SUPERVISOR
مهدی رحیم ملک (استاد راهنما) محمد مهدی مجیدی (استاد مشاور) قدرت اله سعیدی (استاد مشاور) محمدرضا سبزعلیان دستجردی (استاد راهنما)
STUDENT
Soraya Karami
ثریا کرمی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1391
TITLE
Effect of Species and Seed Color on Agronomic Traits, Seed Properties and Anthocyanin Biosynthesis Pathways in Carthamus spp.
Safflower ( Carthamus tinctorius ) is an oilseed crop which is largely affected by the damage of safflower fly ( Acanthiophilus helianthi ). Some of the physical traits related to the seed, including the color and hardness of the seed coat, have been introduced as factors affecting the mechanisms of resistance to pests ( Antibiosis and Antixenosis ) as well as the agronomic traits and nutritional and medicinal value of different plant species. Since the seed coat in different species of the genus Carthamus has several color patterns, therefore, after collecting a germplasm consisting of cultivated species (with white seed coat), four wild species (white, brown and black colors) and a breeding line obtained via interspecific hybridization with black seed coat (A82), the effect of color, hardness, surface structure, thickness and polyphenolic composition of the seed coat on the resistance to safflower fly was investigated. Also, the effect of seed coat color on the antioxidant properties, total flavonoid content (TFC), cyanidin-3-glucoside content (Cyd-3-glu), quantity and quality of seed oil was investigated. Then, the possibility of transferring seed color through intra-specific crosses was studied and inheritance of seed coat color were considered. Subsequently, based on three candidate genes in the anthocyanin biosynthesis pathway, the molecular basis of seed coat color was studied. Also, the effect of consumption of black-coated seed genotype, A82, compared to white-coated seeds from cultivated genotypes was investigated on biochemical enzymes of blood serum and vital tissues of Wistar rats. The choice test in 2014 revealed the significantly higher values of the percentage of infested heads, seed loss and seed yield loss in cultivated safflower compared to wild accessions and the line A82. Similar results were obtained in independent choice tests in the following two consecutive years, and the percentage of seed loss and seed yield loss in the black-seeded genotype of A82 was significantly lower than the other four cultivated genotypes. Additionally, the highly significant correlation was observed between the resistance to safflower fly and each of the two parameters of seed hardness and seed coat color. Therefore, the cultivated genotypes with white seed coats were more sensitive to damage of safflower flies and showed the least resistance compared to wild genotypes with colored seed coat and genotype A82 due to lower thickness of seed coat. Based on the differences observed in the seed coat structure, surface and thickness, it is suggested that the morphological structure, hardness and seeds coat color concomitantly contribute to the fly resistance through the antixenosis mechanism. Seed coat phytochemical studies showed that TFC and Cyd-3-glu content probably did not interfere with seed hardness and antixenosis mechanism. However a significantly negative and positive correlations were observed between the concentrations of four polyphenolic compounds (rutin, apigenin, quercetin and ferulic acid) and Cyd-3-glu content with the resistance to safflower flies, respectively. In fact, cultivars with the highest concentrations of polyphenol compounds and the absence of anthocyanin in the seed coat showed the most damage to the safflower fly compared to genotypes with colored seed coat. Also, phytochemical evaluation showed that genotypes with black seed coat had high antioxidant properties. Based on the results of phytochemical tests, it seems that the inter-specific crosses in safflower followed by the creation of a new pattern in the seed coat color, did not have a negative effect on the oil content and the fatty acids composition. After intra-specific crosses and production of hybrid and progenies of F 2 , the results showed that genotype A82, as a pollinator was more successful in transferring seed color and probably two genes with an epistatic effect control seed color trait. Molecular analysis of seed color on the basis of nucleotide and peptide sequences showed that all three pal , chs and ufgt genes were found in genotypes with white and black seed coat, but probably, with the exception of the first two genes, ufgt gene is not expressed in white-seeded genotypes. The results of the HPLC analysis and the content of Cyd-3-glu confirm this result. The results of the study of the effect of consumption of black-coated seed genotype of A82 in comparison with the white-seeded cultivated genotypes (C111 and AC-Stirling) showed that, the consumption of safflower seeds, especially genotype A82, have not any negative and toxic effects on vital tissues of the liver, kidney and testis of Wistar rats.
گلرنگ ( Carthamus tinctorius ) از گیاهان دانه روغنی است که تا حد زیادی تحت تاثیر خسارت مگس گلرنگ ( Acanthiophilus helianthi ) قرار می گیرد. برخی صفات فیزیکی مرتبط با بذر از جمله رنگ و سختی پوسته بذر به عنوان عوامل تاثیر گذار در مکانیسم های مقاومت به آفات (آنتی بیوز و آنتی زنوز) و همچنین صفات زراعی، ارزش غذایی و دارویی گونه های مختلف گیاهی معرفی شده اند. از آنجا که پوسته بذر در گونه های مختلف جنس Carthamus دارای چندین الگوی رنگی است؛ لذا پس از جمع آوری ژرم پلاسمی متشکل از گونه زراعی (دارای بذر با پوسته سفید)، چهار گونه وحشی (دارای بذر با پوسته سفید، قهوه ای و مشکی) و یک لاین اصلاحی حاصل از تلاقی بین گونه ای با پوسته مشکی (82A)، تاثیر رنگ، سختی، ساختار سطحی، ضخامت و ترکیبات پلی فنولی پوسته بذر بر مقاومت به مگس گلرنگ بررسی شد. همچنین تاثیر رنگ پوسته بذر بر خواص آنتی اکسیدانی، محتوی تام فلاونوئید (TFC)، محتوی سیانیدین-3-گلوکوزاید (glu-3-Cyd) و کمیت و کیفیت روغن دانه بررسی شد. سپس امکان انتقال رنگ بذر از طریق تلاقی درون گونه ای بررسی گردید و نحوه توارث رنگ بذر مورد مطالعه قرار گرفت. در ادامه بر اساس سه ژن کاندیدا در مسیر بیوسنتز آنتوسیانین، اساس مولکولی رنگ بذر بررسی شد. همچنین تاثیر مصرف دانه های دارای پوسته مشکی ژنوتیپ 82A در مقایسه با ارقام زراعی دارای پوسته سفید بر آنزیم های بیوشیمیایی سرم خون و بافت های حیاتی موش های نژاد ویستار بررسی شد. آزمون انتخابی در سال 1393 نشان داد که درصد غوزه های آلوده، خسارت به دانه و عملکرد دانه در بوته گلرنگ های زراعی در مقایسه با ژنوتیپ های وحشی و ژنوتیپ 82A به طور معنی داری بالاتر بود. نتایج مشابهی نیز در آزمون های انتخابی دو سال متوالی دیگر حاصل شد، به طوری که درصد خسارت به دانه و عملکرد دانه در بوته در ژنوتیپ 82A در مقایسه با چهار ژنوتیپ زراعی دیگر به طور معنی داری کمتر بود. همچنین همبستگی معنی دار و بالایی بین مقاومت به مگس گلرنگ و دو پارامتر سختی و رنگ پوسته بذر مشاهده شد؛ به طوری که ارقام زراعی با بذر پوسته سفید در مقایسه با ژنوتیپ های وحشی با بذر پوسته رنگی و ژنوتیپ 82A، به دلیل ضخامت کمتر پوسته بذر عموماً به خسارت مگس گلرنگ حساس تر بودند و کمترین مقاومت را نشان دادند. بر اساس تفاوت مشاهده شده در ساختار سطحی و ضخامت پوسته بذور پیشنهاد می شود که ساختار مورفولوژیکی، سختی و رنگ پوسته بذر از طریق مکانیسم آنتی زنوز در مقاومت به مگس گلرنگ مشارکت داشته باشند. بررسی مواد فیتوشیمیایی پوسته بذر نشان داد که احتمالاً TFC و محتوی glu-3-Cyd در سختی پوسته بذر و مکانیسم آنتی زنوز دخالت نداشته باشند؛ اما بین غلظت چهار ترکیب پلی فنولی (روتین، اپی جینین، کوئرسیتین و فرولیک اسید) و محتوی glu-3-Cyd به ترتیب نوعی ارتباط معکوس و مستقیم با میزان مقاومت در برابر خسارت مگس گلرنگ دیده شد. به طوری که ارقام زراعی با بیشترین غلظت ترکیبات پلی فنولی ذکر شده و عدم وجود آنتوسیانین در پوسته بذر بیشترین خسارت به مگس گلرنگ را در مقایسه با ژنوتیپ های دارای پوسته رنگی نشان دادند. همچنین ارزیابی فیتوشیمیایی نشان داد که ژنوتیپ های دارای پوسته مشکی خاصیت آنتی اکسیدانی بالایی داشتند. بر اساس نتایج بررسی های فیتوشیمیایی به نظر می رسد که تلاقی بین گونه ای در گلرنگ و به دنبال آن ایجاد الگوی جدید در رنگ پوسته بذر تاثیر منفی بر محتوی روغن و ترکیب اسیدهای چرب نداشته باشد. پس از انجام تلاقی درون گونه ای و تولید هیبرید و نتاج 2 F، نتایج نشان داد که ژنوتیپ 82A به عنوان والد گرده دهنده در انتقال رنگ بذر موفق تر عمل کرده است و احتمالاً دو ژن با اثر اپیستازی رنگ بذر را کنترل می کنند. بررسی اساس مولکولی رنگ پوسته بذر بر اساس توالی نوکلئوتیدی و پپتیدی نشان داد که هر سه ژن pal ، chs و ufgt در ژنوتیپ های دارای پوسته سفید و مشکی گلرنگ وجود دارند اما به احتمال زیاد به استثناء دو ژن اول، ژن ufgt در ژنوتیپ های دارای پوسته سفید بیان نمی شود. نتایج حاصل از آنالیز HPLC و محتوی glu-3-Cyd موید این نتیجه بود. نتایج بررسی اثر مصرف دانه های با پوسته مشکی 82A در مقایسه با دانه های دارای پوسته سفید دو رقم زراعی 111C و AC-Stirling نشان داد که مصرف دانه گلرنگ بخصوص 82A فاقد هرگونه اثرات منفی و سمّی بر بافت های حیاتی کبد، کلیه و بیضه موش های نژاد ویستار بود. واژههای کلیدی: گلرنگ، صفات فیزیکی بذر، مقاومت، ترکیبات پلی فنولیک، تلاقی درون گونه ای، مسیر بیوسنتز آنتوسیانین، سمیّت