ارزیابی برخی هیبریدهای برنج حاصل از نرعقیمی ژنتیکی سیتوپلاسمی از نظر خصوصیات زراعی و فیزیکوشیمیایی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 بخش تحقیقات علوم زراعی و باغی، مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی استان اردبیل، سازمان تحقیقات، آموزش و ترویج کشاورزی، اردبیل، ایران

2 گروه ژنتیک و به نژادی گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه بین‌المللی امام خمینی (ره). قزوین. ایران

3 گروه بیوتکنولوژی و اصلاح نباتات، دانشکده علوم زراعی، دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری. ساری. ایران

10.22034/plant.2025.143806.1162

چکیده

مقدمه: توسعه فناوری نرعقیمی سیتوپلاسمی و شناسایی لاین‌های برگرداننده باروری کارآمد، از ارکان اساسی در به‌نژادی هیبریدهای پرمحصول و باکیفیت برنج به شمار می‌رود. در ایران، با وجود بومی‌سازی لاین‌های نرعقیم، محدودیت در لاین‌های برگرداننده باروری مؤثر، عدم همزمانی گلدهی والدین و کیفیت پخت نامطلوب از مهم‌ترین عوامل محدودکننده گسترش برنج هیبرید محسوب می‌شوند. بر این اساس، هدف این پژوهش، ارزیابی تعدادی از هیبریدهای بومی حاصل از نرعقیمی سیتوپلاسمی از نظر خصوصیات زراعی، فیزیکوشیمیایی و مولکولی، برای شناسایی ترکیب‌های برتر و لاین‌های برگرداننده باروری مناسب جهت بهره‌برداری در برنامه‌های به‌نژادی برنج هیبرید بود.
مواد و روش‎‌ها: شش لاین نرعقیم سیتوپلاسمی شامل چهار لاین خارجی و دو لاین بومی (نداA و نعمتA) به عنوان والد مادری و پنج لاین برگرداننده باروری به‌همراه یک لاین موتانت پیشرفته از رقم پژوهش (نسل نهم موتاسیون القایی با اشعه گاما) به عنوان والد پدری مورد استفاده قرار گرفتند. در سال 1398 تلاقی بین والدینی که از نظر گلدهی هم‌زمان بودند انجام شد. در سال 1399 تعداد 7 هیبرید حاصل، به‌همراه دو رقم شاهد (نعمت و هاشمی) در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار در مزرعه تحقیقاتی دانشگاه علوم کشاورزی و منابع طبیعی ساری کشت گردید. صفات زراعی، درصد عقیمی گرده، درصد باروری خوشه و عملکرد دانه اندازه‌گیری گردید. برای شناسایی ژن برگرداننده باروری Rf3 در لاین‌های برگرداننده و هیبریدهای مربوطه، از نشانگرهای مولکولی RM490 و RM3148 استفاده گردید. درصد آمیلوز، درجه حرارت ژلاتینی شدن، میزان ری‌آمدن برنج پخته و راندمان تبدیل در آزمایشگاه کنترل کیفیت اندازه‌گیری شدند.
نتایج: نتایج نشان داد درصد باروری دانه گرده تمامی هیبریدها بیش از 90 درصد بوده است، بر این اساس، ژنوتیپ‌های IR50، IR67924R، P15-3، IR 56،  IR46Rو NSIC RC 352 بعنوان والدین پدری، برگرداننده باروری تشخیص داده شدند. بیشترین تعداد پنجه بارور و بلندترین خوشه در تلاقی ندا A و رقم IR50 مشاهده گردید. همچنین، بالاترین عملکرد دانه به هیبریدهای /IR50 نداA، /IR56 نعمت A و IR 68899A/IR56 اختصاص داشت که با عملکردی بیش از 1000 گرم شلتوک در متر مربع، از صفاتی نظیر تعداد دانه پر در خوشه، طول خوشه، باروری دانه گرده و خوشه بالا تأثیر پذیرفته بودند. بررسی ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی نشان داد که میزان آمیلوز در هیبریدها در دامنه 79/21 تا 65/28 درصد متغیر بود، در حالیکه رقم هاشمی دارای 45/22 درصد آمیلوز بود. هیبرید /IR50 ندا A بیشترین درصد برنج قهوه‌ای (98/77)، راندمان تبدیل (45/65 درصد) و درصد برنج سالم (91/51 درصد) را دارا بود. نتایج مولکولی نیز تأیید نمود که ژنوتیپ‌های IR50، IR67924R، P15-3، IR46R و NSIC RC 352 از نظر هر دو نشانگر RM490 و RM3148 دارای ژن Rf3 می‌باشند.
نتیجه‌‎گیری: به طور کلی هیبریدهای /IR50 نداA، /IR56 نعمت A و IR 68899A/IR56 از لحاظ عملکرد دانه و ویژگی‌های فیزیکوشیمیایی برتر هستند. این یافته‌ها بیانگر آن است که با بهره‌گیری از فناوری هیبرید و انتخاب لاین‌های مناسب برگرداننده باروری، می‌توان ضمن افزایش معنی‌دار عملکرد برنج، گامی مؤثر در راستای ارتقاء کیفیت دانه و تقویت امنیت غذایی برداشت.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Evaluation of some rice hybrids improved of cytoplasmic genetic male sterility for agronomic and physicochemical traits

نویسندگان [English]

  • Ammar Afkhami Ghadi 1 2
  • Rahele Khademian 2
  • Ghorbanali Nematzadeh 3
  • Nadali Babaeian Jalodar 3
  • Nadali Bagheri 3
1 Crop and Horticultural Science Research Department, Ardabil Agricultural and Natural Resources Research and Education Center, Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Ardabil, Iran
2 Imam Khomeini International Ghazvin, Iran
3 Biotechnology and Plant Breeding Department, Sari Agricultural Sciences and Natural Resources University, Sari, Iran
چکیده [English]

Introduction: Development of cytoplasmic male sterility (CMS) technology and identification of suitable fertility restorer lines are cornerstones for high-yielding and high-quality rice hybrid breeding. In Iran, despite the establishment of male sterile lines, the limited access to of effective fertility restorer lines (RFLs), the lack of synchronization in flowering time between parents, and undesirable cooking quality be considered significant limiting factors for the expansion of hybrid rice. Therefore, the objective of this research was to evaluate a set of local hybrids derived from CMS for their agronomic, physicochemical, and molecular characteristics, aiming to identify superior combinations and desirable fertility restorer lines for utilization in hybrid rice breeding programs.
Materials and Methods: Six CMS lines including four foreign lines and two local lines (NadaA and NematA) were used as female parents, and five fertility restorer lines along with one advanced mutant line derived from the Pazhouhesh cultivar (ninth generation of gamma-ray induced mutation) were used as male parents. In 2019 growing season, crosses were conducted between parents exhibiting synchronized flowering times. In 2020 season, seven resulting hybrids, along with the control cultivars Nemat and Hashemi, were cultivated under a randomized complete block design (RCBD) with three replications at the research farm of Sari Agricultural Sciences and Natural Resources of University. The agronomic traits, pollen sterility, panicle fertility percentage, and grain yield measured. Furthermore, the fertility restorer lines, along with the male sterile line NematA and the resulting hybrids, were screened using molecular markers RM490 and RM3148 to confirm the presence of the fertility restorer gene Rf3. Percentage of amylose, gelatinization temperature, the rate of rise of cooked rice, and milling efficiency, were measured in the quality control laboratory.
Results: The results indicated that the pollen fertility percentage in all hybrids was greater than 90%, thereby identifying the genotypes IR50, IR67924R, P15-3, IR56, IR46R, and NSIC RC352 as fertility restorer male parents. The highest number of fertile tillers and the longest panicle length were observed in the cross NadaA/IR50. The highest grain yield was attributed to three hybrids NadaA/IR50, NematA/IR56, and IR68899A/IR56, yielding over 1000 g.m2 of paddy rice, a performance influenced by a high number of filled grains per panicle, panicle length, pollen fertility, and panicle fertility percentage. The comparison of physicochemical traits for the rice hybrids showed that the amylose content ranged from 21.79% to 28.65%, compared to 22.45% the check, Hashemi cultivar. Hybrid NadaA/ IR50 exhibited the highest percentage of brown rice (77.98%), milling efficiency (65.45%), and head rice recovery (51.91%). Molecular analysis confirmed that genotypes IR50, IR67924R, P15-3, IR46R, and NSIC RC352 carried Rf3 gene based on both RM490 and RM3148 markers banding data.
Conclusion: Overall, the hybrids NadaA/IR50, NematA/IR56, and IR68899A/IR56 demonstrated high yield potential and desirable physicochemical profiles. This confirms the feasibility of producing high-quality rice hybrids. This study suggests that by leveraging hybrid technology and utilizing superior parental lines, a significant increase in rice production can be achieved, thereby contributing to enhanced food security.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Fertility restorer genes
  • Grain quality
  • Molecular markers

مراجع

Afkhami Ghadi, A. (2021). Morphological and molecular identification and evaluation of maintainer and restorer lines from various rice genetic sources. Ph. D. Thesis. Iran: Imam Khomeini International University. 181 pp. (In Persian).
Babaeian Jelodar, N. A., Baghari, N., Pasha, A., & Afkhami Ghadi, A. (2012). Molecular mapping of the gene(s) controlling WA-type male sterility in hybrid rice. 12th Congress of Genetics of Iran, Tehran, Iranian Genetic Society. (In Persian).
Cai, J., Liao, Q. P., Dai, Z. J., Zhu, H. T., Zeng, R. Z., Zhang, Z. M., & Zhang, G. Q. (2013). Allelic differentiation and effects of the Rf3 and Rf4 genes on fertility restoration in rice with wild abortive cytoplasmic male sterility. Biol Plantarum, 57, 274–280. https://doi.org/10.1007/s10535-012-0294-9
Chen, R., Li, D., Fu, J., Fu, C., Qin, P., Zhang, X., ... & Yang, Y. (2024). Exploration of quality variation and stability of hybrid rice under multi-environments. Molecular Breeding, 44(1), 4.
Deng, F., Zhang, C., He, L., Liao, S., Li, Q., Li, B., ... & Ren, W. (2022). Delayed sowing date improves the quality of mechanically transplanted rice by optimizing temperature conditions during growth season. Field Crops Research, 281, 108493. https://doi.org/10.1007/s11032-024-01442-3
Faostat, F.A.O. (2024). FAO statistic division. food and agriculture organization–FAO.‏ http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC.
Feng, F., Li, Y., Qin, X., Liao, Y., & Siddique, K. (2017). Changes in Rice Grain Quality of Indica and Japonica Type Varieties Released in China from 2000 to 2014. Front Plant Science, 8, 1863.  https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01863
Haque, M. M., Pramanik, H. R., Biswas, J. K., Iftekharuddaula, K. M., & Hasanuzzaman, M. (2015). Comparative performance of hybrid and elite inbred rice varieties with respect to their source‐sink relationship. The Scientific World Journal, 2015 (1), 1-11. https://doi.org/10.1155/2015/326802
Hari Prasad, A. S., Senguttuvel, P., Revathi, P., Kemparaju, K. B., Sruthi, K., Sundaram, R. M., Seshu Madhav, M., Prasad, M.S., & Laha, G.S. (2018). Breeding strategies for hybrid rice parental line improvement. Oryza. 55, 38–41. https://doi.org/10.5958/2249-5266.2018.00004.8
Hashemi, S. H., Mohammad, S. A., Nematzadeh, G. A. & Arzani, A. (2009). Identification of rice hybrids using microsatellite and RAPD markers. African Journal Biotechnology, 8(10), 2094-2101.
IRRI. (2013). 5th edition standard evaluation system for rice. The International Rice Research Institute, P.O. Box 933, 1099 Manila, Philippines. p. 65.
Julfiquar, A. W. (2009). BRRI: research and development of hybrid rice. The Guardian, 19(3), 33.
Juliano, B. O., & Villareal, C. P. (1993). Grain quality evaluation of world rices. International Rice Resserch Inistitute. 205 P.
Kiani, G. (2017). Identification of fertility restorer and maintainer varieties in rice using SSR markers. Plant Production (Scientific Journal of Agriculture), 40(1), 81-87. (In Persian). https://doi.org/10.22055/ppd.2016.12363
Lafarge, T., & Bueno, C. S. (2009). Higher crop performance of rice hybrids than of elite inbreds in the tropics: 2. Does sink regulation, rather than sink size, play a major role? Field Crops Research, 112(2-3), 238-244. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2009.08.011
Little, R. R. (1958). Differential effect of dilute alkali on 25 varieties of milled white rice. Cereal Chemistry. 35:111-126.
McCouch, S. R., Teytelman, L., Xu, Y., Lobos, K. B., Clare, K., Walton, M., Fu, B., Maghirang, R., Li, Z., Xing, Y., Zhang, Q., Kono, I., Yano, M., Fjellstrom, R., DeClerck, G., Schneider, D., Cartinhour, S., Ware, D., & Stein, L. (2002). Development and mapping of 2240 new SSR markers for rice (Oryza sativa L.). DNA research 9, 199-207. https://doi.org/ 10.1093/dnares/9.6.199
Nagaraju, M., Sindhuja, C.K., Sagar Kolluri, P. K. P., & Suresh, B. G. (2020). Evaluation of rice (Oryza sativa L.) hybrids for quality traits. Journal of Pharmacognosy and Phytochemistry, 9(2), 1901-1904. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.19938.48329
Oladi, M., Nematzdeh, G., Rahimi, M., Afkhami Ghadi, A., Gholizadeh, A., Mozzafari, Ziaee, A. (2015). The effects of gamma ray on genetic and morphological diversity of some rice varieties. Journal of Nuclear Science, Engineering and Technology. 36 (3), 80-87.
Parveen, S., Dhakarey, R., & Singh. J. (2013). Identification of maintainers and restorers for WA CMS lines among Basmati mutants in rice. Agricultural Science Digest-A Research Journal. 33 (3), 234–236. https://doi.org/10.5958/j.0976-0547.33.3.016
Paudyal, M. (2024). Evaluation of hybrid rice varieties for growth and yield traits under irrigated transplanted conditions in Lumbini Province, Nepal. Archives of Agriculture and Environmental Science, 9(4), 641-647. https://doi.org/10.26832/24566632.2024.090401
Reddy, D. V., Kumar, B. R., Suneetha, Y., Srinivas, T. & Kumar, D. M. (2025). Genetic evaluation of promising restorer lines in rice (Oryza sativa L.). Agricultural Science Digest. 1-8. https://doi.org/10.18805/ag.D-6130
Revathi, P., Satheesh Naik, S. J., & Sundaram, R. M. (2025). Hybrid seed production of rice: Status and outlook. Hybrid seed production for boosting crop yields: Applications, Challenges and Opportunities, 41-78.
Saghai Maroof, M. A., Soliman, K. M., Jorgensen, R. A., & Allard, R. W. (1984). Ribosomal DNA spacer-length polymorphism in barley: Mendelian inheritance, chromosomal location and population dynamics.  Proceedings of the National Academy of Sciences, 81, 8014-8018. https://doi.org/10.1073/pnas.81.24.8014
Shidenur, S., Singh, V. J., Vinod, K. K., Krishnan, S. G., Ghritlahre, S. K., Bollinedi, H., Ellur, R. K., Dixit, B. K., Singh, B., Nagarajan, M., Singh, A. K. & Bhowmick, P. K. (2019). Molecular detection of WA-CMS restorers from tropical japonica derived lines, their evaluation for fertility restoration and adaptation. Plant Breeding, 138(5), 553-567. https://doi.org/10.1111/pbr.12701
Singh, A. K., Revathi, P., Pavani, M., Sundaram, R. M., Senguttuvel, P., Kemparaju, K. B., Hari Prasad, A. S., Neeraja, C. N., Sravan Raju, N., Kotewara Rao, P., Suryendra, P. J., Jayaramulu, K., & Viraktamath, B. C. (2014). Molecular screening for fertility restorer genes Rf3 and Rf4 of WA-CMS and evaluation of F1 hybrids in Rice (O. sativa L.). Journal of Rice Research, 7, 1-2.
Sood, B. C., & Siddiq, E. A. (1978). A rapid technique for scent determination in rice. Indian Journal of Genetic and Plant Breeding, 38(2), 268-271.
Subedi, S. R., Sharma, P., Tiwari, D., Dhital, R., Poudel, A., Rijal, R., ... & Yadaw, R. B. (2025). Hardinath hybrid-1: first nepalese hybrid rice to strengthen rice production and food security. Crop Breeding, Genetics and Genomics, 7(1). https://doi.org/10.20900/cbgg20250001
Takahashi, T., Sato, N., Matsunami, M., & Shimono, H. (2023). Yield performance of hybrid rice in a cool climate in Japan. Field Crops Research, 291, 108784. https://doi.org/10.1016/j.fcr.2022.108784
Temnykh, S., DeClerck, G., Lukashova, A., Lipovich, L., Cartinhour, S., & McCouch, S. (2001). Computational and experimental analysis of microsatellites in rice (Oryza sativa L.): frequency, length variation, transposon associations, and genetic marker potential. Genome research. 11, 1441-1452. https://doi.org/ 10.1101/gr.184001
Vejdan. R. (2015). Investigation of fertility restorer genes in promising mutant rice lines through quantitative and molecular traits (SSR). Master’s Thesis. University of Agricultural Sciences and Natural Resources, Sari. Iran. (In Persian).
Xie, J., Xiao, Z., Li, X., Cao, F., Chen, J., Ali, I., ... & Huang, M. (2024). Stability differences of quality traits in high-quality hybrid rice. Journal of Agriculture and Food Research, 18, 101346. https://doi.org/10.1016/j.jafr.2024.101346
Xiong, R., Xie, J., Chen, L., Yang, T., Tan, X., Zhou, Y., ... & Zeng, Y. (2021). Water irrigation management affects starch structure and physicochemical properties of indica rice with different grain quality. Food Chemistry, 347, 129045. https://doi.org/10.1016/j.foodchem.2021.129045
Yang, L., & Wang, Y. (2019). Impact of climate change on rice grain quality. Rice, 427-441. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-811508-4.00013-7
Yuan, L. (2014). Development of hybrid rice to ensure food security. Rice Science. 21(1), 1−2. https://doi.org/ 10.1016/S1672-6308(13)60167-5
Zhong, X., Zhao, B., Huang, M., Athar Hussain, H. Hussain, S., Cai, L., Yun, H., He, G., & Zhang, C. (2020). Comparison of growth and yield characteristics of mid-Season hybrid rice under different yield levels. Agronomy. 10, 1876. 19 PP https://doi.org/10.3390/agronomy10121876
Zhu, D., Zhang, H., Guo, B., Xu, K., Dai, Q., Wei, C., Zhou, G., & Huo, Z. (2017). Physicochemical properties of indica-japonica hybrid rice starch from Chinese varieties. Food Hydrocolloids. 63, 356-363. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2016.09.013

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار