SUPERVISOR
M.Hossein Ehtemam,Parviz Ehsanzadeh,Mohammad Mehdi Majedi
محمدحسین اهتمام (استاد راهنما) پرویز احسان زاده (استاد مشاور) محمد مهدی مجیدی (استاد راهنما)
STUDENT
Azadeh Amini
آزاده امینی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1397
TITLE
Genetic variation of synthetic and common hexaploidy wheat lines for physiological responses under water deficit conditions
Natural and artificial selection that has been made on bread wheat during thousands of years, caused the loss of part of the original genetic diversity which were inherited from its ancestors. Therefore, breeders seek to study the ancient ancestors of wheat to transfer lost genes such as resistance to biotic and abiotic stresses through synthetic wheats. Synthetic wheat has been obtained from the cross between tetraploid wheat (Emer and Durum) with Aegilops tauschii . Ae. tauschii genome (D) contains resistant genes to various biotic and abiotic stresses which could make synthetic wheat more resistant to most of stresses, such as drought stress. In this study, synthetic wheat genotypes were evaluated in the field of Isfahan University of Technology in order to study genetic diversity, drought tolerance and the effect of drought stress memory. Twenty seven wheat genotypes including 20 synthetic hexaploid wheat, 4 common hexaploid Iranian bread wheat and 3 foreign bread wheat genotypes were evaluated under four moisture environments (N, S, D 1 D 2 and D 2 ) (control moisture environment, seed stress-reproductive stress, vegetative stress-reproductive stress and reproductive stress, respectively) as a combined experimental analysis design according to a randomized complete block design with three replications. The results showed that the studied wheat genotypes in terms of grain yield, yield components (number of spikes, 1000-seed weight, harvest index) and physiological traits had a wide range of variation in all four wet environments. Synthetic wheat genotypes were significantly superior to the common wheat (Iranian and foreign) genotypes in terms of yield, yield components and drought tolerance. The results also showed that drought stress significantly reduced yield and yield components under three stress moisture environments (S, D 1 D 2 , D 2 ) compared to normal environment (N). However, this yield reduction was different in stress moisture environments (S, D 1 D 2 , D 2 ), which was about 43%, in seed stress- reproductive stress (S) moisture, 35% in vegetative stress-reproductive stress (D 1 D 2 ) 47% in reproductive stress (D 2 ) compared to the control (N) condition. As the results show, the lowest yield reduction was related to the vegetative stress- reproductive stress (D 1 D 2 ). The main difference between this moisture treatment with other moisture treatments (S and D 2 ) is in the initial stress (D 1 ) which was applied on it (D 1 D 2 ). The effect of initial stress (D 1 ) on physiological measured traits during recovery (irrigation after stress) and the end of the reproductive stress period was also quite evident. For example, there was a significant difference at recovery period (irrigation after stress) for some traits such as the activity of antioxidant enzymes (ascorbate, guaiacol peroxidase) and proline, in moisture treatment (D 1 D 2 ) compared to the control treatment (N). It seems that mild primary drought stress (D 1 ) has activated the plant's physiological defense system, creating a kind of cellular readiness that will help the plant perform better than a plant which has only seen reproductive stress. Furthermore, final sampling after applying reproductive stress (D 2 ) showed that the moisture treatment (D 1 D 2 ) had a more activated antioxidant system than the moisture treatment (D 2 ). In fact, initial stress has led to the induction of drought stress memory mechanism, and subsequently yielded improvement of genotypes under the subsequent (second) drought stress. The results of correlation showed that yield components (number of spikes, 1000-seed weight, harvest index and biological yield) had a positive and significant association with grain yield under four moisture treatments. These relationships can be used to define selection criteria. In addition, in four moisture treatment, phenological traits were negatively correlated with grain yield and yield components under four moisture environments. The negative correlation between day to pollination and grain yield indicated that selection for early maturity under stress conditions may lead to improve drought tolerance. Based on the grain yield, and yield components, drought tolerance index and physiological traits, synthetic genotypes with codes 200, 80 and 58 were known as the best genotypes with favorable performance under four wet moisture environments. Overall, the results showed that due to the arid and semi-arid climate of the country and the strategic nature of the wheat crop, the need to use synthetic cultivars in wheat breeding programs is evident. Keywords: Genetic diversity, Synthetic cultivars, Drought stress, Stress memory
خشکی یکی از مهمترین تنشهای غیرزیستی در بسیاری از منـاطق جهـان از جملـه ایران است. با توجه به انتخاب طبیعی و مصنوعی که طی هزاران سال بر روی گندم نان صورت گرفته است بخشی از تنوع ژنتیکی اولیه که از اجداد آن به ارث رسیده است، از دست رفته است. بنابراین بهنژادگران بهدنبال بررسی اجداد قدیمی گندم برای انتقال ژنهای از دست رفته نظیر مقاومت به تنشهای زیستی و غیرزیستی به ارقام ساختگی هستند. گندمهای ساختگی از تلاقی بین گندمهای تتراپلوئید (ایمر و دورم) با Aegilops tauschii حاصل شدهاند بهطوری که ژنوم (D) حاصل از Ae tauschii حاوی ژنهای مقاومت به انواع تنشهای زیستی و غیرزیستی است که باعث می شود گندمهای ساختگی به انواع تنشها از جمله تنش خشکی متحملتر باشند. در این پژوهش، ژنوتیپهای گندم ساختگی، بهمنظور بررسی تنوع ژنتیکی، تحمل به خشکی و اثر حافظه تنش خشکی در مزرعه دانشگاه صنعتی اصفهان ارزیابی شدند. تعداد 27 ژنوتیپ شامل 20 ژنوتیپ گندم ساختگی به همراه 4 رقم گندم معمولی نان ایرانی و 3 رقم گندم نان خارجی در چهار محیط رطوبتی (N، S، D 1 D 2 و D 2 ) (به ترتیب محیط رطوبتی شاهد، بذر تنش دیده-تنش زایشی، تنش رویشی-تنش زایشی و تنش زایشی) در قالب طرح پایه بلوک کامل تصادفی با سه تکرار در چهار محیط رطوبتی شاهد (N)، بذر تنش دیده-تنش زایشی (S)، تنش رویشی-تنش زایشی (D 1 D 2 ) و تنش زایشی (D 2 ) به صورت آنالیز تجزیه مرکب ارزیابی شدند. ژنوتیپهای گندم ساختگی نسبت به ژنوتیپهای گندم معمولی نان (ایرانی و خارجی) برتری معنیداری از نظر عملکرد، اجزای عملکرد (تعداد سنبله، وزن هزار دانه، شاخص برداشت) و تحمل به خشکی داشتند. همچنین نتایج نشان داد که تنش خشکی باعث کاهش عملکرد و اجزای عملکرد در محیطهای رطوبتی تنش (S، D 1 D 2 ، D 2 ) نسبت به محیط رطوبتی شاهد (N) گردید. اما این کاهش عملکرد در محیطهای رطوبتی تنش (S، D 1 D 2 ، D 2 ) متفاوت بود به طوری که در محیط رطوبتی بذر تنش دیده- تنش زایشی(S) کاهش عملکرد 43% و در محیط رطوبتی تنش رویشی-تنش زایشی (D 1 D 2 ) کاهش عملکرد 35% و در محیط رطوبتی تنش زایشی (D 2 ) 47% نسبت به محیط شاهد (N) مشاهده گردید. همان طور که نتایج نشان میدهد کمترین کاهش عملکرد مربوط به محیط رطوبتی تنش رویشی-تنش زایشی (D 1 D 2 ) بوده است. تفاوت عمده این تیمار رطوبتی با تیمارهای رطوبتی (S و D 2 ) در تنش اولیهای (تنش رویشی) (D 1 ) است که در تیمار رطوبتی (D 1 D 2 ) اعمال شده است. تاثیر تنش اولیه (D 1 ) در صفات فیزیولوژیک اندازهگیری شده در دوران ریکاوری (آبیاری بعد از اعمال تنش) و پایان دوره تنش دوم نیزکاملا مشهود بود. برای مثال از نظر صفاتی از جمله فعالیت آنزیمهای آنتی اکسیدانی (آسکوربات پراکسیداز، گایاکول پراکسیداز) و پرولین، تیمار رطوبتی (D 1 D 2 ) نسبت به محیط شاهد (N)، تفاوت معنیدار در دوران ریکاوری (آبیاری بعد از اعمال تنش) داشت. به نظر میرسد که تنش خشکی اولیه ملایم با فعال کردن سیستم دفاع فیزیولوژیک گیاه نوعی آماده باش سلولی ایجاد کرده که به گیاه کمک خواهد کرد عمکرد بهتری نسبت به گیاهی که فقط تنش زایشی دیده است، داشته باشد. همچنین نمونه گیری نهایی پس از اعمال تنش زایشی (D 2 ) نشان داد که تیمار رطوبتی (D 1 D 2 ) سیستم آنتی اکسیدانی فعالتری نسبت به تیمار رطوبتی (D 2 ) داشت. در واقع مکانیزمهای حافظه تنش به گیاهی که تنش اولیه را دیده کمک کرده تا بتواند در برابر تنش دوم عملکرد بهتری داشته باشد و کمتر دستخوش تغییرات گردد. نتایج همبستگی صفات نشان داد اجزای عملکرد (تعداد سنبله، وزن هزار دانه، شاخص برداشت و عملکرد بیولوژیک) همبستگی مثبت و معنیداری با عملکرد دانه در هر چهار محیط رطوبتی داشت که میتوان از این روابط در تعریف شاخصهای انتخاب استفاده کرد. علاوه بر این در چهار محیط رطوبتی، صفات فنولوژیک با عملکرد دانه و اجزای عملکرد همبستگی منفی داشتند. همبستگی منفی بین روز تا گرده افشانی و عملکرد دانه نشان داد که انتخاب برای زودرسی در شرایط تنش ممکن است باعث بهبود تحمل به خشکی گردد. بر اساس عملکرد و اجزای عملکرد، شاخص تحمل به خشکی و صفات فیزیولوژیک، ژنوتیپهای ساختگی با کد 200، 80 و58 بهترین عملکرد در چهار محیط رطوبتی داشتند. در مجموع نتایج نشان داد با توجه به اقیلم خشک و نیمه خشک کشور و استراتژیک بودن محصول گندم، لزوم استفاده از ارقام ساختگی در برنامههای اصلاحی گندم مشهود است. کلمات کلیدی : تنوع ژنتیکی، ارقام ساختگی، تنش خشکی، حافظه تنش