بکارگیری همزمان ﺑﻪﻧﮋﺍدی ﺳﺮﯾﻊ و تلاقی برگشتی به کمک نشانگر در توسعه لاین‌های‌ ایزوژن گندم

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دکترا، گروه تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران.

2 استادیار، گروه تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران.

3 استاد، پژوهشکده فناوری تولیدات گیاهی، پژوهشگاه افضلی‌پور، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران.

4 استاد، گروه تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران.

5 دانشیار، پژوهشکده فناوری تولیدات گیاهی، پژوهشگاه افضلی‌پور و گروه تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه شهید باهنر کرمان، کرمان، ایران.

چکیده

هدف: دستیابی به لاین‌های ایزوژن به‌دلیل زمان‌بر بودن، یک محدودیت در برنامه‌های به‌نژادی به‌شمار می‌رود. پژوهش حاضر با هدف بهینه‌سازی یک روش به‌نژادی سریع همزمان با تولید لاین‌های ایزوژن حاصل از تلاقی برگشتی گندم نان (رقم روشن و کل‌حیدری) با رقم زودرس استرالیایی اکسکلیبر و به‌منظور بررسی وضعیت ژنتیکی و تاثیر ژن‌های بهاره‌سازی و طول دوره نوری بر زودرسی، عملکرد و اجزا عملکرد، انجام شده است.
مواد و روش‌ها: در پژوهش حاضر، گیاهان زودرس نسل BC3F2 حاصل روش تلاقی برگشتی از رقم اکسکلیبر به ارقام روشن و کل‌حیدری در مطالعات قبلی را با والد تکراری (روشن/ کل‌حیدری) برای حصول نسل BC4F1 تلاقی داده و والدین و نتاج با استفاده از نشانگرهای اختصاصی ژن‌های بهاره‌سازی و طول دوره نوری ارزیابی شدند. بذرهای هر نسل، قبل از کشت به‌مدت 120 ساعت در آون (˚29C) خشک و سپس 72 ساعت با تیمار اسید جیبرلیک 0/5 پی‌پی‌ام در یخچال (˚4C) نگهداری شدند و سپس در بستر بهینه شده شامل کوکوپیت، کود دامی پوسیده، ماسه و خاک مزرعه کاشته شدند. قفسه‌های نوری مجهز به 18 عدد لامپ ال‌ای‌دی و نیز زمان‌سنج، چرخه‌های نوری 16:8 (تاریکی /روشنایی) را فراهم آوردند. دمای 24-21 درجه سانتی‌گراد در گلخانه کنترل شد. توسعه نسل‌هایBC5F1 تا BC5F4 در شرایط گلخانه با استفاده از این شیوه، به‌نژادی سریع در یک‌سال انجام شد. در طول این نسل‌ها، با استفاده از نشانگرهای اختصاصی، تنها گیاهان هتروزیگوت انتخاب شدند. در نسل BC5F5 بر اساس نتایج آزمایش‌های مولکولی، لاین‌های هموزیگوت برای آزمون‌های مزرعه‌ای نهایی انتخاب شدند.
نتایج: در این پژوهش با کمک شیوه به‌نژادی سریع بهینه شده در گلخانه و توسعه پنج نسل تلاقی برگشتی و چهار نسل خودگشنی، لاین‌های ایزوژنPpd-D1b/Ppd-D1b  و Ppd-D1a/Ppd-D1a در زمینه ژنتیکی دو رقم روشن و کل حیدری و نیز لاین‌های ایزوژن Vrn-B1a/Vrn-D1a، Vrn-B1a/ vrn-D1، vrn-B1/ Vrn-D1a و vrn-B1/ vrn-D1 در زمینه ژنتیکی روشن به‌دست آمدند. نتایج نشان داد انتخاب به کمک نشانگر برای ترکیبی از آلل‌های بهاره‌سازی Vrn-B1 و Vrn-D1a می‌تواند تقریباً تعداد روز تا گلدهی را ده روز کاهش دهد، در حالی‌که در یک برنامه به‌نژادی تلاقی برگشتی برای گلدهی (انتخاب فنوتیپی) در زمینه ژنتیکی یکسان (روشن)، گلدهی 14 روز زودتر بود. vrn-B1/Vrn-D1a لاین ایزوژنی بود که کمترین تعداد روز تا رسیدگی را در هر دو آزمایش داشت. لاین ایزوژن Vrn-B1a/Vrn -D1 و Vrn-B1a /Vrn-D1a به‌ترتیب بیشترین تعداد روز تا رسیدگی را در شرایط آبی و دیم به خود اختصاص دادند. انتخاب آلل Ppd-D1a در تحقیق حاضر به‌طور غیرمستقیم باعث بهبود گلدهی در زمینه ژنتیکی روشن و کل‌حیدری به‌ترتیب 4/25 و 6/03 روز شد. با تولید نسل BC5F1 در یک بازه زمانی 65 روز از کاشت و ورود ژنوتیپ‌ها به فاز گلدهی، امکان انجام تلاقی فراهم گردید.
نتیجه‌گیری: انجام تلاقی برگشتی به کمک نشانگر در تمام طول سال در گلخانه ممکن و به گزینش فنوتیپی نیاز نیست. با توجه به بازیابی بخش زیادی از ژنوم والد تکراری با توسعه نسل‌ها، ﮐﻮﺗﺎﻩ ﮐﺮﺩﻥ ‫ﭼﺮﺧﻪ به‌نژادی ﺑﺎ ﺍﺳﺘﻔﺎﺩﻩ ﺍﺯ ﺗﮑﻨﻮﻟﻮژیﻫﺎی ﻧﺴﻞ ﺟﺪﯾﺪ ﻣﺎﻧﻨﺪ ﺭﻭﺵﻫﺎی ﺑﻪﻧﮋﺍﺩی ﺳﺮﯾﻊ می‌تواند باعث ﺍﻓﺰﺍﯾﺶ ﭘﻴﺸﺮﻓﺖ ژﻧﺘﻴﮑﯽ ﺑﺪﻭﻥ افزایش ﻗﺎﺑﻞ توجه اندازه جمعیت گردد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simultaneous use of speed breeding and marker-assisted backcrossing in developing wheat isogenic lines

نویسندگان [English]

  • soraya pourtabrizi 1
  • Ali kazemipour 2
  • Ghasem Ghasem Mohammadi-Nejad 3
  • Gholamreza Khajoei-Nejad 4
  • Roohollah Abdoshahi 5
1 PhD, Department of Plant Production and Genetics, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran.
2 Assistant Professor, Department of Plant Production and Genetics, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran.
3 Professor, Research and Technology Institute of Plant Production (RTIPP), Afzalipour Research Institute, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran.
4 Professor, Department of Plant Production and Genetics, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran.
5 Associate Professor, Research and Technology Institute of Plant Production (RTIPP), Afzalipour Research Institute and Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Shahid Bahonar University of Kerman, Kerman, Iran.
چکیده [English]

Objective
Achieving isogenic lines is a limitation in breeding programs due to the time-consuming nature of the process. The present study aims to optimize a speed breeding method concurrent with the production of isogenic lines derived from a backcross of bread wheat (cultivars Roshan and Kalheydari) with the early heading Australian cultivar Excalibur. This is to investigate the genetic status and effects of vernalization and photoperiod genes on earliness, yield, and yield components.
Materials and Methods
In the current study, early heading BC3F2 generation plants, obtained through a backcrossing method from the Excalibur cultivar to the Roshan and Kalheydari cultivars in previous studies, were crossed with the recurrent parent (Roshan/Kalheydari) to obtain the BC4F1 generation. Both parents and progeny were evaluated for vernalization and photoperiod genes using specific markers. Before planting, seeds of each generation were dried in an oven (29°C) for 120 hours, then stored for 72 hours in a refrigerator (4°C) after a 0.5 ppm gibberellic acid treatment. Subsequently, they were sown in an optimized medium consisting of cocopeat, decomposed manure, sand, and field soil. Lighting racks equipped with 18 LED lamps and timers provided 16:8 (darkness/light) photoperiod cycles. The greenhouse temperature was controlled at 21-24°C. The development of BC5F1 to BC5F4 generations under greenhouse conditions using this method allowed for speed breeding in a year. Throughout these generations, only heterozygous plants were selected using specific markers. In the BC5F5 generation, based on molecular test results, homozygous lines were chosen for final field trials.
Results
In this research, through optimized greenhouse-based speed breeding and the development of five backcross generations and four selfing generations, the Ppd-D1b/Ppd-D1b and Ppd-D1a/Ppd-D1a isogenic lines were obtained within the genetic background of the Roshan and Kalheydari cultivars. Additionally, Vrn-B1a/Vrn-D1a, Vrn-B1a/vrn-D1, vrn-B1/Vrn-D1a, and vrn-B1/vrn-D1 isogenic lines were obtained within the genetic background of Roshan. The results indicated that marker-assisted selection for a combination of the Vrn-B1 and Vrn-D1a vernalization alleles could reduce the number of days to heading by approximately ten days. In contrast, within a backcross breeding program for heading (phenotypic selection) in the same genetic background (Roshan), heading was 14 days earlier. The vrn-B1/Vrn-D1a was the isogenic line exhibiting the fewest days to ripening in both trials. The Vrn-B1a/Vrn-D1 and Vrn-B1a/Vrn-D1a isogenic lines, respectively, showed the highest number of days to ripening under well-watered and rainfed conditions. The selection of the Ppd-D1a allele in the current study indirectly improved heading in the Roshan and Kalheydari genetic backgrounds by 4.25 and 6.03 days, respectively. The production of the BC5F1 generation within a 65-day timeframe from planting, with the genotypes entering the heading stage, facilitated the cross-pollination.
Conclusion
Year-round marker-assisted backcrossing in a greenhouse is feasible without requiring phenotypic selection. Given the recovery of a significant portion of the recurrent parent's genome over generations, shortening the breeding cycle using new technologies like accelerated breeding methods can increase genetic progress without a substantial increase in population size.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Classical Breeding
  • Controlled environment
  • New Generation Technologies