. Salt tolerance is a complex quantitative trait controlled by numerous genes and intricate physiological and biochemical networks. Since these mechanisms involve multiple physiological and morphological characteristics, assessing genetic diversity and identifying molecular markers associated with key physiological and morphological traits represents a crucial step for the genetic improvement of this crop. The utilization of molecular markers, particularly Simple Sequence Repeats (SSRs), which are linked to genomic regions controlling salt tolerance, enables more precise and efficient selection of tolerant genotypes through Marker-Assisted Selection (MAS). Therefore, this study was conducted to identify genetic diversity and important molecular markers associated with key seedling traits in wheat genotypes under both non-stress and salt-stress conditions. Methods: In the phenotypic evaluation phase, 37 wheat genotypes, including commercial varieties and promising lines, were studied in a Randomized Complete Block Design (RCBD) with three replications under two non-stress and salt stress conditions. The experiment was conducted in 2020  in the Salinity Research Greenhouse of the Cereal Research Department at the Seed and Plant Improvement Institute (SPII), Karaj, using the Hoagland nutrient solution as the growth medium. A standard Hoagland nutrient solution was used for the control treatment (non-stress). The salt stress treatment consisted of the Hoagland solution supplemented with NaCl to achieve a salinity level of 12 dS/m. Important physiological and morphological traits were measured after a six-week growth period, including leaf chlorophyll content (using a SPAD meter), flag leaf length, width and area (measured using ImageJ software), total biomass, and concentrations of sodium (Na⁺) and potassium (K⁺) ions (measured by flame photometry), subsequently calculating the K⁺/Na⁺ ratio. In the molecular phase, genomic DNA was extracted from young, disease-free leaves using the CTAB method. The quality and quantity of the extracted DNA, including concentration and purity, were assessed using spectrophotometry and 1% agarose gel electrophoresis. All genotypes were evaluated using 27 SSR markers previously reported to be associated with Quantitative Trait Loci (QTLs) for salt tolerance in wheat. For morphological data analysis, the analysis of variance (ANOVA) was performed using SPSS software (version 21). In the molecular analyses, population structure was determined using the Bayesian method implemented in the Structure software (version 2.3.4). Diversity indices and molecular variance (AMOVA) were calculated using GenAlEx software (version 6.501). Principal Coordinate Analysis (PCoA) and cluster analysis based on the UPGMA algorithm were performed using DARwin software (version 6). Association analysis was conducted using the Mixed Linear Model (MLM) in TASSEL software (version 4). Results: The ANOVA for the measured traits under both conditions revealed statistically significant differences (p < 0.01) among the genotypes for all traits: leaf chlorophyll content, flag leaf length, width and area, total biomass, sodium ion concentration, potassium ion concentration, and the K⁺/Na⁺ ratio. These results indicate the presence of high genetic diversity among the investigated genotypes, providing a basis for selecting superior genotypes. Population structure analysis based on the maximum value of ∆K classified the genotypes into two potential subpopulations (K=2). Subpopulation 1 comprised 18 genotypes (four commercial varieties and 14 promising lines), while subpopulation 2 contained 19 genotypes (10 commercial varieties and nine promising lines). Based on various diversity indices (e.g., Shannon's Information Index, Nei's gene diversity), subpopulation 2 exhibited considerably higher genetic diversity than subpopulation 1. AMOVA also confirmed significant genetic differentiation between the two subpopulations. Based on the results of the association analysis using the Mixed Linear Model (MLM), 29 significant (p < 0.01) marker-trait associations (MTAs) were identified under non-stress conditions, and 30 significant (p < 0.01) MTAs were found under salt stress conditions. Under salt stress, the markers gwm108 and gwm47 showed strong associations with sodium ion concentration and the K⁺/Na⁺ ratio, indicating their potential utility for identifying salt-tolerant genotypes. Conclusion: This study provides valuable information regarding the genetic diversity of the investigated wheat genotypes and the genetic basis of the studied traits under salt stress. The identification of molecular markers significantly associated with key physiological and morphological traits under salinity stress enables the application of Marker-Assisted Selection for improving salt tolerance in wheat. These findings can be utilized to advance wheat breeding programs for the selection and development of high-yielding, salt-tolerant genotypes. The identified markers, particularly gwm108 and gwm47, can serve as valuable molecular tools in wheat breeding programs targeting salinity-affected regions.</div> گرفت. تجزیه ارتباطی, کشت هیدروپونیک, شوری, گندم Association analysis, Hydroponic culture, Salinity, Wheat 45 59 http://jcb.sanru.ac.ir/browse.php?a_code=A-10-660-4&slc_lang=fa&sid=1 Ghazal Dogmechi Karimi غزل دوگمچی کریمی ghazalll.karimi95@gmail.com 100319475328460026369 100319475328460026369 No Department of Plant Production and Genetics, Urmia University, Urmia, Iran گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران Iraj Bernousi ایرج برنوسی i.bernosi@urmia.ac.ir 100319475328460026370 100319475328460026370 Yes Department of Plant Production and Genetics, Urmia University, Urmia, Iran گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران Ashkbous Amini اشکبوس امینی ashk.amini@areeo.ac.ir 100319475328460026371 100319475328460026371 No Seed and Plant Breeding Research Institute, Agricultural Education and Extension Research Organization, Karaj, Iran مؤسسه تحقیقات اصلاح و تهیه نهال و بذر، سازمان تحقیقات آموزش و ترویج کشاورزی، کرج، ایران Hadi Alipour هادی علی پور ha.alipour@urmia.ac.ir 100319475328460026372 100319475328460026372 No Department of Plant Production and Genetics, Urmia University, Urmia, Iran گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشگاه ارومیه، ارومیه، ایران