ارزیابی تحمل ژنوتیپ‌های گندم نان به پیری بذر در مرحله جوانه‌زنی با شاخص‌های کمی تحمل

نوع مقاله : مقاله کامل علمی- پژوهشی

نویسندگان

گروه تولید و ژنتیک گیاهی دانشکده کشاورزی دانشگاه ارومیه. ارومیه، ایران

چکیده

سابقه و هدف: گندم به‌عنوان یکی از اصلی‌ترین منابع غذایی در جهان، نقش مهمی در تأمین امنیت غذایی ایفا می‌کند. در این میان، کیفیت بذر گندم از عوامل کلیدی در موفقیت کشت و دستیابی به عملکرد مطلوب در مزرعه به‌شمار می‌رود. یکی از مهمترین عواملی که می‌تواند کیفیت بذر را کاهش دهد، پیری بذر است. این پدیده به‌مرور زمان و در نتیجه قرار گرفتن بذرها در شرایط نامطلوب محیطی مانند دما و رطوبت بالا به‌ویژه هنگام ذخیره‌سازی رخ می‌دهد و باعث کاهش توان جوانه‌زنی و ضعف در رشد اولیه گیاهچه‌ها می‌شود. هدف این مطالعه ارزیابی توان زنده‌مانی ژنوتیپ‌های گندم نان پیرو پیری تسریع‌شده با استفاده‌ از شاخص‌های تحمل بود.
مواد و روش‌ها: در این مطالعه، تعداد ۲۲۸ ژنوتیپ گندم نان شامل توده‌های بومی و ارقام زراعی بصورت فاکتوریل در قالب طرح کاملاً تصادفی تحت تیمار پیری تسریع‌شده در چهار سطح صفر، ۴۸، ۷۲ و ۹۶ ساعت در سال ۱۴۰۱-۱۴۰۲ مورد بررسی قرار گرفتند. درصد جوانه‌زنی به‌عنوان شاخص عملکرد بذر اندازه‌گیری شد و با استفاده از شاخص‌های کمی تحمل از قبیلSTI ، GMP، YSI، MP، HAR، SSI، TOL و شاخص نوین WGMI واکنش ژنوتیپ‌ها به تنش پیری ارزیابی گردید. تجزیه و تحلیل داده‌ها با روش‌های آماری ضریب همبستگی، تجزیه به مؤلفه‌های اصلی (PCA) و تجزیه خوشه‌ای انجام شد. تجزیه همبستگی داده‌ها با استفاده از نرم‌افزارSPSS نسخه 26 انجام شد. دندروگرام تجزیه خوشه‌ای (هیت‌مپ) با استفاده از پکیج‌های gplots، d3heatmap، dendextend و نمودارهای بای‌پلات تجزیه به مؤلفه‌های اصلی با پکیج‌های factoextra و FactoMineR در نرم افزار RStudio نسخه 4.3.2 تهیه شدند.
یافته‌ها: نتایج نمودار جعبه‌ای نشان داد که در اغلب شاخص‌ها بین سطوح مختلف پیری تسریع شده اختلاف آماری معنی‌دار وجود دارد (0001/0 >P). بر اساس تمامی شاخص‌های مورد مطالعه بجز TOL و SSI با افزایش مدت زمان پیری کاهش قابل ملاحظه‌ای در نمود جوانه‌زنی مشاهده شد. نتایج تجزیه همبستگی نشان داد که شاخص‌هایی نظیرSTI ، GMP، HAR، MPو YSI همبستگی مثبت و معنی‌داری با عملکرد تحت تنش داشتند و به‌طور مؤثری ژنوتیپ‌های مقاوم را شناسایی کردند. در مقابل، شاخص‌های TOL وSSI با درصد جوانه‌زنی تحت تنش همبستگی منفی نشان دادند و به شناسایی ژنوتیپ‌های حساس کمک نمودند. بر اساس نتایج تجزیه خوشه‌ای‌ در سطوح پیری تسریع شده 48 و 72 ساعت، ژنوتیپ‌های گندم نان از لحاظ شاخص‌های مورد مطالعه و بر پایه‌ی درصد جوانه‌زنی در سه گروه اصلی طبقه‌بندی شدند. در سطح پیری تسریع شده 96 ساعت ژنوتیپ‌ها در دو گروه اصلی قرار گرفتند. ژنوتیپ‌های گروه اول در هرسه سطح تنش، به‌عنوان برترین و مقاوم‌ترین ژنوتیپ‌ها نسبت به پیری بذر شناسایی شدند. بر اساس شاخص WGMI ژنوتیپ‌هایی با عملکرد پایدار و متعادل در کلیه سطوح تنش پیری به‌خوبی تفکیک شدند. براساس نتایج به دست آمده، ارقام الوند، فونگ و کرج1 در کنار توده‌های بومی 626215، 627410، 626978، 627849، 624944، 627414، 623090 و 624846 به‌عنوان مقاوم‌ترین ژنوتیپ‌ها به پیری بذر معرفی می‌شوند.
نتیجه‌گیری: یافته‌های این پژوهش نشان داد که استفاده هم‌زمان از شاخص‌های مختلف تحمل تنش و روش‌های آماری چندمتغیره به‌عنوان ابزاری مؤثر و دقیق، توانست به شناسایی و انتخاب ژنوتیپ‌های متحمل به پیری بذر کمک کند. ژنوتیپ‌های شناسایی‌شده در این مطالعه می‌توانند به‌عنوان والدین مناسب در برنامه‌های اصلاح نژاد برای بهبود صفات مرتبط با ماندگاری بذر به کار گرفته شوند. این ژنوتیپ‌ها همچنین می‌توانند در برنامه‌های ارزیابی ژنومی جهت شناسایی ژن‌ها و QTLهای مؤثر بر بنیه بذر مورد استفاده قرار گیرند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

Evaluation of bread wheat genotypes tolerance to seed aging at germination stage using quantitative stress tolerance indices

نویسندگان [English]

  • Sima Fatanatvash
  • هادی علی پور
  • Reza Darvishzadeh
  • Mahdi Ghiyasi
Department of Plant Production and Genetics, Faculty of Agriculture, Urmia University, Urmia, Iran
چکیده [English]

Background and Objectives: Wheat, as one of the main food sources in the world, plays an important role in ensuring food security. In this context, the quality of wheat seeds is a key factor in the success of cultivation and achieving optimal yield in the field. One of the most important factors that can reduce seed quality is seed aging. This phenomenon occurs over time and as a result of seeds being exposed to unfavorable environmental conditions such as high temperature and humidity, especially during storage, and causes a decrease in germination capacity and weakness in the initial growth of seedlings. The aim of this study was to evaluate the viability of bread wheat genotypes using tolerance indices under accelerated aging conditions.

Materials and Methods: In this study, 228 bread wheat genotypes, including landraces and cultivars, were investigated as a factorial experiment in a completely randomized design under accelerated aging treatment at four levels of zero, 48, 72 and 96 hours in 2022-2023 year. Germination percentage was measured as an index of seed yield, and the response of genotypes to aging stress was evaluated using quantitative tolerance indices such as STI, GMP, YSI, MP, HAR, SSI, TOL, and the new WGMI index. Data analysis was performed using statistical methods of correlation coefficient, principal component analysis (PCA), and cluster analysis. Data correlation analysis was performed using SPSS version 26 software. Cluster analysis dendrograms (heatmaps) were prepared using the gplots, d3heatmap, and dendextend packages, and principal component analysis biplots were prepared using the factoextra and FactoMineR packages in R software version 4.3.2

Results: Boxplot results showed that there was a significant statistical difference between different levels of accelerated aging in most of the indices (P < 0.0001). Based on all the studied indices except TOL and SSI, a significant decrease in germination percentage was observed with increasing aging time. The results of correlation analysis showed that indices such as STI, GMP, HAR, MP and YSI had a positive and significant correlation with performance under stress and effectively identified resistant genotypes. In contrast, TOL and SSI indices showed a negative correlation with germination percentage under stress and helped identify sensitive genotypes. Based on the results of cluster analysis at accelerated aging levels of 48 and 72 hours, bread wheat genotypes were classified into three main groups in terms of the studied indices and based on germination percentage. At the accelerated aging level of 96 hours, the genotypes were placed in two main groups. The genotypes of the first group were identified as the best and most resistant genotypes to seed aging in all three stress levels. Based on the WGMI index, genotypes with stable and balanced performance in all aging stress levels were well distinguished. Based on the results obtained, the cultivars ALVAND, FONG and KARAJ1, along with the landraces 626215, 627410, 626978, 627849, 624944, 627414, 623090 and 624846, are introduced as the most resistant genotypes to seed aging.

Conclusion: The findings of this study showed that the simultaneous use of different stress tolerance indices and multivariate statistical methods as an effective and accurate tool could help identify and select genotypes tolerant to seed aging. The genotypes identified in this study can be used as suitable parents in breeding programs to improve traits related to seed viability. These genotypes can also be used in genomic evaluation programs to identify genes and QTLs affecting seed vigor.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Aging stress
  • seed quality
  • WGMI index
  • wheat

مراجع

  1. Zhang, T., Li, J., Tong, J., Song, Y., Wang, L., Wu, R., ... & Zeng, R. (2025). End-to-end deep fusion of hyperspectral imaging and computer vision techniques for rapid detection of wheat seed quality. Artificial Intelligence in Agriculture, 15 (3), 537-549
  2. Baskin, C. C., & Baskin, J. M. (2020). Breaking seed dormancy during dry storage: a useful tool or major problem for successful restoration via direct seeding? Plants, 9(5), 636.
  3. Bewley, J. D., Bradford, K. J., Hilhorst, H. W., Nonogaki, H., Bewley, J. D., Bradford, K. J., ... & Nonogaki, H. (2013). Dormancy and the control of germination. Seeds: Physiology of Development, Germination and Dormancy, 3rd Edition, 247-297.
  4. Hanbury‐Brown, A. R., Ward, R. E., & Kueppers, L. M. (2022). Forest regeneration within Earth system models: current process representations and ways forward. New Phytologist, 235(1), 20-40.
  5. Wang, H., Wang, X., Li, Y., Gao, R., Narsing Rao, M. P., Song, J., & Li, Q. (2023). Effect of environmental factors on seed germination and seedling emergence of Viola prionantha, a cleistogamous plant. Journal of Plant Research, 136(5), 631-641.
  6. Zhao, W., Sun, Y., & Gao, Y. (2023). Potential factors promoting the natural regeneration of Larix principis-rupprechtii in North China. PeerJ, 11, e15809.
  7. Pirredda, M., Fañanás-Pueyo, I., Oñate-Sánchez, L., & Mira, S. (2023). Seed longevity and ageing: a review on physiological and genetic factors with an emphasis on hormonal regulation. Plants, 13(1), 41.
  8. Zhang, K., Zhang, Y., Sun, J., Meng, J., & Tao, J. (2021). Deterioration of orthodox seeds during ageing: Influencing factors, physiological alterations and the role of reactive oxygen species. Plant Physiology and Biochemistry, 158, 475-485.
  9. Delouche, J. C., & Baskin, C. C. (1973). Accelerated aging techniques for predicting the relative storability of seed lots. Seed Science and Technology, 1, 427–452.
  10. Shirazi, E., Fazeli-nasab, B., Ramshin, H. A., Fazel-Najaf-Abadi, M., & Izadi-darbandi, A. (2016). Evaluation of drought tolerance in wheat genotypes under drought stress at germination stage. Journal of Crop Breeding, 8(20), 207-219 [In Persian].
  11. Hossain, A., Teixeira da Silva, J. A., Lozovskaya, M. V., Zvolinsky, V. P., & Mukhortov, V. I. (2012). High temperature combined with drought affect rainfed spring wheat and barley in south-eastern Russia: Yield, relative performance and heat susceptibility index. Journal of Plant Breeding and Crop Science, 4(11), 184-196.
  12. Gupta, S., Van Staden, J., & Doležal, K. (2022). An understanding of the role of seed physiology for better crop productivity and food security. Plant Growth Regulation, 97(2), 171-173.
  13. Chen, K., & Arora, R. (2013). Priming memory invokes seed stress-tolerance. Environmental and experimental Botany, 94, 33-45.
  14. Fischer, R. A., & Maurer, R. (1978). Drought resistance in spring wheat cultivars. I. Grain yield responses. Australian Journal of Agricultural Research, 29(5), 897–912. https://doi.org/10.1071/AR9780897.
  15. Rosielle, A. A., & Hamblin, J. (1981). Theoretical aspects of selection for yield in stress and non-stress environments. Crop Science, 21(6), 943–946. https://doi.org/10.2135/cropsci1981.0011183X002100060022x.
  16. Fernandez, G. C. J. (1992). Effective selection criteria for assessing stress tolerance. In Proceedings of the International Symposium on Adaptation of Vegetables and Other Food Crops in Temperature and Water Stress (pp. 257–270). Shanhua, Taiwan: AVRDC.
  17. Bouslama, M., & Schapaugh, W. T. (1984). Stress tolerance in soybean. I. Evaluation of three screening techniques for heat and drought tolerance. Crop Science, 24(5), 933–937. https://doi.org/10.2135/cropsci1984.0011183X002400050033x.
  18. Schneider, K. A., Rosales-Serna, R., Ibarra-Perez, F., Cazares-Enriquez, B., Acosta-Gallegos, J. A., Ramirez-Vallejo, P., Wassimi, N., & Kelly,J. D. (1997). Improving common bean performance under drought stress. Crop Science, 37(1), 43-50.
  19. Taghian, A.S., Abo-Elwafa, A. (2003). Multivariate and rapid analysis of drought tolerance in spring wheat. Assiut Journal of Agricultural Science. 34, 1-25.
  20. Sundari, T., Tohari, S., Mangoendidjojo, W. (2005). Yield performance and tolerance of mung bean genotypes to shading. Journal Pertanian. 12, 12-19.
  21. Samdur, M. Y., Patroti, P. D., Talwar, H. S., Sharma, K. K., Tonapi, V. A., Prabhakar, ... & Kshirsagar, Y. S. (2021). Weighted geometric mean index: A model to evaluate drought tolerance in post-rainy season sorghum (Sorghum bicolor L.) Moench). Cereal Research Communications, 49, 329-336.
  22. Eslami, P., Bernousi, I., Aharizad, S., & Jafarzadeh, J. (2021). Evaluation of drought stress tolerance in barley lines using tolerance indices. Journal of Crop Breeding, 13(38), 71-83 [In Persian].
  23. Saremi, Z., Shahbazi, M., Zeinalabedini, M., Majidi Haravan, E., & Azizinezhad, R. (2022). Evaluation of Drought Tolerance in Barley Genotypes (Hordeum vulgare L.) using Drought Tolerance Indices. Journal of Crop Breeding, 14(41), 10-18 [In Persian].
  24. Rabieyan, E., Bihamta, M. R., Moghaddam, M. E., Alipour, H., Mohammadi, V., Azizyan, K., & Javid, S. (2023). Analysis of genetic diversity and genome-wide association study for drought tolerance related traits in Iranian bread wheat. BMC Plant Biology, 23(1), 431.
  25. Modarresi, R., Rucker, M., & Tekrony, D. M. (2002). Accelerating ageing test for comparing wheat seed vigour. Seed Science and Technology, 30(3), 683-687.
  26. Mondal, S., & Bose, B. (2018). Accelerated Aging Affects the Germination Physiology of Wheat Seeds. International Journal of Agriculture, Environment and Biotechnology, 11(1), 209-216.
  27. ISTA. 2009. International Rules for Seed Testing. Bassersdorf, Switzerland. International Seed Testing Association.
  28. Hampton, J. G., & TeKrony, D. M. (1995). Handbook of vigour test methods, (International Seed Testing Association: Zürich, Switzerland).
  29. ISTA. 2008. International rules for seed testing. International Seed Testing Association, Bassersdorf. Wheat. University Publication Center, 352 pp
  30. Chegeni, H., Goldani, M., Shirani Rad, A. H., & Kafi, M. (2017). The effect of accelerated aging on germination indices of promising rapeseed (Brassica napus L.) lines. Plant Breeding Research Journal, 8(19), 209–217 [In Persian].
  31. Ghanbari, M., Makhtassi-Bidgoli, A., Talebi-Siah Saran, P., & Pirani, H. (2019). Effect of deterioration on germination and enzymes activity in dry bean (Phaseolus vulgaris L. cv. Sadri) under salinity stress condition. Environmental Stresses in Crop Sciences, 12(2), 585-594 [In Persian].
  32. Sun, S., Mi, C., Ma, W., & Mao, P. (2024). Dynamic responses of germination characteristics and antioxidant systems to alfalfa (Medicago sativa) seed aging based on transcriptome. Plant Physiology and Biochemistry, 217, 109205.
  33. Srii, V. S., & Nagarajappa, N. (2024). Impact of accelerated aging on seed quality, seed coat physical structure and antioxidant enzyme activity of Maize (Zea mays L.). PeerJ, 12, e17988.
  34. Khojamli, R., Zaynali Nezhad, K., Nasrollahnejad Ghomi, A. A., & Bagherikia, S. (2021). Evaluation of bread wheat genotypes under drought stress conditions in seedling stage using drought indices. Environmental Stresses in Crop Sciences, 14(4), 887-899 [In Persian].
  35. Han, L., Guijun, Y., Dai, H., & Zhao, C. (2019). Combining self-organizing maps and biplot analysis to preselect maize phenotypic components based on UAV high-throughput phenotyping platform. Plant Methods, 15(1), 1–12. https://doi.org/10.1186/s13007-019-0418-6.
  36. Alipour, A., Abdi, H., Rahimi, Y., & Bihamta, M.R. (2019). Investigating grain yield and yield stability of wheat cultivars introduced in Iran over the last half century. Cereal Research, 9 (2), 157-167 [In Persian].
  37. Hoseinpour Berenj-Abad, M., Jafari, M., & Alipour, H. (2024). Evaluation of tolerance to drought stress in bread wheat (Triticum aestivum L.) cultivars and landraces using tolerance indices. Cereal Research, 14(1), 61-82 [In Persian].
مجله تولید گیاهان زراعی
دوره 18، شماره 3
مهر 1404
صفحه 82-102

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار