مشخصه سازی ژنتیکی و سیتوژنتیکی نتاج تلاقی های برگشتی حاصل از دورگ گیری بین گونه ای گندم با Aegilops cylindrica L و واکنش آنها به تنش شوری

STUDENT

DEGREE

YEAR

Aegilops cylindrica L. is an allotetraploid, sharing a common D genome with common wheat ( Triticum aestivum L. ) . In the current study, wheat genotypes were crossed with Ae. cylindrica (a hyper salt-tolerant genotype), and amphidiploid plants were produced using embryo rescue and chromosome doubling techniques. This research was carried out in five different experiments. In the first experiments, crossability and cytological examinations of amphidiploids and BC 1 were evaluated. In addition, sequencing the ITS4/5 and trnE/trnF DNAs was conducted to explore the phylogenetic relationships of the amphidiploids and their parents. Only two common wheat cultivars (‘Chinese Spring’ and ‘Roshan’) were crossable with Ae. cylindrica . The resultant intergeneric hybrids possessed 70 chromosomes, and morphologically either were similar to the male parent in ‘Chinese Spring’ × Ae. cylindrica cross but tended to be intermediate between parents in ‘Roshan’ × Ae. cylindrica . The phylogenetic tree base on ITS4/ITS5 and trnE/trnF sequences, divided the genotypes into two groups. In the second experiment amphidiploid plants and their parents were assessed for salinity tolerance based on morphological, phenological and physiological traits under control and salinity stress (250 mM NaCl) conditions. The results showed that salinity stress led to significant declines in the most morphological and phenological traits. However, amphidiploid plants derived from ‘Chinese Spring’ × Ae. cylindrica and ‘Roshan’ × Ae. cylindrica crosses and their male parent were less affected compared to the wheat cultivars. Third experiment was performed to assess the effect of salinity stress on the expression profiles of three genes related to ion homeostasis including NHX1 , HKT1;5 and SOS1 in the root and shoot tissues. The results showed significant change in the transcript level of HKT1;5 and higher expression in the roots than in the shoots of both the amphidiploids and Ae. cylindrica . While NHX1 exhibited a higher expression in the shoot than the root tissue. Interestingly, comparable mRNA expression levels were observed for NHX1 in the root and shoot tissues in the amphidiploids of both crosses compared to ‘Chinese Spring’ and ‘Roshan’ cultivars. In the fourth experiment, generation mean and variance analysis were used to estimate gene action and heritability of studied traits under control and salinity stress conditions. Considering the higher estimate of H n for leaf Na, root Na and K concentration under salinity stress condition, it is possible that in this study the additive component had a greater share in the diversity of the mentioned traits. Finally, the assessment of genetic diversity revealed that out of the 30 SSR and EST-SSR primers used, 27 were polymorphic in 100 backcross populations (BC 2 F 1 ) and parents. The percentage of polymorphism ranged from 50% to 100% with the average of 96.46% . In this study, UPGMA dendrogram divided the genotypes into 8 main groups which indicated noticeable within and between population variation. In addition, Bar-plot results based on population structure analysis, for K = 3 from 102 studied populations, the first group with 21 populations (20.59%) and second group with 55 population (53.92%) had the lowest and highest individuals, respectively. It is concluded that the hybridized amphiploids are potentially valuable resources for salinity improvement in bread wheat. However, further backcrossing and selection schemes are needed to obtain introgressed lines having genomic segment of hyper salinity-tolerance from Ae. cylindrica . Key words Amphidiploid, Aegilops cylindrica , bread wheat, cross ability, salt tolerance, genetic diversity

تنش شوری یکی از مهم ترین عوامل محدود کننده رشد در مناطق خشک و نیمه خشک می باشد. Aegilops cylindrica گونه ای متحمل به شوری در قبیله Triticeae می باشد که در ژنوم D با گندم مشترک است. در مطالعه حاضر ژنوتیپ های مختلف گندم با ژنوتیپ متحمل به شوری از گونه Ae. cylindrica تلاقی یافته و ژنوتیپ های آمفی دیپلوئید از طریق نجات جنین و دو برابر نمودن کروموزوم ها با تیمار کلشی سین ایجاد شدند. این پژوهش در قالب پنج مطالعه مجزا انجام شد. در مطالعه اول، تلاقی پذیری و رفتار سیتوژنتیکی نتاج آمفی دیپلوئید و تلاقی برگشتی نسل اول مورد ارزیابی قرار گرفتند. همچنین توالی یابی ناحیه های ژنومی ITS4/5 و trnE/trnF به منظور بررسی روابط فیلوژنتیکی ژنوتیپ های آمفی دیپلوئید و والدین آن ها انجام گرفت. تنها دو رقم گندم نان (ارقام چینی بهاره و روشن) با Ae. cylindrica دارای تلاقی پذیری بودند. نتایج نشان داد ژنوتیپ های آمفی دیپلوئید دارای 70 کروموزوم بوده و از لحاظ مورفولوژیک آمفی دیپلوئیدهای حاصل از تلاقی ‘Chinese Spring’ × Ae. cylindrica شباهت بیشتری به والد پدری ( Ae. cylindrica ) خود داشتند. اما در تلاقی ‘Roshan’ × Ae. cylindrica ژنوتیپ های آمفی دیپلوئید از لحاظ مورفولوژیک حد متوسط دو والد خود بودند. درخت فیلوژنتیکی ترسیم شده بر اساس نواحی توالی یابی شده ITS4/ITS5 و trnE/trnF ژنوتیپ های مورد مطالعه را در دو گروه مجزا تقسیم نمود. در مطالعه دوم ژنوتیپ های آمفی دیپلوئید و والدین آنها از لحاظ واکنش به تنش شوری با برخی صفات مورفولوژیک، فنولوژیک و فیزیولوژیک، تحت شرایط شاهد و تنش شوری (300 میلی مولار NaCl) مورد بررسی قرار گرفتند. نتایج تجزیه واریانس نشان داد که تنش شوری منجر به کاهش معنی داری بیشتر صفات مورفولوژیک و فنولوژیک شد. ضمن اینکه،زیان ناشی از تنش در ژنوتیپ های آمفی دیپلوئید حاصل از تلاقی ‘Chinese Spring’ × Ae. cylindrica و ‘Roshan’ × Ae. cylindrica و والد پدری آنها کمتر از ارقام گندم بود. مطالعه سوم با هدف بررسی اثر تنش شوری بر روی بیان ژن های مرتبط با تحمل شوری نشان دهنده سطح بالاتر بیان ژن HKT1;5 در بافت ریشه و برعکس سطح بیان بیشتر ژن NHX1 در بافت برگ نسبت به ریشه بود. ضمن اینکه، تفاوتی در بیان ژن HKT1;5 در بافت ریشه بین ژنوتیپ های آمفی دیپلوئید و والد پدری وجود نداشت، ولی تفاوت معنی داری با والدین مادری داشتند. بیان ژن NHX1 در هر دو بافت در گونه متحمل به شوری Ae. cylindrica در مقایسه با ژنوتیپ های آمفی دیپلوئید و والدین مادری بطورمعنی داری بیشتر بود. جالب توجه بود که ژنوتیپ های آمفی دیپلوئید حاصل از هر دو تلاقی افزایش بیان ژن NHX1 بیشتری در مقایسه با رقم های چینی بهاره و روشن داشتند. ژن SOS1 افزایش 29/1 برابر و معنی دار در بافت ریشه نسبت به برگ در ژنوتیپ های تحت تنش شوری داشته و میزان رونوشت در ژنوتیپ متعلق به گونه ی Ae. cylindrica و ژنوتیپ های آمفی دیپلوئید بیشتراز والدین مادری بود. در مطالعه چهارم تجزیه میانگین و تجزیه واریانس نسل ها با هدف برآورد آثار ژنتیکی و وراثت پذیری صفات مورد مطالعه تحت شرایط شاهد و تنش شوری انجام شد. با توجه به برآورد بیشتر وراثت پذیری خصوصی برای صفات غلظت یون سدیم برگ، سدیم ریشه و پتاسیم ریشه تحت شرایط تنش شوری، این احتمال وجود دارد که در این مطالعه جزء افزایشی سهم بیشتری در تنوع صفات ذکر شده داشته است. در نهایت بررسی تنوع ژنتیکی با استفاده از 30 جفت آغازگر اختصاصی EST-SSR و SSR نشان دهنده تکثیر چندشکل مطلوب 27 آغازگر در والدین و 100 فامیل BC 2 F 1 مورد بررسی بود. میزان چند شکلی آغازگرها بین 50 تا 100 % متغییر و میانگینی برابر با 46/96 % داشت که نشان دهنده تنوع بالایی در ژنوتیپ های مورد بررسی است. در این مطالعه نتایج UPGMA دندروگرام بر اساس ضریب تشابه جاکارد و با رویه SAHN ، ژنوتیپ ها را به 8 گروه تفکیک کرد که بیانگر تنوع درون و بین گروهی قابل ملاحظه ای بود. همچنین براساس نتایج مشاهده شده در دندروگرام حاصل از تجزیه و تحلیل ساختار جامعه برای 3=K ، از کل 102 فامیل مورد مطالعه گروههای اول با 21 فامیل (59/20 %) و گروه دوم با 55 فامیل (92/53 %) به ترتیبکمتر?ن و بیشترین تعداد فرد را به خود اختصاص دادند. همچنین 25 فامیل (51/24 %) به گروه سوم تعلق پیدا کرد. نتایج مطالعه حاضر نشان دهنده ایجاد یک منبع ژنتیکی مطلوب برای افزایش تحمل به تنش شوری در گندم نان بوده است. با این حال نیل به این هدف نیازمند انجام تلاقی برگشتی و انتخاب در نسل های پیشرفته تر به منظور باززایی ژنوم گندم نان و در عین حال بهره گیری از ظرفیت ژنومی تحمل به تنش شوری گونه وحشی Ae. cylindrica می باشد. کلمات کلیدی : آمفی دیپلوئید، Ae. cylindrica ، گندم نان، تلاقی پذیری، تحمل شوری، تنوع ژنتیکی