Screening of drought tolerant cultivars in spring barley

مقدمه

تنش‌های محیطی یکی از مهم‌ترین عوامل کاهش دهنده عملکرد و تولید گیاهان زراعی به شمار می‌روند و مقابله و یا کاهش اثر تنش‌ها به عنوان راهکاری مفید در جهت افزایش عملکرد این محصولات مد نظر قرار گرفته است. تنش خشکی نیز از عمده‌ترین چالش‌ها برای بولید موفق محصولات زراعی است و از این نظر اصلاح ارقام پیشرفته و مقاوم برای مناطق خشک و نیمه خشک امری ضروری به نظر می‌رسد (16). غلات شامل گروهی از گیاهان می‌باشند که سطح زیر کشت برخی از آنها در دنیا بیش از سایر گیاهان زراعی بوده و دانة این گروه از گیاهان که محصول اصلی آنها می‌باشد برای تهیة نان و تغذیه اکثر مردم جهان به مصرف رسیده و همچنین در تغذیه حیوانات و پرندگان و صنعت از ‌آنها استفاده می‌شود. محصول درجه دوّم آنها که شامل کاه و یا کلش می‌باشد موارد مصرف گوناگون دارد. در بین غلّات جو و گندم به مقدار زیاد و در سطح نسبتاً زیادی از زمین‌های زراعتی مناطق مختلف جهان کشت می گردند (4).جو یکی از مهم‌ترین و قدیمی‌ترین غلات کشور است که در سطحی معدل 5/1 میلیون هکتار (آبی و دیم) کاشته می‌شود. از این میزان بیش از 60% آن با متوسط عملکرد 700 الی 900 کیلوگرم در هکتار به صورت دیم است.بنابراین با توجه به پایین بودن متوسط عملکرد جو دیم در ایران، انجام پژوهش‌هایی در جهت بالا بردن عملکرد جو دیم با توجه به سطح زیر کشت آن ضرورت دارد.بدین منظور علاوه بر استفاده از روش‌های جدید به‌زراعی در دیم‌کاری ایران، مسأله به‌نژادی و یافتن ارقام زودرس و متحمل به خشکی برای دیم‌زارها مورد توجه است.

آپسینال و همکاران (12) گزارش نموده‌اند تنش آب قبل از گرده‌افشانی باعث کاهش تعداد دانه در سنبله و به هنگام گرده افشانی و کمی پس از آن باعث کاهش وزن دانه‌ها می‌شود. اگر خشکی در مراحل اولیه تشکیل دانه حادث شود اثر سوء آن بیشتر است و باعث لاغر شدن و چروکیده شدن دانه ها می‌گردد. بلام(13) اظهار می‌دارد که انتخاب برای مقاومت به خشکی باید با انتخاب مواد ژنتیکی برای پتانسیل عملکرد بالا تحت شرایط بدون تنش همراه باشد. به نظر می‌رسد ارقامی که در شرایط آبیاری مناسب و آبیاری محدود، عملکرد یکسانی داشته باشند و یا لااقل تفاوت عملکرد آنها کم باشد نسبت به خشکی دارای مقاومت نسبی باشند. طبق نظر فیشر معیار مقاومت به خشکی وضعیت عملکرد دانه در شرایط خشک است (17). بنابراین، وضعیت عملکرد نسبی ژنوتیپ‌ها در شرایط تنش خشکی و نیز در شرایط آبی بعنوان یک نقطة شروع برای شناسایی صفات مربوط به مقاومت به خشکی و انتخاب ژنوتیپ‌ها برای اصلاح در محیط‌های خشک است (2).

روشهای مختلف و متعددی برای ارزیابی واکنش محصولات زراعی نسبت به تنش های محیطی توسط محققین مورد استفاده قرار گرفته است. فرناندز  (14) شاخص حساسیت به تنش (STI) را پیشنهاد کردند که براساس عملکرد هر گیاه در دو شرایط مطلوب و تنش و مربع میانگین عملکرد تمامی گیاهان مورد آزمایش در شرایط مطلوب می‌باشد. هر چه مقدار STI بیشتر باشد نشانه بیشتر بودن مقاومت گیاه به تنش است. در ارزیابی تحمل لاین‌ها و ژنوتیپ‌های گندم به تنش خشکی مشخص شده که همبستگی شاخص STI با عملکرد گیاه نسبت به سایر شاخص‌ها بیشتر است (18، 20). رزیل و هامبلین (19) شاخص تحمل (TOL) و شاخص بهره‌وری متوسط (MP) را معرفی نمودند که TOL تفاوت عملکرد گیاه در دو شرایط متفاوت و MP میانگین تولید در شرایط تنش و عدم تنش است. زیاد بودن TOL نشانه حساسیت گیاه به تنش بوده و اساساً انتخاب برمبنای مقادیر کم TOL انجام می‌شود. ولی زیاد بودن MP تحمل بیشتر به تنش را نشان می‌دهد. فرناندز (14) و کریستین (17) شاخص دیگری تحت عنوان میانگین هندسی بهره وری (GMP) را پیشنهاد نمودند. فیشر و مورر (15) نیز شاخص حساسیت به تنش (SSI) را معرفی کردند که در آن عملکرد دانه گیاه تحت شرایط مطلوب و تنش اندازه‌گیری و شدت تنش نیز براساس میانگین عملکرد ژنوتیپ‌ها تحت شرایط مطلوب و تنش تعیین می‌شود. مقادیر کم SSI جاکی از تغغیرات کم عملکرد گیاه در شرایط تنش در مقایسه با شرایط عدم تنش و در نتیجه مقاومت بیشتر گیاه است. هدف از این پژوهش ارزیابی تنوع ژنتیکی ارقام جو از نظر مقاومت به خشکی، ‌انتخاب مناسبترین شاخص های مقاومت به خشکی و شناسایی ارقام مقاوم به خشکی می باشد.

مواد و روش‌ها

به منظور ارزیابی تنوع ژنتیکی ارقام جو بهاره، غربال کردن شاخص‌های کمی مقاومت به خشکی و شناسایی ارقام مقاوم به خشکی، تعداد 16 رقم جو بهاره در مزرعة تحقیقاتی مرکز تحقیقات کشاورزی ارومیه مورد آزمایش قرار گرفتند. جهت سهولت در انجام مراحل آزمایش و محاسبات مربوطه از یک شماره یک یا دو رقمی برای نشان دادن ارقام استفاده گردید. اسامی ارقام و سایر مشخصات مربوطه در جدول (1) آورده شده است. در این تحقیق 16 رقم جو در قالبطرح بلوک‌های کامل تصادفی بصورت جداگانه تحت شرایط آبیاری معمولی و تنش خشکی در مرحلة گلدهی در 3 تکرار اجرا شد. ارتفاعِ منطقة اجرای آزمایش از سطح دریا 1325 متر و طول و عرض جغرافیایی آن به ترتیب °57 و ¢37 طول شرقی و °1 و ¢45 عرض شمالی می باشد. مجموع سالانه میانگین های درجة حرارت بیش از صفر درجة سانتی گراد 4400 و بیش از 10 درجة سانتیگراد 2000-1500 می‌باشد. حداقل بارندگی سالانة آن 275 میلی متر، حداکثر آن 525 میلی متر و متوسط بارندگی سالانة آن 424 میلی متر گزارش شده است. افزایش دما در اواخر فصل که معمولاً با قطع بارندگی همراه است، زراعت دیم را با تنش خشکی مواجه می سازد.

هر واحد آزمایش از 3 خط کاشت به طول 4 متر تشکیل شد و بذر و ارقام مورد نظر با احتساب 250 بذر در هر مترمربع محاسبه و در عمق 5-3 سانتی متری خاک کاشته شدند. فاصلة بین خطوط 20 سانتی متر، فاصلة دو تکرار از هم 5/1 متر و فاصلة دو آزمایش از هم 5 متر انتخاب گردید. برای مبارزه با علف‌های هرز، چندین مرحله وجین دستی صورت گرفت. همچنین برای از بین بردن علف‌های هرز پهن برگ، ‌در یک مرحله از 2-4-D استفاده گردید.کود ازته(اوره)به میزان 100 کیلوگرم در هکتار به صورت سرک مصرف گردید. در هر دو آزمایش تا اوایل سنبله دهی 3 بار آبیاری صورت گرفت، ولی برای ایجاد استرس در آزمایش تنش خشکی از اوایل تشکیل سنبله‌ها، آبیاری قطع گردید، ‌در حالیکه آزمایش آبیاری معمولی یک بار دیگر تا مرحلة برداشت آبیاری گردید. برداشت هر ژنوتیپ متناسب با رسیدگی فیزیولوژیکی آن انجام گرفت، در این مرحله برای از بین بردن اثر حاشیه، دو خط کناری و 5/0 متر از دو انتهای خط میانی حذف گردید برداشت بوسیلة دست صورت گرفت. عملکرد دانه پس از خرمنکوبی و جدا کردن دانه از کاه، بر اساس وزن دانه بر حسب گرم در 6/0 مترمربع تعیین گردید. وشاخص‌های کمی مقاومت به خشکی با استفاده از عملکرد گیاهان در آزمایش آبیاری (Y_P) معمولی و تنش خشکی در مرحلة گلدهی (Ys) به شرح ذیل محاسبه گردید:

1- شاخص تحمل (TOL) و شاخص بهره وری متوسط (MP) (17).

معادله 1

2- شاخص حساسیت به تنش (SSI) (14).

معادله 2

در این فرمول SI شدت تنش، میانگین عملکرد کلیة ژنوتیپ‌ها در محیط تنش و  میانگین عملکرد ژنوتیپ‌ها در محیط بدون تنش است.

3- شاخص میانگین هندسی بهره وری (GMP) و شاخص تحمل تنش (STI) (14 و 17).

معادله 3

4- میانگین هارمونیک (HM) (1).

معادله 4

در این بررسی پس از آزمون نرمال بودن داده‌ها با نرم‌افزار Minitab16، بررسیروابطهمبستگیبینشاخص‌هاوعملکردهایدو شرایطتنشوبدونتنش،وضعیتروابطعلت ومعلولیصفات مؤثربرعملکردکهرویشاخص‌هایموردبحثنیزمی‌توانند تأثیرگذارباشند،موردتجزیهوتحلیلقرارگرفت.همچنینبه منظورارزیابیبهترروابطبینشاخص‌هاباعملکردهایهر دو شرایطتنشوبدونتنشازروشترسیمیبای‌پلاتبرروی 16 ژنوتیپ،استفاده شد. برای دسته‌بندی داده‌ها از نرم‌افراز Excel و برای محاسبات آماری از نرم‌افزا‌رهایSAS 9.1 وSPSS 18 و برای ترسیم نمودارهای سه‌بعدی و  بای‌پلات و کلاستر از برنامه STATGRAPHICS استفاده گردید.

نتایج و بحث

نتایج نشان داد که بین ارقام مورد مطالعه، از نظر کلیة شاخص های کمّی مقاومت به خشکی و نیز عملکرد در شرایط آبیاری نرمال و تنش خشکی در مرحلة گلدهی اختلاف بسیار معنی داری وجود دارد (جدول 2) که بیانگر وجود تنوع ژنتیکی و امکان انتخاب برای مقاومت به خشکی است. به منظور شناسایی ژنوتیپ‌های مقاوم به تنش خشکی، میانگین هر از شاخص‌های مقاومت به خشکی برای ژنوتیپ‌های مورد بررسی محاسبه شدند (جدول3). نتایج مقایسات میانگین نشان داد که بطور متوسط تنش اعمال شده در مرحله گلدهی باعث کاهش 30 درصدی عمکلرد دانه در ژنوتیپ‌های مورد بررسی نسبت به شرایط بدون تنش می شود. در شرایط آبیاری معمولی و تنش خشکی در مرحلة گلدهی بیشترین عملکرد متعلق به رقم شماره 8 با میانگین 2152 کیلوگرم در هکتار بود ( جدول3). از نظر شاخص‌های کمّی مقاومت به خشکی نیز بیشترین STI متعلق به ارقام شماره 8 (365/1) و شماره 9 (335/1)، بیشترین میانگین بهره‌وری ( kg2152 و kg 2082)، میانگین هندسی بهره‌وری ( kg 2112 و kg 2066) و میانگین هارمونیک (kg 2073 و kg 2051) نیز متعلق به ارقام شماره 8 و 9 بود و کمترین شاخص حساسیت به خشکی ( 3146/0) و تحمل (77/53) به ترتیب متعلق به ارقام شماره 11 و 13 بود (جدول 3). با توجه به اینکه رقم شماره 8 (Kavir/Badia) از نظر عملکرد آبی و تنش خشکی در وضعیت مطلوبی قرار دارد لذا می‌توان آن را مناسب‌ترین رقم برای کشت در شرایط تنش آبی در نظر گرفت. به علاوه رقم شماره 8 علاوه بر شاخص‌های بیان شده از نظر دو شاخص تحمل (TOL) و شاخص حساسیت به تنش (SSI) نیز در وضعیت مطلوبی قرار داشت و از این نظر با ارقام شماره 11 و 13 در یک گروه قرار گرفت (جدول 3).

با توجه به اینکه مقاومت به خشکی یک صفت پیچیده بوده و عوامل مختلفی در آن دخالت دارند، لذا قضاوت پیرامون ارقام از نظر این صفت پیچیده و گاهی اوقات با نتایج متناقض همراه است (1، 10 و 11). بنابراین با استفاده از تحلیل همبستگی بین عملکرد در شرایط آبیاری معمولی و تنش خشکی و شاخص‌های کمّی مقاومت به خشکی می توان شاخص‌های مقاومت را غربال ومناسب‌ترین شاخص را انتخاب نمود. مناسب‌ترین شاخص، آن است که در هر دو شرایط آبیاری معمولی و تنش خشکی با عملکرد همبستگی معنی‌داری داشته باشد (1، 10 و 13). نتایج حاصل از تجزیة همبستگی شاخص‌ها با عملکرد در شرایط آبیاری معمولی (Y_P) و تنش خشکی (YS) نشان داد که بین شاخص‌های MP، HM، GMP و STI با عملکرد آبیاری معمولی و تنش خشکی در سطح احتمال یک درصد همبستگی بسیار معنی‌داری وجود دارد (جدول 4). لذا می‌توان این شاخص‌ها را بعنوان مناسب‌ترین شاخص برای غربال کردن ارقام مقاوم به خشکی که در شرایط آبیاری معمولی و تنش خشکی عملکرد بالایی دارند در نظر گرفت.حصادی (3) و کرمی و همکاران (9) نیز برای غربال لاین‌های جو متحمل به تنش خشکی  چهار شاخص MP، GMP، HM و STI را به عنوان مناسب‌ترین شاخص‌ها معرفی کردند.عبدالشاهی و همکاران (5) نیز همین شاخص‌ها را به عنوان مناسب‌ترین شاخص‌ها برای ارزیابی تحمل به خشکی در ژنوتیپ‌های گندم معرفی کردند. فرناندز (14) دو شاخص STI و MP را برای غربال کردن لاین های مقاوم به خشکی در لوبیا در نظر گرفت. کریستین و همکاران (17) در مطالعه بر روی ارقام لوبیا شاخص میانگین هندسی بهره وری (GMP) را بعنوان شاخص مطلوب انتخاب نمودند. در مطالعات صورت گرفته توسط امام جمعه (1) و فرشادفر (7) بر روی لاین‌های نخود شاخص‌های MP،HM،GMP و STI بعنوان مناسب‌ترین شاخص‌ها در نظر گرفته شده‌اند.

در ادمه برای تعیین ژنوتیپ‌های مقاوم با عملکرد بالا در هر دو شرایط از نمودار سه‌بعدی استفاده شد. نمودار سه‌بعدی رابطه بین سه متغیر Yp، Ys و یکی از شاخص‌های مقاومت را نشان می‌دهد که در آن عملکرد تحت شرایط بدون تنش بر روی محور Yها، عملکرد در محیط تنش خشکی بر روی محور Xها و  یکی از شاخص‌های انتخاب شده فوق بر روی محور Zها نمایش داده می‌شود. با توجه به این سه معیار ژنوتیپ‌ها در چهار گروه A، B، C و D دسته‌بندی شدند. فرناندز (14) نشان داد که مناسب‌ترین شاخص آن است که بتواند ژنوتیپ‌های گروه A را از سایر گروه‌ها متمایز کند. با توجه به اینکه شاخص‌های MP، GMP، HM و STI به عنوان مناسب‌ترین شاخص‌ها برای تشخیص گروه A از سایر گروه‌ها شناخته شدند، لذا از نمودار سه‌بعدی آنها نیز استفاده شد (شکل‌ 1). بررسی نمودار‌های سه‌بعدی Yp و Ys با شاخص‌های انتخاب شده نشان داد که بطور کلی ژنوتیپ‌های 8، 9، 5، 3، 2 و 14 در گروه Aقرار گرفتند بدین معنی که هم مقاوم به تنش کم آبی بوده و هم محصول آنها در محیط آبی و دیم بالاست. استفاده از نمودار‌های سه‌بعدی برای تشخیص گروه A از سایر گروه‌ها در جو توسط حصادی (3)، در لوبیا توسط فرناندز (14) و در نخود توسط امام جمعه (1) و فرشادفر و همکاران (5) مورد استفاده و تأیید قرار گرفته است.

نمودار سه‌بعدی فقط رابطه بین سه متغیر را بررسی می‌کند، بنابراین برای بررسی رابطة بین بیش از یک متغیر از یک نمودار چند متغیر، موسوم به بای پلات استفاده شد (1، 10، 11 و 14). برای این منظور ابتدا از تجزیة چند متغیره مؤلفه‌های اصلی بر مبنای شاخص‌های مقاومت و عملکرد تحت شرایط بدون تنش و تنش استفاده گردید ( جدول 5). بای‌پلات مربوطه بر مبنای دو مؤلفة اوّل و دوّم که حدود 99 درصد از تغییرات موجود بین داده‌ها را توجیه می‌کردند، رسم گردید (شکل 2). در فضای بای پلات ژنوتیپ‌ها در گروه‌های مشخصی قرار گرفتند که مرتبط با میانگین عملکرد و مقاومت آنها به کمبود آب است(شکل 2 و جدول 3).در این بررسی اولین مولفه اصلی 4/80 درصد از تغییرات کل داده ها را توجیه نمود (جدول 5) و همبستگی مثبت و بالایی را با عملکرد در شرایط بدون تنش و تنش و نیز شاخص‌های HM، STI، GMPوMPداشت.با توجه به اینکه میزان بالای این شاخص‌ها مطلوب می‌باشد اگر میزان مولفه اول بالا باشد، ارقامی انتخاب می‌شوند که دارای عملکرد بالا در شرایط تنش و بدون تنش و همچنین HM، STI، GMP و MPبالایی هستند.بنابراین مولفه اول را می‌توان بعنوان مولفه پتانسیل عملکرد و تحمل به خشکی نامگذاری کرد.دومین مولفه 6/18 درصد از تغییرات کل داده‌ها را توجیهنمود(جدول 5) که همبستگی مثبت با شاخص‌هایSSI و TOLداشته و همبستگی منفی با عملکرد تحت شرایط تنش و شاخص‌های MP، GMP، HM و STI نشان داد.بنابراین مولفه دوم را می توان بعنوان مولفه حساسیت به تنش نامگذاری کرد. نمودار بای پلات (شکل 2) نشان می‌دهد که ارقام 8،9، 5 و 14 در فضای A نمودار بای‌پلات و در مجاورت بردارهای مربوط به شاخص‌های مهم مقاومت به خشکی یعنی HM، STI، GMP و MPقرار دارند. همچنین نمودار بای‌پلات نشان می‌دهد که ارقام 8، 9، 5 و 14 در مجاورت مؤلفة اوّل یعنی مؤلفة پتانسیل عملکرد قرار دارند. ارقام شماره 2، ‌3، ‌6 و 10 در مجاورت بردارهای مربوط به شاخص TOL و SSI و نیز عملکرد آبی Yp قرار گرفته‌اند که به معنی بالا بودن عملکرد آنها در شرایط آبی و در عین حال حساسیت آنها به کمبود آب است. در واقع می توان گفت که ارقام 2، ‌3، ‌6 و 10 دارای سازگاری خوبی به محیط‌های آبی هستند. به طور کلّی این نوع نحوة توزیع ارقام در فضای بای‌پلات را می توان حاکی از وجود تنوع ژنتیکی ارقام نسبت به تنش خشکی دانست.

همچنین تشکیل زاویة حاده بین شاخص‌های انتخابی HM، STI، GMPو MP دلالت بر وجود همبستگی بالا بین این شاخص‌ها است. نتایج حاصل از نمودار چند متغیره بای‌پلات نشان می‌دهد که مناسب‌ترین ارقام همان ارقام 8، 9، 5 و 14 می‌باشد. در بین ارقام انتخابی رقم 8 (Kavir/Badia) دارای بالاترین عملکرد در شرایط آبیاری معمولی (Yp) و بالاترین سطح عملکرد در شرایط تنش خشکی در مرحلة گلدهی (Ys) بود، لذا می‌توان آنرا بعنوان بهترین رقم در نظر گرفت. استفاده از تجزیه مؤلفه‌های اصلی و نمودار بای‌پلات برای انتخاب ارقام مقاوم در نخود توسط امام جمعه (1) و فرشادفر (7)در گندم توسط معروفی (10) و نورمند مؤید (11) و در لوبیا توسط فرناندز (14) مورد توجه قرار گرفته است.

با استفاده از تجزیه خوشه‌ای و روش UPGMA، دندروگرام گروه‌بندی ارقام بر مبنای عملکرد تحت شرایط بدون تنش و تنش و شاخص‌های میانگین بهره وری (MP)، میانگین هندسی بهره وری (GMP)، میانگین هارمونیک (HM) و شاخص تحمل تنش (STI) صورت گرفت (شکل 3). به طوریکه ملاحظه می‌گردد ژنوتیپ‌های مورد بررسی در 3 دسته گروه‌بندی شدند. ارقام 8 و 9 در یگ گروه قرار گرفتند که همان ارقام دارای عملکرد بالا و مقاوم به خشکی بودند. ارقام 2، ‌3، 4، 5، 6، ‌7، 10، 14 و 16 در یک گروه و ارقام 1، 11، 12، 13و15 نیز در گروه دیگری قرار گرفتند که همان گروه ارقام دارای Ysو Ypپایین و در عین حال حساس به خشکی هستند.

ا