فهرست مطالب

بیوتکنولوژی و بیوشیمی غلات - سال دوم شماره 1 (پیاپی 5، بهار 1402)

نشریه بیوتکنولوژی و بیوشیمی غلات
سال دوم شماره 1 (پیاپی 5، بهار 1402)

  • تاریخ انتشار: 1402/03/01
  • تعداد عناوین: 7
|
  • کریم سرخه*، عبدالعلی گیلانی، سامی جلالی صفحات 1-21
    مقدمه

    گرما و اثرات ناشی از آن یکی از تهدیدها و خسارت های جدی در مسیر تولید محصولات زراعی و باغی در بسیاری از مناطق جهان محسوب می شود. تنش حرارتی، تغییرات بسیار گسترده موروفولوژیکی، فیزیولوژیکی، آناتومی و مولکولی را منجر شده که سبب کاهش شدید عملکرد اقتصادی محصولات کشاورزی می شود. امروزه جهت کاهش این اثرات بازدارنده علاوه بر روش های اصلاحی کلاسیک و مرسوم می توان از شیوه های نوین و مولکولی، جهت شناسایی ژن های متحمل به گرما بهره جسته و از آن ها در برنامه های به نژادی به منظور بهبود تحمل گیاهان به تنش های محیطی استفاده نمود.

    مواد و روش ها: 

    به منظور ارزیابی مقاومت به گرما چهار رقم محلی هویزه، حمر، عنبوری قرمز، چمپا و سه لاین امیدبخش متحمل به گرما V1، V2 و V3 که از برنامه های به نژادی بین المللی مرکز تحقیقات و آموزش کشاورزی و منابع طبیعی خوزستان بدست آمده بود با استفاده از واکنش زنجیره ای پلیمراز در زمان واقعی در دو تاریخ کشت آزمایشی 20 اردیبهشت ماه (نامطلوب) و 20 خرداد ماه (مطلوب) 1401 توسط ژن های osHTAS و HSP70 در اهواز مورد بررسی قرار گرفتند.

    یافته ها:

     نتایج بدست آمده از آنالیز بیان ژن توسط qPCR در تاریخ کشت اول حضور ژن osHTAS در ارقام و لاین های برنج را تایید نمود به طوری که رقم محلی چمپا، هویزه و لاین V2 بیان نسبی بالایی را نسبت به سایر ارقام و لاین های مورد مطالعه داشت و به طور معنی داری با یکدیگر اختلاف داشتند. آنالیز بیان ژن osHTAS در تاریخ کاشت دوم (خرداد ماه) در اهواز نیز حضور ژن تحمل به درجه حرارت بالا در رقم هویزه، حمر و لاین V2 به خوبی نشان از این دارد که ارقام مذکور می توانند به عنوان لاین های والدی جهت انتقال ژن تحمل به گرما در برنامه های به نژادی مورد استفاده قرار گیرند و از نظر میزان بیان نسبی ژن با یکدیگر از نظر آماری اختلاف معنی داری را نشان دادند. نتایج بیان نسبی ژن HSP70 در تاریخ کشت اردیبهشت ماه نشان داد که ارقام محلی چمپا، عنبوری قرمز و هویزه نسبت به بقیه برتری ویژه ای داشتند. نتایج حاصل از بررسی الگوی بیان ژن HSP70 ارقام و لاین های برنج در تاریخ کاشت دوم نیز مشخص نمود که ارقام محلی عنبوری قرمز، چمپا، هویزه و حمر برتری را نشان دادند. تحمل ارقام محلی به تنش گرمایی به دلیل رشد سریع و ایجاد پوشش سبزینگی زیاد در مراحل اولیه رشد و سازگاری زیادی که نسبت به شرایط محیطی منطقه داشته اند، می باشد.

    نتیجه گیری:

     به دلیل حضور ژن های تحمل به تنش حرارتی و سازگاری بالا نسبت به شرایط محیطی در ارقام محلی به دمای بالا و همچنین رشد سریع، پنجه زنی بالا و ایجاد پوشش گیاهی زیاد می توانند در انتقال ژن تحمل به گرما در برنامه های به نژادی به عنوان لاین والدی در تلاقی استفاده نمود.

    کلیدواژگان: تنش گرمایی، انتخاب برای تحمل به گرما، برنج، qPCR
  • داود کاظمی*، مسعود رحیمی صفحات 22-41
    مقدمه

    از معایب استفاده از بذر جهت ایجاد جهش ژنتیکی می توان به افزایش مدت زمان تحقیق، لزوم کشت کشت گیاه جهت اندازه گیری صفات وو وجود شیمر در گیاهان موتانت اشاره نمود. برای حل این مشکلات امروزه از فنون بیوتکنولوژی مخصوصا کشت بافت استفاده می شود. در این روش برای ایجاد جهش در گیاه برنج نیاز به سیستم باززایی تکرار پذیر و کارا است تا بتوان از بافت های تغییر یافته، گیاهان بارور به دست آورد.

    مواد و روش ها:

     جهت تعیین دز مناسب القاء جهش برای ایجاد تغییرات ژنتیکی در بافت کالوس حاصل از جنین بالغ و نابالغ واریته های نعمت و طارم محلی، آزمایشی به صورت فاکتوریل در قالب طرح کاملا تصادفی با استفاده از دزهای 20 ، 30، 40، 50 و 60 گری (GY) پرتو گاما به همراه شاهد در چهار تکرار اجرا گردید. جهت کالوس‎زایی، محیط کشت MS با 5/0 میلی گرم در لیتر توفوردی و 1 میلی گرم در لیتر کازیین، برای هر دو رقم مناسب تشخیص داده شد. همچنین برای باززایی کالوس های حاصل از هر دو نوع جنین رقم طارم، محیط پایه MS حاوی 4 میلی گرم در لیتر BAP و 5/0 میلی گرم در لیتر IAA و 5/0 میلی گرم در لیتر NAA  و 5 میلی گرم در لیتر کازیین و برای رقم نعمت در هر دو نوع ماده گیاهی محیط کشت MS تکمیل شده با 2 میلی گرم در لیتر BAP ، 2 میلی گرم در لیتر KIN  و 1 میلی گرم  در لیتر IAA استفاده شد. در مرحله نهایی کالوس های 30 روزه پرتودهی شده به همراه تیمار شاهد در مرحله باززایی با یکدیگر از نظر صفاتی همچون درصد رطوبت، سرعت رشد و درصد باززایی مقایسه شدند.

    یافته ها: 

    پس از پرتوتابی، اثر رقم بر درصد باززایی، سرعت رشد بر اساس وزن و سرعت رشد قطر کالوس و اثر نوع جنین بر درصد باززایی و درصد رطوبت، اثر پرتو برای تمام صفات مورد بررسی، اثر متقابل رقم×جنین نیز فقط برای درصد باززایی و درصد رطوبت، اثر متقابل رقم×پرتو برای تمام صفات و اثر متقابل جنین×پرتو و رقم×جنین×پرتو فقط برای درصد باززایی معنی دار شد. متوسط دز کشنده (LD50) بدست آمده در رقم نعمت و طارم با جنین بالغ به ترتیب مربوط به دزهای 78/26 و 83/41 گری و با جنین نابالغ به ترتیب 55/14 و 30/35 گری بود.

    نتیجه گیری:

     اختلاف حاصل در این آزمایش نه تنها می تواند ناشی از تفاوت های ژنتیکی باشد بلکه می تواند به دلیل تفاوت در میزان رطوبت کالوس و تاثیر پرتو گاما باشد.

    کلیدواژگان: برنج، موتاسیون، کشت جنین، پرتو گاما
  • رقیه ناصری*، کیانوش چقامیرزا، لیلا زارعی، رضا محمدی، علی بهشتی آل آقا صفحات 42-63

    مقدمه:

     در بین غلات گندم دوروم (Triticum turgidum L. var. durum) پس از گندم نان یکی از مهم ترین منابع پروتیین و انرژی است و در اکثر کشورهای جهان نقش عمده ای در تغذیه انسان دارد.

    مواد و روش ها

    در این مطالعه به منظور شناسایی و مکان یابی جایگاه های ژنی کنترل کننده صفات مرتبط با برگ پرچم و پدانکل، 118 رگه درون زاد نوترکیب گندم دوروم حاصل از تلاقی بین ژنوتیپ بومی ایران-249 با منشاء غرب ایران و رقم بومی زردک با منشاء کرمانشاه در سه محیط تحت شرایط دیم و با استفاده از طرح بلوک های کامل تصادفی با سه تکرار به همراه والدین ارزیابی شدند. تجزیه QTL برای هر صفت با استفاده از روش مکان یابی فاصله ای مرکب فراگیر برای شناسایی مناطق ژنومی که تاثیر قابل توجهی بر صفات مورد مطالعه داشتند، انجام شد.

    یافته ها

    براساس نتایج تجزیه واریانس، اثر ژنوتیپ (رگه درون زاد) از نظر صفات مرتبط با برگ پرچم و پدانکل در هر سه محیط مورد مطالعه معنی دار بود که نشان دهنده سطوح مناسبی از تنوع ژنتیکی در جمعیت مورد بررسی برای صفات مطالعه شده می باشد. نتایج تجزیه QTL با استفاده از روش مکان یابی فاصله ای مرکب فراگیر منجر به شناسایی 33 عدد QTL برای صفات مورد بررسی شد. QTLهایی QTLهای مرتبط با صفات طول و قطر پدانکل بر روی کروموزوم های 1A، 1B.1، 2B.1 و 5A و QTLهای مرتبط با صفت طول برگ پرچم، عرض برگ پرچم و سطح برگ پرچم بر روی کروموزوم های 2A، 5A و 7A به صورت مشترک و پایدار در حداقل دو محیط مکان یابی شدند. شناسایی QTLهای تکرارپذیر در محیط های مورد مطالعه برای صفات مرتبط با برگ پرچم و پدانکل، می تواند بیانگر وجود نواحی ژنومی مرتبط و پایدار با این صفات باشد. از طرفی، همبستگی مثبت و معنی‎دار بین صفات مشاهده شد که احتمالا به علت پیوستگی یا اثر پلیوتروپیک QTLهای کنترل کننده آنها باشد. بر اساس نتایج تجزیه QTL به روش دو لوکوسی اثر اصلی افزایشی و همچنین اثر متقابلQTL  × محیط برای همه صفات اندازه گیری شده بجز صفات قطر میانه و پایین پدانکل معنی دار بود. در مجموع شش مکان ژنی با اثرات اپیستازی معنی دار افزایشی× افزایشی، برای صفات سطح برگ پرچم  و قطر بالای پدانکل شناسایی شدند.

    نتیجه گیری

    شناسایی و مکان یابی QTLهای پایدار و تکرارپذیر در محیط های مختلف برای برخی از صفات مرتبط با برگ پرچم و پدانکل می تواند به درک بهتر پتانسیل و اساس ژنتیکی این صفات جهت استفاده در برنامه های به نژادی گندم دوروم به ویژه در پروژه های انتخاب به کمک نشانگر کمک نماید.

    کلیدواژگان: اثرات افزایشی× محیط، برگ پرچم، پدانکل، تجزیه QTL، گندم دوروم
  • آرمین ساعدموچشی*، هوشمند صفری صفحات 64-73

    مقدمه:

     گندم نیز مانند سایر گیاهان در مقابله با تولید بالای رادیکال‏های آزاد اکسیژن از آنزیم های آنتی اکسیدانی جهت تخریب آن‏ها استفاده می کند. آنزیم های آنتی اکسیدان، پروتیین یا پلی پپتیدهایی هستند که در همکاری با مواد سلولی یا عناصر معدنی فعال شده و در موجودات نقش سمیت زدایی گونه های فعال اکسیژن را بر عهده دارند. سوپراکسید دیسموتاز یکی از آنزیم های آنتی‎اکسیدانی مهم در پاسخ گیاهان به تنش های غیرزنده است. این پژوهش با هدف بررسی ناحیه پروموتوری مربوط به ژن های رمزکننده سوپراکسید دیسموتاز در ژنوم گندم جهت یافتن عناصر تنظیمی تاثیر گذار بر بیان آن ها انجام شد.

    مواد و روش ها

    برای بررسی نحوه تنظیم بیان ژن و فاکتورهای موثر در تنظیم ژن مربوط به آنزیم سوپراکسید دیسموتاز با استفاده از روش های بیوانفورماتیک، بررسی ناحیه پروموتوری در ژن های MnSOD، Cu/Zn-SOD و FeSOD انجام شد. دلیل انتخاب این ژن‏ها، اهمیت آن‏ها در کنترل شرایط تنش و حذف رادیکاهای آزاد اکسیژن است. همچنین نحوه تنظیم بیان این ژن‏ها در شرایط تنش بسیار حایز اهمیت است. برای بررسی ناحیه پروموتوری این ژن‏ها، ابتدا با استفاده از سایت NCBI توالی مربوط به ژن های رمزکننده این آنزیم در گیاه گندم دانلود شد. پس از دریافت توالی ژن های مورد نظر، توالی مربوط به ژن های MnSOD، Cu/Zn-SOD با هدف یافتن نسخه های مختلف ژن SOD در ژنوم گندم در مقابل توالی ژنومی این گیاه که تا زمان نگارش این مقاله در این سایت شناسایی و گزارش شده است، جستجو شد. هر یک از این توالی های پروموتوری دریافت شده مورد بررسی قرار گرفته و عناصر تنظیمی موجود در آن ها مشخص شد. پانزده ژن رمزکننده سوپراکسید دیسموتاز در کروموزم‏های مختلف ژنوم‎های A و D گندم شناسایی شدند و سپس 1500 جفت نوکلیوتید از توالی‏های بالادست به عنوان ناحیه پروموتوری جهت شناسایی عناصر تنظیمی موثر و معنی‎دار از لحاظ آماری بررسی شدند. توالی های جدا شده به صورت تک تک و گروهی تجزیه و تحلیل شده و عناصر تنظیمی آن ها مشخص گردید. بررسی تکی پروموتورها با استفاده از ابزار آنلاین در سایت PlantCare و بررسی گروهی نیز با استفاده از سایت RSAT انجام گرفت.

    یافته ها

    نتایج نشان داد که عناصر تنظیمی متنوعی که در مسیرهای بیوشیمیایی مختلف دخالت دارند، می توانند بر میزان بیان ژن‏های سوپراکسید دیسموتاز در گندم تاثیرگذار باشند. از جمله عناصر تنظیمی که بوسیله آنالیز گروهی و تکی پروموتور شناسایی گردید، می توان G-Box, I-box,MBS, TGA-element, A-box, ABRE ARE را نام برد. در این بررسی ژن های رمزکننده سوپراکسید دیسموتاز اکثرا روی کروموزم های مختلف ژنوم های A و D گندم شناسایی شدند. این، نشان‎دهنده این است که این ژن ها احتمالا از والدینی از گندم که دارای این دو ژنوم اصلی بوده اند، به گندم انتقال یافته است.

    نتیجه گیری

    در نهایت تحلیل ها نشان داد که عناصر تنظیمی مهم شناسایی شده در این مسیر می تواند شامل ABRE، ARE، CCAAT-box، G-Box، Skn-1_motif و circadian باشد که به ترتیب دارای نقش در مسیر پاسخ به آبسیزیک اسید، پاسخ به واکنش ها غیر هوازی، مکان اتصال عناصر مربوط به ژن های رمزکننده عامل رونویسی MYB، واکنش به شرایط نوری، مسیر بیانی آندوسپرم و مسیر تنظیم واکنش های دوره ای نور هستند. اکثر عناصر تنظیمی این ژن ها به گونه ای در پاسخ به واکنش های نوری و همچنین تنش های محیطی درگیر بوده و موجب حفاظت از گیاه در برابر آسیب های ناشی از آن می گردند.

    کلیدواژگان: پروموتور، SOD، تنش محیطی، عناصر تنظیمی، گندم
  • نگین رضایی، محسن سعیدی*، شهریار ساسانی، سعید جلالی هنرمند، محمداقبال قبادی صفحات 74-93

    مقدمه:

     افزایش سریع جمعیت جهان و نیاز به افزایش تولیدات کشاورزی و از سویی دیگر تغییرات سریع شرایط آب و هوایی از چالش های مهم پیش‎رو جهان در سال های آتی می باشد. گندم به عنوان مهم ترین گیاه خانواده غلات، نقش بسیار مهمی در امنیت غذایی جهان در حال حاضر و آینده دارد. بنابراین تولید رقم های جدید و پرتولید گندم و انتخاب دقیق رقم های مناسب جهت کشت در مناطق مختلف آب و هوایی، از اولویت های تحقیقاتی آینده می باشند.

    مواد و روش ها

    این تحقیق با هدف بررسی نحوه واکنش رقم های مختلف گندم نان از نظر عملکرد و اجزای آن و همچنین مطالعه نیاز حرارتی و برخی از صفات فیزیولوژیک مرتبط با تحمل به سرما در ارقام مختلف گندم نان انجام شد. این تحقیق به صورت دو آزمایش مستقل در مزرعه تحقیقاتی پردیس کشاورزی و منابع طبیعی دانشگاه رازی کرمانشاه اجرا گردید. آزمایش اول به صورت طرح بلوک های کامل تصادفی و با هدف بررسی عملکرد  و اجزاء آن در سه تکرار روی 12 رقم گندم نان از تیپ های مختلف رشدی شامل نورستار، زرین، کویر، باز، سیوند، الوند، پیشگام، پیشتاز، اروم، شهریار، بهار و پارسی اجرا شد. آزمایش دوم به صورت فاکتوریل در قالب طرح بلوک های کامل تصادفی و به منظور مطالعه مقاومت به سرما رقم های مختلف گندم در سه تکرار انجام شد. در این آزمایش 12 رقم گندم نان به عنوان فاکتور اول و زمان نمونه برداری به عنوان دومین فاکتور در سه سطح (اواخر دی ماه، اواخر بهمن ماه و اواخر اسفند ماه مورد بررسی قرار گرفتند.

    یافته ها

    نتایج این پژوهش نشان داد که ارقام بهاره سیوند و پارسی، با بالاترین سرعت رشد گیاه در مراحل مختلف نمو، به ترتیب با 5170 و 5100 کیلوگرم در هکتار، بیش ترین و رقم زمستانه نورستار با کم ترین سرعت رشد گیاه در مراحل مختلف نمو، با 2230 کیلوگرم در هکتار، کم ترین مقدار عملکرد دانه را داشتند. همبستگی بین عملکرد دانه با نیاز حرارتی تا گلدهی (R=-0.86) و رسیدگی فیزیولوژیک (R=-0.87)، به صورت منفی و معنی دار بود. بنابراین ارقام دارای عملکرد دانه کم تر، دارای نیاز حرارتی بیش تری بودند و بررسی نیاز حرارتی ارقام مورد بررسی تا مرحله گلدهی نشان داد که ارقام بهاره به طور متوسط نیاز حرارتی کم تری نسبت به ارقام زمستانه دارند. تجمع قندهای محلول در طوقه ارقام زمستانه و بینابین در طول فصل زمستان نسبت به ارقام بهاره بیش تر بود. روند تجمع قندهای محلول در طوقه بوته های گندم در طول فصل زمستان به صورت نزولی بود، به طوری که در ابتدای زمستان، طوقه دارای محتوای قند بیش تری نسبت به اواسط و اواخر زمستان بود. ارقام زمستانه و بینا بین به طور متوسط دارای سبزینگی برگ و حداکثر کارآیی فتوشیمیایی فتوسیستم II بیش تری نسبت به ارقام بهاره بودند.

    نتیجه گیری

    با توجه به نتایج به دست آمده در منطقه مورد مطالعه، به طور میانگین رقم های زمستانه و بینا بین نسبت به رقم های بهاره از نظر صفات فیزیولوژیک مرتبط با تحمل سرما برتر بودند. اما با توجه به عملکرد دانه به دست آمده در این تحقیق، در کرمانشاه و مناطق آب و هوایی مشابه بین رقم های کشت شده، احتمالا کشت رقم های بهاره نسبت به دو تیپ رشدی دیگر بیش تر قابل توصیه است.

    کلیدواژگان: حداکثر کارایی فتوشیمیایی فتوسیستم II، سرما، قندهای محلول، طوقه، نیاز حرارتی
  • مهدی کاکائی* صفحات 94-104

    مقدمه:

     گندم از مهم ترین غلات و قوت غالب مردم جهان است این گیاه منبع مهمی از کربوهیدرات بوده و دارای فیبر زیادی می باشد. رقم ریژاو سازگار با شرایط کشت دیم و آبیاری تکمیلی در مناطق معتدل- ایران می باشد و می تواند نقش مهمی در افزایش تولید و پایداری عملکرد گندم دیم ایفا کند. رقم ریژاو از کیفیت نانوایی بالایی برخوردار است که موجب افزایش کیفیت نان و کاهش ضایعات می شود. الکتروفورز دو بعدی در واقع ترکیبی از ایزوالکتریک فوکوسینگ[1] در بعد اول و SDS-PAGE در بعد دوم است که امکان جداسازی پروتیین ها را بر اساس بار الکتریکی و وزن ملکولی فراهم می کند.

    مواد و روش ها

    در این مطالعه از رقم گندم ریژاو جهت مطالعه، شناسایی وضوح و تمرکز تصویر (تفاوت) لکه های پروتیینی در دو بازه مختلف ایزوالکتریک با پی اچ خطی 4 تا 7 و پی اچ غیرخطی 3 تا 10 استفاده گردید. برای این منظور بذر گندم نان رقم ریژاو از معاونت موسسه تحقیقات کشاورزی دیم سرارود تهیه شد و در گلخانه دانشگاه پیام نور و آزمایشگاه بخش پروتیین مرکز تحقیقات بیولوژی پزشکی دانشگاه علوم پزشکی کرمانشاه و در شرایط نرمال (طبیعی) در گلدان کشت گردید. در مدت آزمایش، دوره روشنایی 14 ساعت بود و برای تنظیم این نور از روشنایی طبیعی و در حد نیاز از لامپ های فلورسانت استفاده شد. دمای روزانه حدودا 20 درجه سلسیوس و دمای شبانه نیز حدود 10 تا 12 درجه سلسیوس انتخاب گردید. نهایتا نمونه های برگی جهت استفاده در استخراج پروتیین برای الکتروفورز دو بعدی تهیه و پروتیین کل آن استخراج گردید.

    یافته ها

    نتایج حاصل نشان دهنده تغییرات وضوح پروتیین های بیان شده در دو پی اچ 4 تا 7 خطی و 3 تا 10 غیر خطی متفاوت بود به عبارت دیگر در هر دو بازه پی اچ لکه های پروتیینی امکان تشکیل داشتند. اگر چه وضوح تصویر و تفکیک لکه های پروتیینی در پی اچ 3 تا 10 غیر خطی به لحاظ وسیع تر بودن دامنه پی اچ بسیار مطلوب و مناسب بود، حرکت پروتیین ها در الکتروفورز دوبعدی نشان داد که این ملکول ها علاوه بر تفاوت نقطه ایزوالکتریک pI[2]، دارای رفتار و عملکرد قابل توجهی در شرایط SDS-PAGE و الکتروفورز دوبعدی هستند که در روش معمول SDS-PAGE دیده نمی شود. به عبارت دیگر در الکتروفورز دو بعدی پروتیین ها بر اساس بار الکتریکی و نیز وزن مولکولی جدا می شوند ولی در الکتروفورز یک بعدی بر اساس وزن مولکولی تفکیک می شوند به همین دلیل ممکن است مجموعه ای از پروتیین ها دارای وزن مولکولی یکسان باشند.

    نتیجه گیری

    به طور کلی این درجه از تنوع پروتیینی و رفتار نسبتا ناهمگون الکتروفورز پروتیین های حاصل از برگ گندم رقم ریژاو که اولین مطالعه با استفاده از تکنیک الکتروفورز دوبعدی در این رقم می باشد، نشان داده شده است، قابل تامل و نیازمند مطالعات بیشتر در این گونه تحقیقات در سایر گونه های مرتبط می باشد. نتایج بدست آمده از مطالعه الکتروفورز دوبعدی در این مطالعه می تواند راهگشای مطالعات پروتیومیکی در آینده می باشد.

    کلیدواژگان: گندم، برگ، پی اچ خطی و غیر خطی، نوار IPG
  • سهیل کرم نیا، پویا اعلایی بازکیایی، علیرضا حقیقی حسنعلیده* صفحات 105-131

    گرمایش جهانی میانگین دمای زمین را افزایش داده است و تنش های حاصل از گرمای شدید در مناطق مختلف افزایش یافته است. تنش گرمایی به صورت افزایش دما فراتر از آستانه بحرانی برای مدت معین در مراحل مختلف رشد گیاهان زراعی رخ می دهد. بر این اساس تغییرات کمی و کیفی گیاهان زراعی از جمله برنج در اثر تنش گرمایی ناشی از افزایش جهانی دما یکی از دغدغه ها و نگرانی های مهم در بسیاری از مناطق برنج خیز دنیا از جمله کشور ما محسوب می شود. گیاهان با تغییر متابولیسم در سطوح فیزیولوژیکی، بیوشیمیایی و مولکولی با تنش گرمایی سازگار می شوند. یک سیستم فتوسنتزی پایدار  می تواند آسیب ناشی از حرارت را کاهش دهد و عملکرد دانه را تحت شرایط تنش گرمایی افزایش دهد. آسیب ناشی از دمای بالا می تواند در مراحل مختلف رشد برنج، از مرحله جوانه زنی تا گیاهچه ای، گلدهی و رسیدگی دانه متفاوت باشد. مراحل گلدهی و پر شدن دانه از مراحل حساس به گرما در گیاه برنج هستند. آسیب حرارتی در این مراحل می تواند زیان اقتصادی قابل توجهی را به تولید برنج وارد کند. در این مقاله سعی شده است تا تغییرات فیزیولوژیکی برنج تحت تاثیر تنش گرمایی مورد ارزیابی قرار گیرد. تغییرات مورد بررسی شامل واکنش بیوشیمیایی گیاه (نشت الکترولیت، سطح پراکسیداسیون لیپیدی و فعالیت آنزیم آنتی اکسیدانی)، سطح فتوسنتز، تغییرات غشایی، تغییرات گیاه جهت تحمل یا فرار از تنش، تغییر متابولیسم در سطوح فیزیولوژیکی، بیوشیمیایی و مولکولی در جهت سازگاری به گرما، تنظیم فعالیت عوامل رونویسی مرتبط با پاسخ تنش حرارتی و تغییرات الگوی بیان ژن ها تحت تاثیر تنش گرمایی است. همچنین در این مطالعه ارتباط تنش گرما و ویژگی های بیوشیمیایی تعیین کننده کیفیت برنج و عوامل موثر بر کارایی کیفیت دانه برنج از جمله فعالیت های متابولیک قند و نشاسته و بیان ژن صفات کیفی برنج تحت تاثیر تنش گرمایی، مورد ارزیابی قرار گرفت. در نهایت بررسی قابلیت اصلاح ارقام برنج برای مقابله با تنش گرمایی مرور گردید. در بحث اصلاح برای تحمل گرما در برنج، وراثت پذیری و تنوع ژنتیکی صفات مرتبط با تحمل تنش، نتایج مطالعات صورت گرفته در زمینه شناسایی  QTLهای مرتبط با تحمل گرما، کاربرد روش های کلاسیک جهت معرفی ارقام متحمل به گرما و جهش القایی در اصلاح برنج برای افزایش تحمل تنش گرمایی مورد ارزیابی قرار گرفتند. نتایج نشان داده است گیاه برنج می تواند تنش گرمایی غیرکشنده را با اجتناب، فرار یا تغییرات فیزیکی در سطح سلولی مانند تغییر وضعیت فیزیکی غشاء، سنتز پروتیین های شوک حرارتی تخصصی و دفاع ضد اکسیداتیو تقویت شده، تحمل کنند. تغییرات در وضعیت فیزیکی غشاء و ترکیبات آن، تولید پروتیین های شوک حرارتی، عوامل رونویسی، اسمولیت ها و افزایش سطح دفاع آنتی اکسیدانی، فرآیندهای کلیدی برای حفظ تعادل اکسایش- کاهش سلولی در تنش گرمایی هستند. بررسی تغییرات کیفی برنج تحت تنش گرما نشان داد که کاهش سطح آنزیم ها در سنتز ساکارز و نشاسته آسیب قابل توجهی به عملکرد و کیفیت دانه در هوای گرم وارد می کند. همچنین، شناسایی چندین QTL برای تحمل گرما، جهش القایی، اصلاح کلاسیک با استفاده از تلاقی واریته باکیفیت و واریته مقاوم به تنش گرمایی، نتایج مطلوبی در زمینه شناسایی و معرفی ارقام مقاوم به تنش گرمایی داشته است. بر اساس نتایج بررسی شده می توان این نتیجه گیری را حاصل نمود که تنش گرمایی، شرایط اجنتاب ناپذیری در کشت برنج است؛ بنابراین شناسایی و مرور تغییرات فیزیولوژیک آن می تواند بسیار حایز اهمیت باشد و به تعیین اهداف اصلاحی مناسب کمک نماید.

    کلیدواژگان: پروتئین شوک حرارتی، تنش غیرزیستی، کیفیت برنج
|
  • Karim Sorkheh *, Abdolali Gilani, Sami Jalali Pages 1-21
    Introduction

    Heat and its effects are considered one of the serious threats and damages to the production of agricultural and horticultural crops in many regions of the world. Therefore, it has led to pervasive changes in terms of morphological, physiological, anatomical, and molecular, which causes a sharp decrease in the economic performance of agricultural products. Nowadays, in order to reduce these inhibitory effects, in addition to classical and conventional breeding methods, modern and molecular methods can be used to identify heat-tolerant genes and use them in breeding programs to improve plant tolerance to environmental stresses.

    Materials and methods

    The selection for heat tolerance among four local cultivars Hovyzeh, Hamar, Red-Anbori, Champa and three promising heat tolerant lines V1, V2 and V3 obtained from the international breeding programs of Khuzestan Agricultural Research and Training Center and Natural Resources were evaluated by osHATS and HSP70 genes qPCR on two experimental cultivation dates: May 20 (unfavorable) and June 20 (favorable) 2022 in Ahvaz.

    Results

    The results obtained from the analysis of gene expression by qPCR on the date of the first cultivation confirmed the presence of the osHTAS gene in rice varieties and lines so that the local variety Champa, Hovyzeh, and line V2 has a high relative gene expression compared to other varieties and lines studied and they were significantly different from each other. The analysis of the osHTAS gene expression on the second planting date (June) in Ahvaz also shows the presence of the high-temperature tolerance gene in Hovyzeh, Hamar and V2 lines; therefore, the mentioned varieties could be used as parental lines for transfer heat tolerance gene to be used in multi-breeding programs and terms of the relative expression level of the gene, they showed a statistically significant difference with each other. The results of the relative gene expression of the HSP70 gene in the cultivation date of May showed that the local cultivars Champa, Red-Anbori and Hovyzeh had a remarkable superiority over the others. Examining the HSP70 gene expression pattern of rice cultivars and lines on the second planting date also revealed that the local cultivars Red-Anbori, Champa, Hovyzeh, and Hamar showed superiority. The tolerance of local cultivars to heat stress is due to their rapid growth and the creation of a large green cover in the early stages of growth, and their great adaptation to the region's environmental conditions.

    Conclusion

    Local cultivars can withstand heat stress well with rapid growth and creating much vegetation due to their high adaptability to environmental conditions and the presence of heat stress tolerance genes. They could be used as parental lines in breeding programs.

    Keywords: Heat Stress, selection for heat tolerance, rice, qPCR
  • Davood Kazemi *, Masoud Rahimi Pages 22-41
    Introduction

    The use of seeds to create genetic mutation brings problems because the use of seeds increases the duration of the research, and the study of traits requires plant cultivation, making it impossible to test more than once a year. Another point is the presence of shimmer in mutant plants. Biotechnology techniques, especially tissue culture, solve these problems today. In this method, a repeatable and efficient regeneration system is needed to create mutations in rice plants to obtain fertile plants from the changed tissues.

    Materials and methods

    To determine the appropriate dose of mutation induction to create genetic changes in the callus tissue obtained from the mature and immature embryos of Nemat and Taram rice varieties, a factorial experiment was carried out within a completely randomized design using doses of 20, 30, 40, 50 and 60 Gy (GY) of Gamma radiation in four replications. For callus generation, MS medium with 0.5 mg/liter 2, 4-D and 1 mg/liter Kasein was suitable for both cultivars. Also, for the regeneration of calluses obtained from both types of embryos of the Tarom cultivar, MS base medium containing 4 mg/liter of BAP, 0.5 mg/liter of IAA, 0.5 mg/liter of NAA, and 5 mg/liter of Kasien were used. In the final stage, 30-day-old calluses were subjected to gamma radiation treatment with five doses of 20, 30, 40, 50 and 60 Gy. They were compared with the control treatment in the regeneration stage regarding moisture percentage, growth rate and regeneration percentage.

    Results

    After irradiation, the effect of variety on regeneration percentage, growth rate based on weight and callus diameter, the effect of embryo type on regeneration percentage and moisture percentage, the effect of radiation on all studied traits, the effect of variety × embryo only for regeneration percentage and moisture percentage, the effect of variety × radiation for all traits and the effect of embryo × radiation and cultivar × embryo × radiation were significant only for the percentage of reproduction. The LD50 obtained in Nemat and Tarom cultivars with mature embryos was related to doses of 26.78 and 41.83 Gray, respectively; with immature embryos, it was 14.55 and 35.30 Gray, respectively.

    Conclusion

    The difference in this experiment can not only be caused by genetic differences, but it can also be due to the difference in callus humidity and the effect of gamma rays.

    Keywords: rice, mutation, embryo culture, gamma irradiation
  • Roghayeh Naseri *, Kianoosh Cheghamirza, Leila Zarei, Reza Mohammadi, Ali Beheshti Aleagha Pages 42-63
    Introduction

    Among cereals, durum wheat (Triticum turgidum L. var. durum) is one of the most important protein and energy sources after bread wheat. It has a significant role in human nutrition in most countries.

    Materials and methods

    In this study, in order to identify and localization of QTLs controlling traits related to flag leaf and peduncle, 118 durum wheat recombinant inbred lines obtained from the cross between the local genotype of Iran-249 originated from the west of Iran and the local cultivar of Zardak from Kermanshah were evaluated in three environments under rainfall conditions using randomized complete block design along with parents in three replications. QTL analysis for each trait was performed using the inclusive composite interval mapping method to identify genomic regions that significantly affected the studied traits.

    Results

    Based on the analysis of variance, the effect of genotype (recombinant inbred line) was significant in terms of traits related to flag leaf and peduncle in three environments, which indicates the existence of appropriate levels of genetic diversity in the studied population for measured traits. The results of QTL analysis using the inclusive composite interval mapping method led to the identification of 33 QTL for the measured traits. The common and stable QTLs were located in at least two environments on chromosomes 1A, 1B.1, 2B.1 and 5A for peduncle length and diameter traits and on chromosomes 2A, 5A and 7A for flag leaf length, flag leaf width and flag leaf area. Identification of repeatable QTLs in the different environments can indicate the existence of stable genomic regions related to flag leaf and peduncle. On the other hand, a positive and significant correlation was observed between the traits, probably due to the linkage or pleiotropic effect of their controlling QTLs. Also, based on QTL analysis using the two-locus method, the additive main effect, as well as the interaction effect of the QTL× environment, was significant for all traits except for the middle and bottom peduncle diameter. In total, six gene loci with significant additive× additive epistasis effects were identified for the flag leaf area-related traits and top peduncle diameter.

    Conclusion

    Identification and localization of stable QTLs in different environments for some traits related to flag leaf and peduncle can assist in understanding better the genetic basis of these traits to be used in breeding programs, especially in MAS projects.

    Keywords: Additive effects× environment, Durum wheat, flag leaf, peduncle, QTL analysis
  • Armin Saed-Moucheshi *, Hooshmand Safari Pages 64-73
    Introduction

    Wheat, like other plants, uses antioxidant enzymes to deal with the high production of free oxygen radicals. Antioxidant enzymes are proteins or polypeptides that are activated in cooperation with cellular substances or mineral elements and are responsible for detoxifying reactive oxygen species in organisms. Superoxide dismutase (SOD) is an important antioxidant enzyme responding to plants' abiotic stresses. This study was performed to identify significant regulatory elements within the promoter regions of superoxide dismutase genes in the wheat genome.

    Materials and methods

    To investigate the regulation of gene expression and the effective factors in regulating superoxide dismutase enzyme using bioinformatics methods, the promoter region of Mn-SOD, Cu/Zn-SOD and Fe-SOD genes was investigated. The reason for selecting these genes is their ability to scavenge the free radicals of oxygen in plants. Also, their gene expression pattern are crucial under stressful conditions. In order to perform the promotor analysis of these genes, first, the sequence of the genes encoding this enzyme from wheat was downloaded using the NCBI site. After receiving the desired gene sequence, all three sequences of this gene were searched to find different versions of the SOD gene in the wheat genome against the genomic sequence of this plant that has been identified and reported on this site so far. Each received promoter sequence was analyzed and their regulatory elements were identified. Fifteen genes encoding superoxide dismutase were identified and annotated in different chromosomes of A and D genomes of wheat. Then, the promoter regions of these genes, including 1500 bp upstream sequences, were separated to identify the corresponding regulatory elements. The promoter sequences were analyzed to detect the statistically significant over-represented regulatory elements.

    Results

    The results showed that various regulatory elements involved in different biochemical pathways might influence wheat's transcription of superoxide dismutase genes. G-Box, I-box, MBS, TGA-element, A-box, ABRE, and ARE, are regulatory elements annotated by individual and grouping promoter analysis. In this study, genes encoding superoxide dismutase were mainly identified on different chromosomes of wheat's A and D genomes. This indicates that these genes were probably transferred from the parents of wheat that had these two main genomes to wheat.

    Conclusion

    Finally, the analysis showed that the important regulatory elements identified in this pathway could include ABRE, ARE, CCAAT-box, G-Box, Skn-1_motif, and circadian, which respectively have a role in the pathway of response to abscisic acid, and response to other reactions such as aerobics reactions, the binding site of elements related to genes encoding MYB transcription factor, response to light conditions, endosperm expression pathway and the pathway of regulation of periodic light responses. Most of the regulatory elements of these genes are involved in light reactions and environmental stresses, which protect the plant against their injury effects.

    Keywords: Promoter, Environmental stress, SOD, regulatory elements, wheat
  • Negin Rezaei, Mohsen Saeidi *, Shahryar Sasani, Saeid Jalali Honarmand, Mohammad Eghbal Ghobadi Pages 74-93
    Introduction

    The rapid increase in the world population and the need to increase agricultural production, and on the other hand, the rapid change of climate conditions, are the significant challenges facing the world in the coming years. Wheat, the most important plant in the cereal family, plays a vital role in the world's food security now and in the future. Therefore, producing new cultivars with high yields and carefully selecting cultivars suitable for cultivation in different climatic zones are important future research priorities.

    Materials and methods

    This study investigated the reaction of different bread wheat cultivars regarding yield and its components. It also aimed to study the growing degree days (GDD) and some physiological traits related to cold tolerance in different bread wheat cultivars. This study was conducted as two independent experiments during the 2013-14 cropping year at the research field, Campus of Agriculture and Natural Resources, Razi University, Kermanshah, Iran. The first experiment was a randomized complete block design with three replications. Treatments included 12 bread wheat cultivars (Norstar, Zarin, Kavir, Baz, Sivand, Alvand, Pishgam, Pishtaz, Orum, Shahryar, Bahar, and Parsi). The second experiment was a factorial experiment in a randomized complete block design with three replications. In this experiment, 12 bread wheat cultivars were evaluated as the first factor and sampling times as the second factor in three levels: early January, early February, early March.

    Results

    The results of this study showed that Sivand and Parsi spring cultivars with the highest plant growth rate in different stages of development, with 5170 and 5100 kg/ha, respectively, and Norstar winter cultivar with the lowest plant growth rate in various stages of development, with 2230 kg/ha, had the lowest value of grain yield. The correlation between grain yield, growing degree days requirement to flowering, and physiological maturity were negatively significant. Cultivars with lower grain yield had higher growing degree day’s requirements. Examination of the growing degree days requirement of cultivars up to the flowering stage showed that, on average, spring cultivars had lower growing degree day requirements than winter cultivars. The accumulation of soluble sugars in the crown of winter and intermediate cultivars during winter was higher than spring cultivars. The accumulation of soluble sugars in the wheat crown was downward during the winter, so at the beginning of winter, the crown had a higher sugar content than in the middle and late winter. Winter and intermediate cultivars, on average, had higher leaf greenness and maximum photochemical efficiency of photosystem II than spring cultivars.

    Conclusion

    According to the results obtained in the study area, on average, winter and intermediate cultivars were superior to spring cultivars in terms of physiological traits related to cold tolerance. But, due to the obtained seed yield. However, according to the grain yield obtained in this study, spring cultivars are more recommended among cultivated cultivars than the other two growth types in Kermanshah and similar climate zones.

    Keywords: Growing Degree days, Cold, Crown, Maximum Efficiency of Photosystem II, Soluble sugars
  • Mehdi Kakaei * Pages 94-104
    Introduction

    Today, wheat is grown on more land area than any other commercial crop and continues to be the most important food grain source for humans. Rejaw cultivar is adaptable to the conditions of rainfed cultivation and supplementary irrigation in the cold regions of Iran. Of course, it can play an essential role in increasing and sustaining the yield of rainfed wheat. Regarding the quality of the resulting flour, Rejaw has a high quality, increasing the bread quality and reducing bread waste. Two-dimensional electrophoresis is a combination of isoelectric focusing (IEF) in the first dimension and SDS-PAGE in the second dimension, which allows the separation of proteins based on electrical charge and molecular weight.

    Materials and methods

    In this study, Rejaw wheat variety was used to investigate the changes of protein spots in two different ranges of linear pH 4 to 7 and nonlinear pH 3 to 10. For this purpose, bread wheat seed sample of Rejaw cultivar obtained from the Dryland Agricultural Research Institute (Sararoud branch), Kermanshah, Iran, was grown in a greenhouse under normal conditions in a pot; during the experiment, the lighting period was 14 hours, and natural lighting and fluorescent lamps were used to adjust this light. The daily temperature was about 20 degrees Celsius and the night temperature was about 10 to 12 degrees Celsius. Finally, leaf samples were used in protein extraction to perform two-dimensional electrophoresis, and their total protein was extracted. The experiment was carried out in the greenhouse of Payam-Noor University and the protein department laboratory of the Medical Biology Research Center of Kermanshah University of Medical Sciences.

    Results

    The results showed the changes of the expressed proteins in two different pH 4 to 7 linear and 3 to 10 non-linear. Although the resolution of the image and the separation of the protein spots at pH 3 to 10 were nonlinear due to the wider pH range, the movement of the proteins in two-dimensional electrophoresis showed that these molecules, in addition to the pI difference, have a solvable behavior. Attention in the conditions of SDS-PAGE and two-dimensional electrophoresis, which is not seen in the usual SDS-PAGE method. In other words, in two-dimensional electrophoresis, proteins are separated based on electric charge and molecular weight but in one-dimensional electrophoresis, they are separated based on molecular weight. For this reason, a set of proteins may have the same molecular weight.

    Conclusion

    However, this degree of protein diversity and relatively heterogeneous electrophoretic behavior of the proteins obtained from the leaves of Rejaw cultivar, which was apparently only shown in this study with two-dimensional electrophoresis, is remarkable and requires more studies in other related species. The results obtained from the two-dimensional electrophoresis study in this study can open the way for proteomic studies in the future.

    Keywords: Wheat, leaf, linear, non-linear pH, IPG strip
  • Soheil Karamniya, Pooya Aalaee Bazkiaee, Alireza Haghighi Hasanalideh * Pages 105-131

    Global warming has increased the earth's average temperature, and the tensions resulting from extreme heat have increased in different regions. Heat stress occurs in the form of an increase in temperature beyond the critical threshold for a certain period of time in different stages of the growth of crop plants. Therefore, the quantitative and qualitative changes in crop plants, including rice, as a result of heat stress caused by the global increase in temperature is one of the most critical concerns in many rice-growing regions of the world, including our country. Plants were adapted to heat stress by changing physiological, biochemical, and molecular metabolism. A stable photosynthetic system can reduce heat damage and increase grain yield under heat-stress conditions. The damage caused by high temperatures can be different in different rice growth stages, from germination to seedling stage, flowering, and seed ripening. The flowering and seed-filling stages are heat-sensitive stages in rice plants. Thermal damage in these stages can cause significant economic losses to rice production. In this article, an attempt has been made to review the physiological changes of rice under the influence of heat stress. The studied changes include the biochemical reaction of the plant during heat stress (electrolyte leakage, lipid peroxidation level and antioxidant enzyme activity), photosynthesis, membrane changes, plant changes to tolerate or escape from heat stress, changes in metabolism at the physiological, biochemical and molecular levels, adaptation to heat, regulating the activity of transcription factors related to heat stress response and changes in the expression pattern of genes under the influence of heat stress. Also, the relationship between heat stress and the biochemical characteristics that determine the quality of rice and the factors affecting the efficiency of rice grain quality, including the metabolic activities of sugar and starch and the gene expression of quality traits of rice under the influence of heat stress, were studied. Finally, the ability of rice breeding to deal with heat stress was reviewed. In the discussion of breeding for heat tolerance in rice, heritability and genetic diversity of traits related to heat stress tolerance, the results of studies conducted in the field of identifying QTLs for heat tolerance, the use of classical crossing to introduce varieties resistant to heat stress, induced mutation in breeding rice was evaluated for increased heat stress tolerance. The results have shown that rice can tolerate non-lethal heat stress by avoiding, escaping, or physical changes at the cellular level, such as changing the physical state of the membrane, synthesis of specialized heat shock proteins, and enhancing anti-oxidative defense. Changes in the physical state of the membrane and its compounds, the production of heat shock proteins, transcription factors, osmolytes, and increasing the level of antioxidant defense are the key processes to maintain the cellular oxidation-reduction balance in heat stress. Investigating the quality changes of rice under heat stress showed that the decrease in the level of enzymes in the synthesis of sucrose and starch causes significant damage to the yield and quality of the grain in hot weather. Also, the identification of several QTLs for heat tolerance, induction mutation, classical breeding using the crossing of a high-quality variety and a heat stress-resistant variety had favorable results in the identification and introduction of heat stress-resistant cultivars. Based on the reviewed results, it can be concluded that heat stress is an inevitable condition in rice cultivation; therefore, identifying and reviewing its physiological changes can be very important and provide appropriate breeding goals.

    Keywords: Heat shock protein, biotic stress, rice quality