غربالگری ژنتیکی و فنوتیپی ژنوتیپ‌های برنج با استفاده از نشانگر عملکردی مرتبط با ژن SCM2

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 گروه تولید و ژنتیک گیاهی، دانشکده کشاورزی، دانشگاه زنجان، زنجان، ایران

2 موسسه تحقیقات برنج کشور، سازمان تحقیقات و آموزش کشاورزی، رشت، ایران

10.22034/plant.2026.145069.1185

چکیده

مقدمه: با افزایش جمعیت جهانی و محدودیت روز افزون منابع آب و خاک، تأمین پایدار غذا به‌ویژه در مورد محصولات راهبردی نظیر برنج، به یکی از چالش‌های اساسی توسعه کشاورزی تبدیل شده است. خوابیدگی ساقه از مهم‌ترین عوامل محدودکننده عملکرد و کیفیت دانه در بسیاری از ارقام محلی و اصلاح‌شده برنج محسوب می‌شود و نقش تعیین‌کننده‌ای در کاهش کارایی برداشت و افت عملکرد دارد. افزایش قطر ساقه به‌عنوان یکی از مؤثرترین راهکارهای ژنتیکی برای افزایش مقاومت به خوابیدگی شناخته می‌شود و شناسایی ژن‌ها و آلل‌های مؤثر بر این صفت، می‌تواند نقش مهمی در بهبود کارایی برنامه‌های به‌نژادی ایفا کند. در این راستا، ژن (SCM2) STRONG CULM2 به‌دلیل اثرات پلیوتروپیک خود بر افزایش قطر ساقه، تعداد سنبلچه‌ها و مقاومت به خوابیدگی، به‌عنوان یکی از ژن‌های کلیدی مورد توجه قرار گرفته است. هدف از این پژوهش، شناسایی و تفکیک ژنوتیپ‌های برنج براساس حضور یا عدم حضور آلل مطلوب ژن SCM2 و بررسی کارایی نشانگر مولکولی عملکردی مرتبط با این ژن در غربالگری ژنوتیپ‌ها برای صفت قطر ساقه بود.
مواد و روش‌ها: بدین منظور، ۵۰ ژنوتیپ برنج شامل ژنوتیپ‌های محلی، اصلاح‌شده و وارداتی از کلکسیون مؤسسه تحقیقات برنج کشور در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار در سال زراعی 1401-1400 در شرایط مزرعه‌ای مورد بررسی قرار گرفتند. اندازه‌گیری قطر ساقه ۲۰ روز پس از آغاز گلدهی و در میانگره چهارم انجام شد. به‌منظور ارزیابی مولکولی، DNA ژنومی از برگ‌های جوان استخراج و غربالگری ژنوتیپ‌ها با استفاده از یک نشانگر عملکردی اختصاصی مرتبط با ژنSCM2  انجام گرفت. داده‌های مولکولی به‌صورت حضور یا عدم حضور آلل ژن مربوطه، امتیازدهی شدند و برای تحلیل ارتباط بین داده‌های فنوتیپی و مولکولی از آزمون t مستقل، تجزیه کلاستر و مقایسه میانگین‌ها استفاده شد.
یافته‎ها: نتایج نشان داد که نشانگر مولکولیSCM2  توانست ژنوتیپ‌های مورد مطالعه را به‌طور واضح به دو گروه شامل ژنوتیپ‌های واجد آلل ژن SCM2  با قطر ساقه بیشتر و ژنوتیپ‌های فاقد SCM2 با قطر ساقه کمتر تفکیک نماید. از مجموع ۵۰ ژنوتیپ، ۳۱ ژنوتیپ دارای آللSCM2  و ۱۹ ژنوتیپ فاقد این آلل بودند. نتایج ارزیابی فنوتیپی با داده‌های مولکولی همخوانی بالایی داشت و تحلیل آزمون t مستقل وجود رابطه مثبت و معنی‌دار بین حضور آلل ژن  SCM2و افزایش قطر ساقه را تأیید کرد، به‌طوری‌که مدل آماری با درصد صحت پیش‌بینی بیش از ۹۵ درصد، از دقت و کارایی مناسب نشانگر حکایت داشت. همچنین دندروگرام حاصل از تجزیه خوشه‌ای، همبستگی معنی‌داری بین حضور آلل ژن و صفت قطر ساقه را نشان داد و ژنوتیپ‌ها به‌صورت منطبق با وضعیت آللی و مقادیر فنوتیپی در خوشه‌های مجزا قرار گرفتند.
نتیجه‌گیری: در مجموع، نتایج این پژوهش نشان داد که نشانگر مولکولی عملکردی SCM2 ابزاری دقیق، کارآمد و قابل اعتماد برای غربالگری سریع ژنوتیپ‌های برنج از نظر صفت قطر ساقه است. استفاده از این نشانگر در برنامه‌های به‌نژادی می‌تواند با تسریع فرآیند شناسایی ژنوتیپ‌های مطلوب، کاهش زمان و هزینه به‌نژادی و افزایش کارایی انتخاب در نسل‌های اولیه، نقش مؤثری در توسعه ارقام پرمحصول و مقاوم به خوابیدگی با استفاده از تکنیک‌های به‌نژادی سریع ایفا نماید.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Genetic and phenotypic screening of rice genotypes using a functional marker linked to the SCM2 gene

نویسندگان [English]

  • Smaeil Talebi Kouyakhi 1
  • Bahram Maleki zanjani 1
  • Mostafa Modarresi 2
  • Alireza Tarang 2
1 Department of Production and Plant Genrtic, Faculty of Agriculture, University of Zanjan, Zanjan, Iran
2 Agricultural Research, Education and Extension Organization (AREEO), Rasht, Iran
چکیده [English]

Introduction: With the rapid growth of the global population and the increasing constraints on water and soil resources, achieving sustainable food security-particularly for strategic crops such as rice has emerged as one of the major challenges in agricultural development. Stem lodging is a critical limiting factor affecting grain yield and quality in many local and improved rice cultivars, significantly reducing harvest efficiency and yield loss. Enhancing culm diameter represents one of the most effective genetic strategies for improving lodging resistance, and the identification of genes and alleles influencing this trait can play a pivotal role in enhancing breeding efficiency. In this context, the STRONG CULM2 (SCM2) gene has attracted considerable attention due to its pleiotropic effects on increasing culm diameter, spikelet number, and lodging resistance. The objective of this study was to identify and classify rice genotypes based on the presence or absence of the SCM2 allele and to evaluate the efficiency of a functional molecular marker associated with this gene for screening genotypes for culm diameter.
Materials and Methods: For this purpose, 50 rice genotypes, including local, improved, and imported cultivars from the rice germplasm collection of the Rice Research Institute of Iran, were evaluated in a randomized complete block design with three replications under field conditions in 2021-2022 growing season. Culm diameter was measured 20 days after the onset of flowering at the fourth internode. For molecular evaluation, genomic DNA was extracted from young leaves, and genotypes were screened using a specific functional marker linked to the SCM2 gene. Molecular data were scored based on the presence or absence of the relevant gene allele, and independent t test, cluster analysis, and mean comparison were applied to analyze the association between phenotypic and molecular data.
Results: The results showed that the SCM2 molecular marker effectively segregated the studied genotypes into two distinct groups: Genotypes carrying SCM2 gene allele, which had a larger culm diameter, and genotypes lacking the SCM2 allele, which had a smaller culm diameter. Of the 50 genotypes, 31 possessed the SCM2 allele, while 19 did not. Phenotypic evaluations showed strong consistency with molecular data, and independent t test analysis confirmed a positive and significant relationship between the presence of the SCM2 allele and increased culm diameter, with the statistical model showing over 95%, prediction accuracy, indicating the marker's appropriate precision and efficiency. Additionally, the dendrogram derived from cluster analysis revealed a strong correlation between allele presence and culm diameter, with genotypes clustering logically according to allelic status and phenotypic values.
Conclusion: Overall, the results demonstrate that the SCM2 functional marker is a precise, efficient, and reliable tool for the rapid screening of rice genotypes for culm diameter. Its integration into breeding programs can accelerate the identification of superior genotypes, reduce time and costs associated with breeding, and enhance selection efficiency in early generations, thereby contributing significantly to the development of high-yielding, lodging-resistant cultivars through advanced breeding techniques.
 

کلیدواژه‌ها [English]

  • Rice Culm Lodging
  • screening
  • Culm Diameter
  • Molecular Marker

مراجع

Azharudheen, T. P., Sah, R. P., Moharana, D., Behera, S., & Pradhan, S. K. (2021). Genetic Improvement of Rice for Lowlands. In book:Advances in Rice Breeding : Stress Tolerance, Climate Resilience, Quality & High Yield. Edition: 1. ICAR-National Rice Research Institute: Cuttack, India, 63-85.‏
Bradbury, L. M., Fitzgerald, T. L., Henry, R. J., Jin, Q., & Waters, D. L. (2005). The gene for fragrance in rice. Plant biotechnology journal, 3(3), 363-370.‏
Chigira, K., Kojima, N., Yamasaki, M., Yano, K., Adachi, S., Nomura, T., ... & Ookawa, T. (2020). Landraces of temperate japonica rice have superior alleles for improving culm strength associated with lodging resistance. scientific reports, 10(1), 19855.‏ https://doi.org/10.1038/s41598-020-76949-8.
Conner, T. (2004). Precision breeding: A new genetic technique providing international opportunities for crop improvement. Seed Quest.
Cordeiro, G. M., Christopher, M. J., Henry, R. J., & Reinke, R. F. (2002). Identification of microsatellite markers for fragrance in rice by analysis of the rice genome sequence. Molecular Breeding, 9,245-250.
Doyle, J. (1991). DNA protocols for plants. Molecular techniques in taxonomy. NATO ASI Ser, 57, 283-293.
GirijaRani,M., Satyanarayana,P.V., Lal Ahmad,M., AshokRani,.Y., Srinivasa Rao,V &., Jhansirani,.P.(2017). Breeding Strategies for Lodging Resistance in Rice. InternationalJournal of Bio-resource and Stress Management. 8. 895-903.  https://doi.org/10.23910/IJBSM/2017.8.6.1793a.
Gichuhi, E., Himi, E., Takahashi, H., Zhu, S., Doi, K., Tsugane, K., & Maekawa, M. (2016). Identification of QTLs for yield-related traits in RILs derived from the cross between pLIA-1 carrying Oryza longistaminata chromosome segments and Norin 18 in rice. Breeding science , 66(5),720-733. doi: https://doi.org/ 10.1270 /jsbbs.16083.
Guo, Z., Liu, X., Zhang, B., Yuan, X., Xing, Y., Liu, H., Luo, L., Chen, G. and Xiong, L. (2021). Genetic analyses of lodging resistance and yield provide insights into post‐Green‐Revolution breeding in rice. Plant Biotechnology Journal, 19(4), 814-829. doi: 10.1111/pbi.13509.
He, Q., & Park, Y. J. (2015). Discovery of a novel fragrant allele and development of functional markers for fragrance in rice. Molecular breeding, 35,(11)-217. DOI 10.1007/s11032-015-0412-4.
Hirano, K., Ordonio, R. L., & Matsuoka, M. (2017). Engineering the lodging resistance mechanism of post-Green Revolution rice to meet future demands. Proceedings of the Japan Academy, Series B, 93(4), 220-233.doi: 10.2183/pjab.93.014.
Ikeda, M., Miura, K., Aya, K., Kitano, H., & Matsuoka, M. (2013). Genes offering the potential for designing yield-related traits in rice. Current opinion in plant biology, 16(2), 213-220.dx.doi.org/10.1016/j.pbi.2013.02.002. 
Ikeda-Kawakatsu, K., Yasuno, N., Oikawa, T., Iida, S., Nagato, Y., Maekawa, M., & Kyozuka, J. (2009). Expression level of ABERRANT PANICLE ORGANIZATION1 determines rice inflorescence form through control of cell proliferation in the meristem. Plant physiology, 150(2), 736-747.
Ikeda, K., Ito, M., Nagasawa, N., Kyozuka, J., & Nagato, Y. (2007). Rice ABERRANT PANICLE ORGANIZATION 1, encoding an F‐box protein, regulates meristem fate. The Plant Journal, 51(6), 1030-1040.
Jiang, J., Xing, F., Wang, C., & Zeng, X. (2018). Identification and analysis of rice yield-related candidate genes by walking on the functional network. Frontiers in plant science, 9, 1685.doi: 10.3389/fpls.2018.01685.
Kim, S. R., Ramos, J., Ashikari, M., Virk, P. S., Torres, E. A., Nissila, E., ... & Jena, K. K. (2016). Development and validation of allele-specific SNP/indel markers for eight yield-enhancing genes using whole-genome sequencing strategy to increase yield potential of rice, Oryza sativa L. Rice, 9, 1-12.
Lau, W. C., Rafii, M. Y., Ismail, M. R., Puteh, A., Latif, M. A., & Ramli, A. (2015). Review of functional markers for improving cooking, eating, and the nutritional qualities of rice. Frontiers in Plant Science, 6, 832
Li, S., Rao, Y., Duan, P., Wang, Z., Hu, P., Yu, R., ... & Mao, Y. (2023). Mapping and Candidate Gene Prediction of qPL7-25: A Panicle Length QTL in Dongxiang Wild Rice. Agriculture, 13(8), 1623. https://doi.org/10.3390/agriculture13081623.
Liu, M., Fan, F., He, S., Guo, Y., Chen, G., Li, N., Li, N., Yuan, H., Si, F. and Yang, F.  (2022). Creation of elite rice with high-yield, superior-quality and high resistance to brown planthopper based on molecular design. Rice, 15: 1-13.
Lübberstedt, T., Zein, I., Andersen, J.R., Wenzel, G., Krützfeldt, B., Eder, J., Ouzunova, M. and Chun, S.  )2005(. Development and application of functional markers in maize. Euphytica, 146 , 101-108.
Merugumala, G. R., PV, S., Narne, C., BNVSR, R., PV, R. R., & V, D. (2019). Molecular breeding of “Swarna,” a mega rice variety for lodging resistance. Molecular Breeding, 39, 1-14. https://doi.org/10.1007/s11032-019-0961-z.
Meng, B., Wang, T., Luo, Y., Xu, D., Li, L., Diao, Y., Gao, Z., Hu, Z & Zheng, X. (2021). Genome-wide association study identified novel candidate loci/genes affecting lodging resistance in rice. Genes, 12(5), 718. https://doi.org/10.3390/ genes12050718.
Mohtashami R. (2023). Genotype × Environment interaction and grain yield stability analysis of rice genotypes (Oryza sativa L). Journal of crop Breeding.15(47),113-122.(In Persian). https://doi.org/10.61186/jcb.15.47.113.
Ookawa, T., Aoba, R., Yamamoto, T., Ueda, T., Takai, T., Fukuoka, S., ... & Hirasawa, T. (2016). Precise estimation of genomic regions controlling lodging resistance using a set of reciprocal chromosome segment substitution lines in rice. Scientific reports, 6(1), 30572. https://doi.org/10.1038/srep30572.
Ookawa, T., Hobo, T., Yano, M., Murata, K., Ando, T., Miura, H., ... & Matsuoka, M. (2010). New approach for rice improvement using a pleiotropic QTL gene for lodging resistance and yield. Nature communications 1, 132.‏ https://doi.org/10.1038/ncomms1132.
Rachana, B., Eswari, K. B., Jyothi, B., Devi, L. G., Vidhya, J. L., Bhavani, L. P., ... & Ram, T. (2019). Characterization of new plant type core set of rice (Oryza sativa L.) using QTL/gene-linked markers. ORYZA-An International Journal on Rice, 56(4), 352-360.‏  https://doi.org/10.35709/ory.2019.56.4.2
Rahman, M.H. (2016). Exploring Sustainability to feed the world in 2050. Journal of Food Microbiology, 1(1), 7-16. https://doi.org/10.20936/JFM/160102
Rashid, M. A. R., Zhao, Y., Azeem, F., Zhao, Y., Ahmed, H. G. M. D., Atif, R. M., ... & Li, Z. (2022). Unveiling the genetic architecture for lodging resistance in rice (Oryza sativa. L) by genome-wide association analyses. Frontiers in Genetics, 13, 960007.‏ https://doi.org/10.3389/fgene.2022.960007.
Sakuma, S., & Schnurbusch, T. (2020). Of floral fortune: tinkering with the grain yield potential of cereal crops. New Phytologist, 225(5), 1873-1882. https://doi.org/10.1111/nph.16189.
Salgotra, R. K., & Stewart Jr, C. N. (2020). Functional markers for precision plant breeding. International journal of molecular sciences, 21(13), 4792.‏ doi:10.3390/ijms21134792.
‏Samadi, A. F., Suzuki, H., Ueda, T., Yamamoto, T., Adachi, S., & Ookawa, T. (2019). Identification of quantitative trait loci for breaking and bending types lodging resistance in rice, using recombinant inbred lines derived from Koshihikari and a strong culm variety, Leaf Star. Plant Growth Regulation, 89, 83-98.‏ https://doi.org/10.1007/s10725-019-00517-y.
Singh, N., Kumar, R., Tomar, A., Singh, J., & Singh, S. (2015). Molecular marker based genetic diversity analysis of international rice (Oryza sativa. L) Germplasm. Progressive Agriculture, 15(1), 142-147.
Tao, G. U. O., Hong, Y. U., Jie, Q. I. U., JiaYang, L. I., Bin, H. A. N., & HongXuan, L. I. N. (2019). Advances in rice genetics and breeding by molecular design in China. Scientia Sinica Vitae, 49(10), 1185-1212.
Terao, T., Nagata, K., Morino, K., & Hirose, T. (2010). A gene controlling the number of primary rachis branches also controls the vascular bundle formation and hence is responsible to increase the harvest index and grain yield in rice. Theoretical and Applied Genetics, 120, 875-893. https://doi.org/10.1007/s00122-009-1218-810.1007/s00122-009-1218-8.
Tran, N. A., Daygon, V. D., Resurreccion, A. P., Cuevas, R. P., Corpuz, H. M., & Fitzgerald, M. A. (2011). A single nucleotide polymorphism in the Waxy gene explains a significant component of gel consistency. Theoretical and Applied Genetics, 123(4), 519-525.‏ https://doi.org/10.1007/s00122-011-1604-x
Varshney, R. K., Singh, V. K., Kumar, A., Powell, W., & Sorrells, M. E. (2018). Can genomics deliver climate-change ready crops?. Current opinion in plant biology, 45, 205-211.‏
Yadav, S., Singh, U.M., Naik, S.M., Venkateshwarlu, C., Ramayya, P.J., Raman, K.A., Sandhu, N. and Kumar, A. )2017(. Molecular mapping of QTLs associated with lodging resistance in dry direct-seeded rice (Oryza sativa L.). Frontiers in Plant Science, 8, 1431. https://doi.org/10.3389/fpls.2017.01431.
Yang, X., Lai, Y., Wang, L., Zhao, M., Wang, J., Li, M., ... & Jiang, S. (2023). Isolation of a novel QTL, qSCM4, associated with strong culm affects lodging resistance and panicle branch number in rice. International Journal of Molecular Sciences, 24(1), 812. https://doi.org/10.3390/ijms/24010812.
Yousefi, Z., Bagheri, K., Modarresi, M., & Hosseinpour Azad, N. (2023). Phenotypic and Molecular Screening of Different Genotypes of Rice based on the Markers Related to the Aroma Trait. Journal of Crop Breeding. 15(47), 186-194.(In persian). https://doi.org/10.61186/jcb.15.47.186.
Zhang, W., Wu, L., Wu, X., Ding, Y., Li, G., Li, J., ... & Wang, S. (2016). Lodging resistance of japonica rice (Oryza Sativa L.): morphological and anatomical traits due to top-dressing nitrogen application rates. Rice, 9(1), 31. https://doi.org/10.1186/s12284-016-0103-8.
Zhang, H., Wang, H., Qian, Y., Xia, J., Li, Z., Shi, Y., ... & Li, Z. (2013). Simultaneous improvement and genetic dissection of grain yield and its related traits in a backbone parent of hybrid rice (Oryza sativa L.) using selective introgression. Molecular Breeding, 31, 181-194.
Zhao, D. D., Son, J. H., Lee, G. S., & Kim, K. M. (2021). Screening for a novel gene, OsPSLSq6, using QTL analysis for lodging resistance in rice. Agronomy, 11(2), 334. https://doi.org/10.3390/agronomy11020334.

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار