دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی گرگان مجله تولید گیاهان زراعی 2008-739X 18 4 2025 12 22 Genetic diversity assessment of maize (Zea mays L.) inbred lines based on physiological traits under zinc-sufficient and zinc-deficient conditions using factor analysis بررسی تنوع ژنتیکی لاین‌های ذرت (Zea mays L.) بر اساس ویژگی‌های فیزیولوژیک در شرایط بهینه و کمبود روی با استفاده از تحلیل عاملی 119 142 7679 10.22069/ejcp.2026.24131.2715 FA مریم هراتی راد دانشجوی دکتری، گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زابل، سیستان و بلوچستان، ایران. نفیسه مهدی نژاد استاد، گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زابل، سیستان و بلوچستان، ایران 0000-0002-0582-9227 رضا درویش زاده استاد، گروه تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، آذربایجان غربی، ایران. براتعلی فاخری استاد، گروه اصلاح نباتات و بیوتکنولوژی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زابل، سیستان و بلوچستان، ایران میترا جباری استادیار، گروه مهندسی تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه سراوان، سیستان و بلوچستان، ایران. سرور ارژنگ محقق پسا دکتری، گروه تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه ارومیه، آذربایجان‌غربی، ایران 0000-0002-4114-2828 Journal Article 2025 10 03 Background and objectives<br />Maize (Zea mays L.) is one of the most important cereal crops worldwide, playing a key role in food security, livestock nutrition, and the food industry. Micronutrient deficiencies, particularly zinc (Zn), are among the major constraints in agricultural soils, exerting detrimental effects on plant growth and yield. Zinc deficiency is one of the most widespread micronutrient disorders in cropping systems, reducing productivity and nutritional quality and thereby representing a serious threat to food security. As a Zn-sensitive crop and an indicator of soil Zn status, maize requires breeding programs informed by precise evidence on genetic diversity and physiological responses. The objective of this study was to investigate the genetic diversity and changes in the correlation structure of physiological and biochemical traits under two Zn nutritional levels.<br />Materials and Methods<br />This study evaluated 95 maize inbred lines under two nutritional regimes: Zn-sufficient (with zinc sulfate fertilizer) and Zn-deficient (without zinc sulfate). The experiment was conducted using an alpha-lattice design with two replications over two years. In total, 21 physiological and biochemical traits were assessed. Combined ANOVA under both Zn regimes was performed using SAS 9.4, and Pearson correlation analysis as well as factor analysis were conducted in R using the relevant statistical packages.<br />Results<br />Combined ANOVA revealed significant effects of genotype as well as genotype × environment and genotype × year interactions at the 1% probability level, indicating substantial genetic variation and differential responses across environments. Under Zn deficiency, mean values of chlorophyll a, chlorophyll b, total chlorophyll, proline, malondialdehyde (MDA), polyphenol oxidase (PPO), and seed iron increased, indicating activation of oxidative defense pathways and metabolic adjustment. In contrast, under Zn sufficiency, higher levels of catalase (CAT), seed protein, seed carbohydrate, and mineral elements such as potassium, zinc, and phosphorus were observed, reflecting a greater allocation of resources to growth and storage. Correlation analysis showed positive and significant associations between photosynthetic pigments and metabolic indicators under Zn sufficiency, whereas these associations weakened or shifted under Zn deficiency—for example, seed carbohydrate became associated with chlorophyll b, proline, and leaf protein. The stability of significant correlations among chlorophyll a, chlorophyll b, and total chlorophyll under both Zn regimes indicates their potential as reliable and stable indicators for indirect screening of Zn-efficient genotypes. Factor analysis with varimax rotation highlighted the latent structure of the traits: three factors were extracted under Zn deficiency, explaining 33% of the total variance, whereas under Zn sufficiency, seven factors were identified, accounting for 54% of the total variance.<br />Conclusion<br />The findings demonstrated significant genetic diversity among the evaluated maize lines for key photosynthetic, nitrogen-related, and antioxidative traits. This diversity was more evident in photosynthetic and nitrogen-associated pathways in leaves and seeds under Zn deficiency, whereas under Zn sufficiency, a more complex factorial structure involving metabolic and storage-related traits emerged. Since traits such as chlorophyll pigments, leaf and seed protein, leaf and seed nitrogen, as well as selected antioxidative indicators exhibited both high inter-genotypic variability and differential behavior under Zn deficiency, they can serve as reliable criteria for preliminary screening of genotypes capable of adapting to Zn-limited conditions. These findings provide a suitable perspective for the use of physiological and biochemical traits in maize breeding programs aimed at improving Zn efficiency. سابقه و هدف<br />ذرت (Zea mays L.) یکی از مهم‌ترین محصولات زراعی جهان است که نقش کلیدی در امنیت غذایی، تغذیه دام و صنایع غذایی ایفا می‌کند. کمبود عناصر ریزمغذی، به‌ویژه روی (Zn)، یکی از چالش‌های اصلی در خاک‌های کشاورزی است که تأثیرات منفی بر رشد و عملکرد گیاهان دارد. کمبود روی یکی از شایع‌ترین کمبودهای ریزمغذی در خاک‌های زراعی است که با کاهش عملکرد و کیفیت تغذیه‌ای محصولات، تهدیدی جدی برای امنیت غذایی محسوب می‌شود. ذرت، به‌عنوان گیاهی حساس به کمبود روی و شاخصی برای ارزیابی وضعیت این عنصر در خاک، نیازمند برنامه‌های اصلاحی مبتنی بر شواهد دقیق از تنوع ژنتیکی و پاسخ‌های فیزیولوژیکی است. هدف این پژوهش، بررسی تنوع ژنتیکی و تغییرات ساختار همبستگی بین شاخص‌های فیزیولوژیکی و بیوشیمیایی تحت دو سطح تغذیه روی بود.<br />مواد و روش‌ها<br />این پژوهش با هدف بررسی تنوع ژنتیکی 95 لاین خالص ذرت تحت دو شرایط بهینه (با اعمال کود سولفات روی) و کمبود روی (بدون اعمال کود سولفات روی) انجام شد. آزمایش در قالب طرح آلفا لاتیس با دو تکرار در مدت دو سال اجرا گردید. در مجموع، 21 صفت فیزیولوژیکی مورد ارزیابی قرار گرفت. تجزیه واریانس مرکب تحت هر دو شرایط بهینه و کمبود روی با استفاده از نرم‌افزار SAS نسخه 4/9، و همبستگی پیرسون و نیز تحلیل عاملی با استفاده از بسته‌های مربوطه در نرم‌افزار R انجام شد.<br />یافته‌ها<br />بر اساس نتایج تجزیه واریانس مرکب، اثر ژنوتیپ و اثرات متقابل ژنوتیپ × محیط و ژنوتیپ × سال بر روی صفات مورد مطالعه در سطح احتمال یک درصد معنی‌دار بود که بیانگر وجود تنوع ژنتیکی قابل توجه و واکنش‌های متفاوت ژنوتیپ‌ها در شرایط محیطی مختلف بود. در شرایط کمبود روی، میانگین صفاتی نظیر کلروفیل a، کلروفیل b، کلروفیل کل، پرولین، مالون‌دی‌آلدئید، پلی‌فنل اکسیداز و محتوای آهن بذر افزایش یافت که نشانه فعال شدن مسیرهای دفاع اکسیداتیو و سازگاری متابولیکی بود. در مقابل، در شرایط بهینه، مقادیر بالاتری از صفاتی مانند کاتالاز، پروتئین بذر، کربوهیدرات بذر و عناصر معدنی مانند پتاسیم، روی و فسفر بذر مشاهده شد که بازتاب‌دهنده‌ی تخصیص بیشتر منابع به رشد و ذخیره‌سازی بود. تحلیل همبستگی نشان داد که در شرایط بهینه، همبستگی‌های مثبت و معنی‌داری بین صفات فتوسنتزی و شاخص‌های متابولیتی وجود داشت، در حالی که در شرایط کمبود روی این روابط تضعیف یا به مسیرهای دیگری منتقل شدند، مانند ارتباط کربوهیدرات بذر با صفات کلروفیل b، پرولین و پروتئین برگ. پایداری همبستگی‌های معنی‌دار بین کلروفیل a، کلروفیل b و کلروفیل کل در هر دو شرایط، نشان‌دهنده قابلیت این صفات برای استفاده به‌عنوان شاخص‌های ثابت و قابل اعتماد در غربالگری غیرمستقیم ژنوتیپ‌های متحمل است. تحلیل عاملی با چرخش واریماکس نیز ساختار پنهانی داده‌ها را آشکار ساخت. در شرایط کمبود روی، سه عامل اصلی استخراج شد که ۳۳ درصد از واریانس کل صفات را توضیح دادند. در مقابل در شرایط بهینه، هفت عامل شناسایی شد که در مجموع ۵۴ درصد از واریانس کل را توجیه کردند. <br />نتیجه‌گیری<br />نتایج این پژوهش نشان داد که تنوع ژنتیکی معنی‌داری در لاین‌های ذرت مورد بررسی برای صفات کلیدی فتوسنتزی، نیتروژنی و آنتی‌اکسیداتیو وجود دارد. این تنوع در شرایط کمبود روی بیشتر در مسیرهای فتوسنتزی و نیتروژنی برگ و بذر نمود پیدا کرد، در حالی که در شرایط بهینه، ساختار عاملی پیچیده‌تری از روابط بین صفات متابولیتی و ذخیره‌ای شکل گرفت. از آنجا که صفاتی مانند کلروفیل‌ها، پروتئین و نیتروژن برگ و بذر و برخی شاخص‌های آنتی‌اکسیداتیو، هم تنوع میان‌ژنوتیپی بالایی ایجاد کردند، هم در شرایط تنش رفتار تمایزبخش نشان دادند، می‌توانند به‌عنوان معیارهای قابل اعتماد برای غربالگری اولیه ژنوتیپ‌های توانمند در سازگاری به کمبود روی در برنامه‌های به‌نژادی ذرت مورد استفاده قرار گیرند. این یافته‌ها چشم‌انداز مناسبی برای بهره‌گیری از شاخص‌های فیزیولوژیک و بیوشیمیایی در برنامه‌های به‌نژادی ذرت فراهم می‌کند. https://ejcp.gau.ac.ir/article_7679_3bb5fb5139df81b399059b1854fb6cf2.pdf