SUPERVISOR
Aghafakhr Mirlohi,Mohammad Mehdi Majedi
اقافخر میرلوحی فلاورجانی (استاد راهنما) محمد مهدی مجیدی (استاد راهنما)
STUDENT
Seyede mozhgan Abtahi foroshani
سیده مژگان ابطحی فروشانی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده کشاورزی
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392
TITLE
Selection the best combination of polycross parents, progeny performance prediction and genetic analysis of different traits in Dactylis glomerata under normal and drought stress conditions
Our knowledge about the efficiency of different methods of parental selection, inheritance of traits related to drought tolerance (physiologic and root traits) and molecular markers associated with traits is very rare in orchardgrass. This research was conducted in three separate studies. In the first study, for the development of synthetic varieties to maximize heterosis especially in respect to drought tolerance, four polycrossed groups each composed of six parental plants with contrasting levels of diversity (high and low) based on molecular markers (ISSR and SRAP( and phenotypic traits were constructed. First generation progenies of the four polycroed groups were evaluated in terms of morphologic, agronomic and physiological traits during two years in the field and for germination and seedling growth properties in the laboratory under normal and drought stress conditions. In both water conditions, considerable genetic variation was observed among progenies indicating that the progeny performance depends on the type and level of diversity among the parental genotypes. Positive and significant associations were observed between parental molecular diversity and progeny performances of all traits at both moisture conditions, suggesting the existence of heterotic effects for different traits. High molecular genetic diversity led to a significant yield advantage, with averages of 34% for normal and 48% for drought stress conditions, compared with the polycross parents yield. Also crosses between genetically distant parents produced late heading progenies with high germination performance and considerable drought tolerance and yield stability. Relationships between parental phenotypic diversity and progenies performance was strongly affected by the target trait and moisture conditions. Superiority of progenies from parents with high molecular diversity under both moisture conditions emphasizes the benefit of marker-assisted polycross breeding for combining heterosis in different traits and development of superior synthetic varieties. In the second study, association analysis of ISSR and SRAP markers with studied traits was done under normal and drought stress conditions. The results of population structure analysis identified five main subpopulations. Under normal and drought stress conditions, respectively, 497 and 528 markers were significantly associated with the studied traits. Most of these markers were associated with more than one trait, which would be considered to be pleiotropic or co-localized marker-trait associations. Under normal conditions markers M1/E2-12, M1/E3-16, M3/E2-10 and P9-3, and under drought stress conditions, markers M4/E4-5, M3/E4-20, M3/E4-6, M2/E3-24, M1/E3-16 and P841-1 exhibited simultaneously strong association with SY and DMY. In this study, 120 markers showed stable associations across two moisture conditions. Marker–trait association revealed that markers M1/E1-5, M2/E6-5, M3/E4-6, P14-7 and P845-7 were consistently linked with drought tolerance index. Informative markers which had association with forage yield, seed yield, root traits and drought tolerance index, are introduced for further analysis of their chromosomal locations and the corresponding sequences. In the third study, for genetic analysis of root traits, 30 half-sib families derived from polycross of 30 orchardgrass genotypes were planted in PVC tubes (60×16 cm) to measure morphological and root traits under both normal and drought stress conditions. Root characters were measured at 0-30 and 30-60 cm soil depths. Under drought stress conditions, the root/shoot ratio and percentage of root dry matter increased compared with control in both soil depths. Values for root length, root area and root volume were decreased at 0-30 cm soil depth, whilst at 30–60 cm depth, values for these traits were increased. The high values of additive gene effects and heritability for some root traits indicated that selection would be effective for improving these traits. Indirect selection to improve dry matter yield was most efficient when selecting for crown diameter under normal conditions and for root length and root dry weight under drought stress conditions. Significant associations of drought tolerance and yield stability indices with root length, root area, root volume and root dry weight confirmed the importance of root traits in conferring drought tolerance and yield stability of orchardgrass. Key Words Orchardgrass, Genetic distance, Heterosis, Drought stress, Association analysis, Root system, Indirect selection.
دانش ما در زمینه کارایی روشهای مختلف انتخاب والدین پلیکراس، نحوه توارث صفات مرتبط با تحمل به تنش خشکی (بویژه صفات فیزیولوژیک و ریشهای) و نشانگرهای مولکولی مرتبط با صفات در داکتی لیس ( Dactylis glomerata ) به عنوان یک گراس مهم علوفهای و زینتی بسیار اندک است. این پژوهش در قالب سه مطالعه انجام شد. در مطالعه اول، از آنجایی که برای توسعه ارقام ترکیبی به منظور به حداکثر رساندن هتروزیس به ویژه در زمینه تحمل به خشکی، انتخاب والدین مناسب مهمترین بخش برنامههای اصلاح پلیکراس محسوب میشود، چهار گروه پلیکراس متشکل از شش ژنوتیپ والدی با سطوح متفاوت تنوع ژنتیکی (کم و زیاد) بر اساس نشانگرهای مولکولی ISSR) و SRAP) و صفات مورفولوژیک تشکیل شد. نتاج نسل اول چهار گروه پلیکراس از نظر صفات مورفولوژیک، زراعی و فیزیولوژیک طی دو سال در مزرعه و از نظر مولفههای جوانهزنی و رشد گیاهچه در آزمایشگاه در شرایط بدون تنش و تنش خشکی ارزیابی شدند. در هر دو شرایط رطوبتی تنوع ژنتیکی قابل ملاحظهای بین نتاج چهار گروه پلیکراس مشاهده شد که نشان میدهد نمود نتاج در علف باغ به نوع و سطح تنوع ژنتیکی والدین بستگی دارد. ارتباطی مثبت و معنیدار بین تنوع ژنتیکی والدین بر اساس نشانگرهای مولکولی و نمود نتاج برای تمام صفات در هر دو شرایط رطوبتی مشاهده شد که حاکی از وجود آثار هتروزیس در ارقام ترکیبی حاصله است. تنوع مولکولی بالا بین والدین، عملکرد علوفه خشک نتاج را به میزان 40/34 درصد در شرایط بدون تنش و 10/48 درصد در شرایط تنش خشکی نسبت به ژنوتیپهای والدی گروههای پلیکراس افزایش داد. همچنین تلاقی والدین با تنوع مولکولی وسیع، منجر به ایجاد نتاجی دیررس با قابلیت جوانهزنی بالا، تحمل به تنش و پایداری عملکرد چشمگیر شد. ارتباط میان تنوع فنوتیپی والدین و نمود نتاج بسته به نوع صفت و شرایط محیطی متفاوت بود. برتری نتاج حاصل از والدین با تنوع مولکولی وسیع بر ضرورت اصلاح پلیکراسها به کمک نشانگرهای مولکولی به منظور حدوث هتروزیس برای صفات مختلف و توسعه ارقام ترکیبی برتر تاکید میکند. در مطالعه دوم تجزیه ارتباطی نشانگرهای ISSR و SRAP در دو شرایط بدون تنش و تنش خشکی انجام شد. نتایج تجزیه ساختار جمعیت، پنج زیرجمعیت اصلی را شناسایی نمود. در شرایط بدون تنش و تنش خشکی به ترتیب 497 و 528 نشانگر ارتباط معنیداری با صفات مورد مطالعه نشان دادند. بیشتر این نشانگرها با بیشتر از یک صفت در ارتباط بودند که ناشی از آثار پلیوتروپی و یا پیوستگی نواحی ژنومی دخیل در این صفات است. در شرایط بدون تنش خشکی نشانگرهای M1/E2-12، M1/E3-16، M3/E2-10 و P9-3 و در شرایط تنش خشکی نشانگرهای M4/E4-5، M3/E4-20، M3/E4-6، M2/E3-24، M1/E3-16 و P841-1 بصورت همزمان با عملکرد بذر و علوفه خشک در ارتباط بودند. در این مطالعه 120 نشانگر ارتباطهای پایداری را در دو شرایط رطوبتی نشان دادند. نشانگرهای M1/E1-5، M2/E6-5، M3/E4-6، P14-7 و P845-7 با شاخص تحمل به تنش ارتباط معنیداری نشان دادند. نشانگرهای آگاهی بخش که با عملکرد بذر، عملکرد علوفه، ویژگیهای ریشهای و تحمل به تنش ارتباط معنیدار داشتند، برای تجزیه و تحلیل بیشتر به منظور تعیین مکان کروموزومی و توالییابی معرفی میشوند. در مطالعه سوم به منظور تجزیه ژنتیکی ویژگیهای سیستم ریشهای، 30 فامیل نیمهخواهری که حاصل پلیکراس 30 ژنوتیپ علف باغ بودند، در لولههای PVC (ارتفاع 60 سانتیمتر و قطر 16 سانتیمتر) برای اندازهگیری خصوصیات ریشهای تحت شرایط بدون تنش و تنش خشکی کشت شدند. صفات ریشهای در دو عمق 30-0 و 60-30 سانتیمتر مورد بررسی قرار گرفتند. در شرایط تنش خشکی نسبت وزن خشک ریشه به اندام هوایی و درصد ماده خشک ریشه در هر دو عمق خاک افزایش معنیدار نشان داد. تحت تاثیر تنش خشکی مقادیر طول، سطح و حجم ریشه در عمق 30-0 سانتیمتری خاک کاهش و در عمق 60-30 سانتیمتری خاک افزایش یافت. مقادیر بالای عمل افزایشی ژن و وراثتپذیری خصوصی برخی صفات ریشهای نشان داد که گزینش به منظور بهبود ژنتیکی این صفات موثر خواهد بود. بالاترین کارائی نسبی انتخاب غیرمستقیم برای بهبود عملکرد علوفه خشک در شرایط بدون تنش از طریق انتخاب برای صفت قطر یقه بوته و در شرایط تنش از طریق انتخاب برای صفات طول ریشه و وزن خشک ریشه حاصل شد. همبستگی مثبت و معنیدار میان شاخص تحمل به تنش و شاخص پایداری عملکرد با صفات طول ریشه، حجم ریشه، سطح ریشه و وزن خشک ریشه، نشان دهنده اهمیت صفات ریشهای در القای تحمل به تنش و پایداری عملکرد در علف باغ میباشد. کلمات کلیدی: علف باغ، فاصله ژنتیکی، هتروزیس، تنش خشکی، تجزیه ارتباطی، سیستم ریشهای، انتخاب غیرمستقیم