مقاله فنوتایپینگ صفات مرتبط به تحمل به خشکی

فنوتایپینگ صفات مرتبط به تحمل به خشکی

مکانیسمهای مختلف سازگاری به خشکی: نظرات، اصطلاحات و صفات

در کشاورزی، واژه خشکی به شرایطی که میزان آب فراهم شده از طریق بارندگی و آبیاری (و یا یکی از آندو) برای تامین نیازهای تبخیر و تعرق گیاه ناکافی است اطلاق می شود. مثالهای ارائه شده در این بخش، برخی اصول در مورد مکانیسمهای مختلف فراهم کننده تسهیل تحمل گیاه و تقلیل اثرات منفی کمبود آب، را معرفی خواهند کرد. بطور کلی، تمایز مشخصی میان صفاتی که به گیاه  برای بقا در شرایط استرس خشکی شدید کمک می کنند و صفاتی که تلفات عملکرد را در گیاه تحت تاثیر تنش خفیف و یا متوسط، کاهش می دهند باید قائل شد. فعالیت های اصلاحی مدرن، شامل شرایط فنوتایپینگ، غالبا سطوح ثانویه تنش را در نظر می گیرند. اگرچه عملکرد، امری نادیده گرفته شده در اغلب مطالعات مولکولی انجام شده تحت شرایط آبیاری محدود است، اما روش مناسبی برای اندازه گیری ارزش کلی فنوتیپی هر نمونه است. نهایتا، دانش حاصل از مطالعات مرتبط به خشکی باید بطور مستقیم و یا غیر مستقیم، به یافتن اثرات تنش بر میزان عملکرد گیاه کمک نماید.

اساس مقاومت به تنش

در میان تعاریف مختلف مقاومت به خشکی که در طی دهه های گذشته ارائه شده اند، تعریف کلاسیک و معتبر توسط لویت (1972) ارائه شده که روشی مستدل برای تقسیم بندی استراتژی هایی که به گیاهان امکان کاهش اثرات منفی کمبود آب را می دهند، ارائه می دهد. لویت مکانیسمها یا استراتژی های متفاوت مقاومت به خشکی را بدو گروه گسترده طبقه بندی کرد: اجتناب از خشکی و تحمل به خشکی. از این لحاظ، جنبه های مورفوفیزیولوژیکی (برای مثال ریشه های عمیق، گلدهی زودرس، انباشت مومهای اپی کوتیکولی، تنظیم اسمزی و ...) که گیاه یا بخشهایی از آنرا قادر به مدیریت خشکی می کنند تحت عنوان، اجتناب از خشکی طبقه بندی شده اند. متقابلا، خصوصیاتی چون بازتوزیع کربوهیدراتهای محلول در آب، تجمع پروکتانت های مولکولی و ...، که امکان مدیریت بی نقص عملکردگیاه در شرایط خشکی شدید را فراهم می کنند تحت عنوان تحمل به خشکی طبقه بندی می شوند.

آزمایشات بدقت برنامه ریزی شده تحت شرایط کنترلی، به ما امکان تمایز قائل شدن میان عمل لوکوس اجتناب از خشکی و عمل لوکوس تحمل به خشکی را می دهند. مقالات مروری مختلف وکتب نگاشته شده، مکانیسمهای بنیادین تحمل به خشکی و استراتژیهایی که می توانند عملکرد را تحت چنین شرایطی بهبود دهند را بیان کرده اند.

از نقطه نظر عملی، اولین مرحله تعیین جمعیت از محیط های هدف است، که تحت عنوان TPE (جمعیت محیط های هدف) شناخته می شود. تفاوتهای  TPE، عمدتا بوسیله الگوهای بلند مدت اثرات متقابل محیط – ژنوتیپ تعیین می شوند. تعیین و شناسایی یکTPE ، بوسیله استفاده از مدلهای  شبیه سازی گیاه برپایه رکوردهای تاریخی داده های هوا، تسهیل می شود. شبیه سازی می تواند یک TPE را بوسیله تناوب وقوع استرس های غیر زنده خاص و بر پایه نیمرخ رطوبت خاک در طی چرخه رشد محصول توضیح دهد. در محیط های مدیترانه ای، گندم و جو معمولا تنش انتهایی را به سبب دماهای بالا در حین دوره پر شدن دانه تجربه می کنند. با این حال، در هرTPE، اثرات متقابل محیط و ژنوتیپ تابع نوسانات سالانه فاکتورهای محیطی (برای مثال بارندگی، دما، و ..)، بیماری (برای مثال بیماری اندامهای سبز گیاه) و یا پارازیت ها (برای مثال حشرات) می باشند. بطور ایده آل، فنوتایپینگ برای تحمل به خشک و پایداری عملکرد باید در رنج وسیعی از محیط های حاضر در TPE انجام گردد. در دهه های گذشته، طرح های محیط های چندگانه برای افزایش پتانسیل عملکرد و همچنین برای مدیریت پایداری عملکرد تحت شرایط تنش خشکی در ذرت گرمسیری و همچنین در دیگر محصولات بکار گرفته شده اند. در موارد اندکی، آنها همچنین امکان شناسایی QTL های اصلی اثرگذار بر عملکرد و دیگر صفات سازگار کننده به خشکی در گستره وسیعی از مقادیر دسترسی به آب را فراهم کرده اند.

راندمان مصرف آب و عملکرد دانه تحت شرایط محدودیت آب

راندمان مصرف آب (WUE) میزان ماده خشک تولید شده (عملکرد دانه در گیاهان دانه ای وقتی WUE فصلی مورد توجه قرار می گیرد) به ازای هر واحد از آب از دست رفته از طریق تبخیر و تعرق است. به درجات مختلف، WUE از هر صفت تاثیر گذار بر تثبیت CO₂ و شرایط آب گیاه، اثر می پذیرد. بنابراین، پایه ژنتیکی WUE شامل همه ژنهایی که خصوصیات بیوشیمیایی و مورفوفیزیولوژیکی تنظیم گر تعادل کربن و آب گیاه را مدیریت می کنند (برای مثال هدایت روزنه ای، ضخامت و زاویه برگ، فعالیت کربوکسیلاز فسفوانول پیرووات، اندازه و ساختار ریشه، OA و ..) است.

فرمول زیر که نقش اساسی WUE در تعیین عملکرد دانه (GY) گیاهان رشد یافته تحت شرایط محدودیت آب را تعیین می کند، توسط پاسیورا (1977) پیشنهاد شده است:

GY = W× WUE× HI

W مقدار کل آب تعرق شده از گیاه و تبخیر شده از مزرعه، و HI شاخص برداشت است، بعبارت دیگر نسبت بین عملکرد دانه و کل بیوماس. وقتی این فرمول استفاه می شود، ما باید به امکان وابستگی متقابل این متغیرها توجه داشته باشیم، چرا که گزینش برای بهبود WUE بمنظور افزایش عملکرد دانه، ممکن است بوسیله کاهش میزان آب استخراجی از خاک، تا حدودی اثر عکس (بر میزان عملکرد دانه) داشته باشد. در حقیقت، برخی از صفات نشان داده اند که هم بر WUE و هم بر W تاثیر گذارند. فاکتور بسیار مهم، هماهنگی الگوی توسعه فیزیولوژیکی گیاه و الگوی بارندگی فصلی است. صفت بنیه اولیه بطور بالقوه WUE و W را بهبود می دهد در حالیکه ریشه های عمیق و تنظیم اسمزی (و یا یکی از آندو) تحت شرایط مناسب، استخراج آب از خاک را افزایش می دهند.

با این همه باید به یاد داشت که کشاورزان دانه را برداشت می کنند و نه WUE را. این امر بدین معنا است که WUEکمتر ممکن است هنگامی که WUEنسبت عکس با عملکرد دانه دارد مطلوب باشد، همچنانکه در مورد WUE ذاتی متفاوت غلات، مشهور است. بنابراین، نباید WUE لزوما معادل تحمل به تنش دانسته شود. بهترین مثال بوسیله یک جمعیت از نتاج مربوطه مانند لاین های اینبرد نوترکیب (RILs) که از نظر ظرفیت استخراج خاک، به سبب تفاوت  در عمق ریشه و بنابراین ظرفیت بیشتر برای دسترسی به رطوبت ذخیره شده در لایه های عمیق تر خاک، متفاوت از یکدیگر می باشند ارائه شده است. چونکهWUE در ژنوتیپ های با هدایت روزنه ای پایین، اغلب به سبب شرایط آبی پایین تر، بالاتر است ژنوتیپ های پر مصرف تر (بعبارت دیگر با  WUEکمتر) و توانا برای استخراج آب بیشتر از خاک، مادامی که هدایت روزنه ای بیشتر را کنترل می کنند، عملکرد بالاتری خواهند داشت. بطور متضاد، تحت شرایط محدودیت رطوبت خاک، WUE پایین حاصل  از تبخیر و تعرق بسیار، مانع از تجمع ماده خشک و اختصاص آن به اندامهای زایشی می شود. این یافته یک نظریه بنیادین برای تفسیر رابطه علت – معلولی میان صفات مورفوفیزیولوژیک و عملکرد دانه تحت شرایط تنش ارائه می کند: علامت و مقدار این رابطه همگانی نیست و ممکن است بر اثر عوامل دینامیک (یعنی تناوب و زمان بندی و شدت دوره های خشکی) تغییر یابد.

یک فرمول نسبی برای نشان دادن کامل فاکتورهای تاثیر گذار بر WUE در گیاهان رشد یافته تحت شرایط محدودیت آب بوسیله ریچارد (1991) ارائه شده است:

 

WUE (biomass) = TE / (1 + Es / T)

TE راندمان تعرق (وزن خشک روی خاک / آب تعرق شده)، Es آب از دست رفته بواسطه تبخیر از سطح خاک و T آب از دست رفته بوسیله تعرق محصول است. آنالیز متغیرها در این فرمول ساختار مفیدی برای تدوین استراتژیهای زراعی و اصلاحی و بنابراین اهداف فنوتایپینگ، بهینه سازیWUE و بحداکثر رساندن عملکرد در محیطهای متفاوت از نظر توزیع بارندگی در حین چرخه رشد محصول، را ارائه می دهد.

در سطح برگ، WUE ذاتی نشان دهنده نسبت مقادیر تجمع لحظه ای CO2و تعرق روزنه ای است. گفته شده که فاکتورهای اثر گذار برWUE ذاتی می توانند از طریق هدایت روزنه ای کمتر و یا ظرفیت فتوسنتزی بالاتر و یا هر دو بدست آیند. همچنین در مورد تاثیرات منفی احتمالی بر عملکرد از طریق دستکاری هر متغیر هشدار داده شده است. نتیجه گیری شده که برای دستیابی به دانه های مناسبتر در عملکرد غلات که از WUE ذاتی بیشتر ناشی شده است، جداسازیWUE ذاتی و میزان رشد پایین محصول ضروری است. از نظر عملی، وقتی محصولات عمدتا در خاک با ذخیره رطوبت (وضعیت رطوبت مطلوب) رشد می یابند،  WUEاهمیت بیشتری می یابد، همچنانکه بوسیله آزادسازی ارقام گندمDrysdale  و Rees که مشخصا برای مناطق هدف ذکر شده (با ذخیره رطوبت مطلوب) برگزیده شده بودند، مشاهده گردید. 

کدام صفات؟

صفات مورفوفیزیولوژیک و QTL های مرتبط که بر مقاومت به خشکی اثر گذارند، می توانند به دو گروه ساختاری (بعبارت دیگر بیان تحت شرایط آبیاری مطلوب) و پاسخ به خشکی (بعبارت دیگر تنها تحت شرایط کمبود معنی دار آب بیان می شوند) تقسیم شوند. در حالیکه، صفات/ QTL های پاسخ به خشکی معمولا تنها تحت شرایط تنش نسبتا شدید خشکی بر عملکرد تاثیر می گذارند، صفات/QTL های ساختاری می توانند بر عملکرد تحت مقادیر کم و متوسط استرس خشکی نیز تاثیر گذارند. پاسخ QTL های مرتبط با صفات سازگاری به تنش خشکی (بعبارت دیگر تجمع اسمولیت ها، کاهش کربوهیدرات های محلول در آب) احتمالا بواسطه تنظیم بیان ژنهای ساختاری اساسی در پاسخ به پیامرسانی علائمی مانند تجمع اسید آبسیزیک (ABA) که بواسطه دهیدراسیون سلولی تقویت می شود، است. تحت شرایط رطوبت مطلوب خاک، وجود QTL های صفاتی که معمولا تحت عنوان ساختاری گروه بندی شده اند اما اندازه گیری آنها مشکل است (برای مثال، طول ریشه)، می تواند بواسطه ترتیب QTLهای صفات بیانگر شرایط رطوبت گیاه مانند درصد ABA، هدایت روزنه ای، کاهش دمای روزنه ای، نشان داده شود. علاوه بر این، آللهای QTL که بطور ساختاری گل دهی را تسریع می کنند، وقتی تنش خشکی در نزدیکی زمان گلدهی یا در طی دوره پر شدن دانه ( و یا هر دو زمان) رخ می دهد تاثیر مثبتی بر عملکرد خواهند داشت.

مدارک آزمایشگاهی نشان داده که پیشرفتهای حاصله بوسیله اصلاحگران درطی قرن گذشته می تواند عمدتا بواسطه تغییرات در صفات ساختاری موثر بر اجتناب از دهیدراسیون و نه صفات پاسخگو به تنش توضیح داده شود. از این لحاظ، توجهات بجای شناسایی صفاتی که بقای گیاه را تحت خشکی شدید افزایش می دهند، با توجه به امکان رابطه منفی تحت شرایط با شدت کمتر تنش، بطور فزاینده ای بر فنوتایپینگ صفاتی که بطور ساختاری عملکرد ذاتی را افزایش می دهند، متمرکز شده است.

صفات مورد بررسی بعنوان اهداف بالقوه گزینش برای بهبود عملکرد تحت شرایط محدودیت آب، باید بطور ژنتیکی با عملکرد همبسته بوده و توارث پذیری بالاتری نسبت به عملکرد داشته باشند. جنبه های مطلوب دیگر شامل وجود تنوع ژنتیکی کافی و عدم کاهش عملکرد تحت شرایط مطلوب می باشند. بطور ایده آل، اندازه گیری صفت هدف باید غیر تخریبی، سریع، دقیق و غیر گران باشد. همچنین باید اندازه گیری صفت با استفاده از تعداد کمی از گیاهان و بدون پروسه های طولانی برای کالیبره کردن سنسورها برای هر گیاه منفرد میسر باشد. در نهایت، بجای گزارش بر مبنای جنبه های کوتاه مدت در سطح سلولی، صفت ثانویه باید با کل چرخه رشد و یا بخشی از آن همراه بوده و مرتبط با سطوح بالاتر سازمان یابی فانکشنال(بطور مثال، میزان کانوپی)، و در نتیجه ارائه دهنده اطلاعات در مورد راندمان بلند مدت اکوفیزیولوژی گیاه، باشد. اطلاعات و مثالهای کلی ارائه شده در ادامه، درمورد تعدادی صفت که از نظر تاثیر بر مقاومت به تنش و WUE(ویا هر یک از آنها به تنهایی) مورد بررسی قرار گرفته اند، می باشند.

صفات موثر در تحمل به تنش خشکی:

1- بنیه اولیه

2- ساختار ریشه

3- زمان گلدهی

4- تبعیض ایزوتوب کربن

5- هدایت روزنه ای

6- تقلیل دمای کانوپی

7- اسید آبسیزیک

8- تنظیم اسمزی

9- غلظت کلروفیل، سبزمانی و به تاخیر افتادن پیری برگ

10- انتقال کربوهیدراتهای قابل حل در آب

بنیه اولیه

استقرار سریع  و قدرتمند گیاه تحت شرایط تبخیر و تعرق پایین، ممکن است به گیاهان یکساله امکان داشتن WUE بهینه و محدود سازی تلفات آب ناشی از تبخیر مستقیم از سطح خاک، را بدهد. برگهای چنین گیاهانی، آب را بیشتر برای مراحل بعدی رشد، وقتی رطوبت خاک به میزان زیادی کاهش یافته و عملکرد به طور فزاینده ای محدود می شود، ذخیره کرده اند. استقرار سریع همچنین ممانعت از هدایت روزنه ای را بعنوان پیامد سیگنال رسانی ریشه زاد در شرایط سیستم ریشه ای سطحی و غیر عمیق ، مانند حرکت ABA از طریق جریان شیره آوندی، را کاهش می دهد. توسعه شدید بنیه کانوپی ممکن است سبب تقلیل رطوبت خاک گردد. میزان مطلوب بنیه کانوپی به خصوصیات محیطی TPE بستگی دارد. بنیه اولیه برای بهبود WUE و عملکرد در گندم بکار گرفته شده است و از طریق MAS درCSIRO  (سازمان تحقیقات علمی و  صنعتی  ملی استرالیا(مورد نظر قرار گرفته است.

ساختار ریشه

ریشه ها سطح شگفت آوری از انعطاف پذیری در پاسخ به شرایط فیزیکی خاک را ارائه می کنند. این ویژگی به گیاهان امکان سازگاری بهتر با خصوصیات فیزیکی و شیمیایی خاک، بخصوص تحت شرایط خشکی، را می دهد. فرضیه ریشه ایده آل باید فقط پس از درک دقیق از: 1- فاکتورهایی که دسترس پذیری رطوبت خاک برای گیاه را محدود می کنند، 2- هزینه متابولیکی صرف شده توسط گیاه برای رشد و مدیریت سیستم ریشه قدرتمندتر، ارائه گردد. از این لحاظ، مهم است که گزینش دوره ای موفقیت آمیز برای افزایش عملکرد دانه در ذرت گرمسیری تحت تنش خشکی، مرتبط با کاهش حجم توده ریشه بوده است، در تضاد با این باور عمومی که یک سیستم ریشه قدرتمندتر، عملکرد را تحت شرایط خشکی افزایش می دهد. بنابراین، اثرات میزان و ساختار ریشه بر عملکرد نهایی به توزیع رطوبت خاک و میزان رقابت برای منابع آب در درون جامعه گیاهی بستگی خواهد داشت. در نتیجه، وقتی رطوبت اضافی ذخیره شده در لایه های عمیق تر خاک در دسترس است، گزینش برای رشد سریعتر و ریشه های عمیق تر می تواند برداشت آب را افزایش داده وبه پایدار سازی عملکرد تحت شرایط خشکی، بخصوص در محصولات با ظرفیت پایین تنظیم اسمزی، کمک نماید.

در  لوبیا، عملکرد بالا در شرایط خشکی، مرتبط با عمق نفوذ ریشه بود. اهمیت یک سیستم ریشه عمیق در مقالات مرتبط با ذرت، جو، و بخصوص در برنج دیم مورد اشاره قرار گرفته است. اما، دیگر آزمایشات در برنج عدم همبستگی میان خصوصیات ریشه و مقاومت به خشکی را نشان داده اند.

اشکال عمده در مطالعه خصوصیات ریشه و استفاده از آنها بعنوان معیارهای گزینش، مرتبط به سختی فنوتایپینگ گیاهان کشت شده در مزرعه است. برخی تکنیکها، اندازه گیری حجم ریشه و توزیع آن در پروفیل خاک را میسر می سازند. این تکنیکها مقادیر مختلفی از کارگر و تخریب پلات برای جمع آوری نمونه را نیاز دارند. سریعترین اما مخرب ترین تکنیک، نیروی کششی عمودی مورد نیاز برای ریشه کنی گیاه، بعنوان شاخصی از حجم و ساختار ریشه، را اندازه می گیرد،. دیگر تکنیکهای با تخریب کمتر مانند روش های حفر کردن و مغزه گیری (نمونه گیری) برای تخمین حجم و توزیع ریشه بکار می روند.

Minirhizotron ها روشی غیر تخریبی و در محل را برای مشاهده و مطالعه ریشه های ریز فراهم می کنند. نصب تیوب حیاتی است و مراحل باید برای اطمینان از تماس مطلوب خاک/ تیوب بدون فشردگی خاک، طی شوند. نصب تیوب سبب نامنظمی خاک شده و می تواند خطاهایی انسانی در جمع آوری و آنالیز داده های خاک را سبب شود که سبب ایجاد اریب (خطا) در مقادیر می شود. بنابراین، یک دوره انتظار چند ماهه میان نصب تیوب و مشاهده (تصویر برداری) مجموعه برای اجازه دادن به ریشه ها برای تجمع مجدد درفضای اطراف ریشه هاو اجازه دادن به مواد غذایی برای بازگشت به مقادیر پیش از وقوع نامنظمی درخاک ، توصیه می شود. تناوب مشاهده مجموعه به پارامترهای مورد اندازه گیری یا محاسبه شده ریشه، و زمان یا منابع مورد نیاز برای جمع آوری تصاویر و استخراج داده ها، بستگی دارد.

در ذرت، یک روش سریع غیر تخریبی برای تخمین حجم ریشه متکی بر استفاده از دستگاه ظرفیت الکتریکی سنج دستی است. صحت این روش بوسیله مقایسه نتایج با ابزارهای مستقیم متکی بر ریشه کنی گیاهان رشد یافته در گلخانه و مزرعه مورد آزمون قرار گرفته است. همبستگی معنی دار میان روشها، امکان استفاده از دستگاه ظرفیت الکتریکی سنج از نظر روتین بودن و مخرب نبودن مشاهدات تکراری در طی زمان را نشان می دهند. با این همه، این روش به میزان گسترده ای استفاده نمی شود.

عدم یکنواختی در ساختار و ترکیبات خاک، از اندازه گیری دقیق مقادیر خصوصیات ریشه در گیاهان مزرعه ای ممانعت می کند. بعنوان جایگزینی برای فنوتایپینگ ریشه در آزمایشات مزرعه ای، محققین تعدادی از خصوصیات ریشه ها را در گیاهان رشد یافته تحت شرایط کنترل شده (در گلخانه)، بررسی کرده اند. این امر امکان آنالیز سریع و دقیق تر خصوصیات ریشه را فراهم می کند. به سبب اینکه نقص عمده این مطالعات، عدم امکان ایجاد شرایط طبیعی رشد ریشه ها است، احتیاط فراوان در مقایسه نتایج حاصل از گیاهان گلخانه ای  با گیاهان مزرعه ای پیشنهاد شده است. در ذرت، یک ارتباط مثبت، معنی دار (و اگرچه ضعیف)، میان صفات ریشه اولیه در محیط های هیدروپونیک و مقاومت ریشه به کشش در مزرعه گزارش شده است.

برای اجتناب از شرایط غیر طبیعی حاضر در هیدروپونیک ها یا اروپونیک ها ( ویا هر دو) و سختی مطالعه ریشه ها در مزرعه، یک توافق عمومی از طریق رشد دادن گیاهان در گلدانها یا اتاقکهای مشاهده پر شده با خاک (و یا هر دو)، حاصل شده است. آزمایشات گلدانی همچنین امکان اندازه گیری دقیق میزان آب عرضه شده به هر گیاه، و در نتیجه میزان استفاده از آب و میزان WUE را فراهم آورده، و تخمین توانایی ریشه ها برای نفوذ به یک لایه مومی با مقاومت ظاهری مکانیکی بالا، بعنوان تمثیلی از خاک سخت که دسترسی ریشه ها به رطوبت در لایه های عمیق تر خاک را محدود می سازد (محدودیت اصلی)، را میسر می سازند. در برنج، افزایش توانایی برای نفوذ به خاک سخت بعنوان جنبه ای اساسی برای توسعه ریشه های عمیق تر تحت شرایط زمینهای پست دیم مورد نظر قرار گرفته است و آن یک فاکتور کلیدی در سازگاری به خشکی در مناطقی است که عرضه آب محدود است. بنابراین، ریشه های قادر به تکثیر سریع در لایه های زیرین خاک پیش و در حین مراحل اولیه خشکی، باید امکان استخراج طولانی تر آب و متعاقبا، مدیریت بهتر پتانسیل آب برگ و فتوسنتز را داشته باشند.

اتاقکهای پر از ژل، ساکهای خاک و میکروتوموتگرافی اشعه ایکس، برای تخمین ساختار دو و سه بعدی ریشه مورد استفاده قرار می گیرند. این آزمایشات بخصوص برای کشف QTL هایی که بیان عمومی (و نه اختصاصی) دارند و QTL هایی که بعنوان مثال، بیشتر احتمال دارد که ساختار ریشه در شرایط مختلف خاک را تحت تاثیر قرار بدهند، مناسب می باشند.

زمان گلدهی

زمان گلدهی بعنوان حیاتی ترین فاکتور برای بهینه سازی سازگاری، و بنابراین عملکرد، در محیطهای متفاوت از نظر در دسترس بودن و توزیع آب در طی فصل رشد شناخته شده است. روابط مثبت میان انعطاف پذیری عملکرد و زمان گلدهی در مقادیر متفاوت آب در دسترس در محصولات مختلف گزارش شده اند. بنابراین، علاوه بر فنولوژی (یعنی زمان متوسط برای یک مرحله فنولوژیکی)، توجه به انعطاف پذیری توسعه فنولوژیکی، بعنوان یک صفت متمایز تاثیرگذار بر سازگاری محصول، ارزشمند می باشد.

بسیاری از مطالعات پایه ژنتیکی زمان گلدهی را تخمین زده اند، که اهمیت اقتصادی این صفت را منعکس می کند. در محصولات یکساله، پایه ژنتیکی زمان گلدهی در گونه های معتدله (برای مثال جو، گندم، چاودار و غیره) به سبب حضور ژنهای بهاره سازی که زمان گلدهی را در پاسخ به دماهای پایین تحت تاثیر قرار می دهند، پیچیده تر از گونه های گرمسیری است (برای مثال برنج، سورگوم، ذرت و غیره). در غلات، انتقال از فاز رویشی به زایشی، بسته به گونه ها، بوسیله ژنهای مختلف پاسخگو به بهاره سازی یا طول روز ( و یا هر دو) و همچنین بوسیله ژنهای مخصوص زودرسی کنترل می شود.

در ذرت، یک هدف ارزشمند گزینش برای بهبود مقاومت به خشکی، تحت عنوان فاصله زمانی میان گرده افشانی و  پر شدن دانه (ASI) ارائه شده است، صفتی با توارث پذیری متوسط که معمولا بطور منفی با عملکرد دانه در شرایط تنش خشکی همبستگی دارد. به سبب اینکه  ASIمی تواند به سادگی و موفقیت تحت شرایط آزمایشی واقعی، فنوتایپینگ شود، فعالیتهای اصلاحی بنیادین این صفت را از طریق اصلاح سنتی هدف قرار داده اند، همچنین یکبار QTL آن شناسایی شده و MAS نیز در مورد آن انجام شده است. ارتباط منفی میان اثراث QTL هایتاثیر گذار بر هر دو صفت دراز شدن برگ و ASI ، مدیریت گشاده دستانه (غیر محدود) را بعنوان یک مکانیسم ممکن و جزئی نگرانه همبستگی پیشنهاد می کنند.

تبعیض ایزوتوب کربن

تبعیض ایزوتوب کربن (Δ¹³C )، نسبت میان ایزوتوبهای پایدار کربن (¹³C/¹²C) در توده خشک گیاه را در مقایسه با نسبت آنها در اتمسفر را اندازه گیری می کند. به سبب تفاوت در آناتومی برگ و مکانیسمهای تثبیت کربن در گونه های C₃ یا C₄، مطالعات بر Δ¹³C عمدتا بر گونه هایC₃ متمرکز شده است جایی که تنوع در Δ¹³C بیشتر از گونه هایC₄ است و اثر بیشتری بر عملکرد گیاه دارد. معمولا، اما نه همیشه، Δ¹³C ارتباط منفی با WUE در طی دوره تجمع ماده خشک دارد.

تحت استرس خشکی، Δ¹³C پیشگوی خوبی برای هدایت روزنه ای و WUE در محصولات مختلف است. برخی از مطالعات مرتبط با گندم نان تحت شرایط متفاوت دسترس پذیری آب، نشان داده که همبستگی میان Δ¹³C و عملکرد نهایی دانه، وقتی آب فراوان در دسترس گیاه است، مثبت و در شرایط خشکی منفی بوده، و در شرایط میانه همبستگی وجود نداشته است. این نتایج می توانند بر پایه تاثیر هدایت روزنه ای و فعالیت فتوسنتزی بر Δ¹³Cو بر پایه این حقیقت که تولید بیوماس در سالهای مرطوب بواسطه هدایت روزنه ای کمتر محدود شده، بعنوان یک امتیاز تحت شرایط تنش، تفسیر شوند. Δ¹³C اندازه گیری شده در دانه ها، با طول چرخه رشد همبستگی مثبت و با دمای برگ همبستگی منفی دارد. بنابراین، رابطه میانΔ¹³C و عملکرد دانه به شرایط محیطی، فنولوژی گیاه و اندامی که نمونه ها گرفته شده اند (برای مثال برگ یا دانه)، بستگی دارد.

 وجود تنوع ژنتیکی بالا، توارث پذیری بالا و GEI (اثر متقابل ژنوتیپ محیط) پایین برای Δ¹³C دانه در گونه هایC₃، گزارش شده است. به سبب این خصوصیات، Δ¹³C یک هدف جذاب اصلاحی برای بهبود WUE و عملکرد است، اگرچه هزینه بالای مورد نیاز برای اندازه گیری Δ¹³C هر نمونه، آنرا یک کاندیدای مناسب برای MAS می سازد.

هدایت روزنه ای

هدایت روزنه ای نقشی اساسی در تعیین  Δ¹³Cو WUE بازی می کند.  یک مطالعه در مورد مجموعه های تاریخی ارقام گندم نان موفق آزاد شده بوسیله سیمیت از 1962 تا 1988 همبستگی قوی مثبت میان هدایت روزنه ای و عملکرد دانه را نشان داده است. همچنین در پنبه، عملکردهای بالا با هدایت روزنه ای بالاو دمای کاهش یافته برگ مرتبط بوده اند. همه این نتایج بر امکان افزایش پتانسیل عملکرد و بنابراین مقدار آب مورد استفاده بوسیله گیاه، از طریق گزینش غیر مستقیم برای هدایت روزنه ای یا دمای برگ (ویا هر دو) اشاره دارند.

از دیدگاه فنی، نتایج جالبی در گندم با استفاده از پروسنج جریان هواکه تخمین سریع هدایت روزنه ای را فراهم می کند،گزارش شده اند. نقطه ضعف استفاده از این ابزار این است که مقادیر عمدتا بوسیله سطح برگ که دارای کمترین میزان هدایت است، تعیین می شوند. در تحقیقی، تفاوتهای ژنتیکی معنی دار میان میانگین های نسل از نظر هدایت اندازه گیری شده در طی روزهای مختلف در سه تلاقی گندم گزارش شده و تنوع زیادی از نظر میزان توارث پذیری میانگین خانواده، بسته به تلاقی مورد بررسی و زمان نمونه گیری، مشاهده شده است (از 6 تا 70 درصد). محققان دست اندرکار این تحقیق، توصیه کرده اند که بمنظور بحداکثر رساندن بهره ژنتیکی برای هدایت برگی تغییر یافته، اسکرین جمعیت ها تا اواخر روز به تاخیر افتاده و اندازه گیریها برای حداقل دوروز تکرار گردند.

طبیعت سخت و پر مشغله اندازه گیری هدایت روزنه ای، و مشخص سازی QTL های مربوطه،امکان بکارگیری MAS را فراهم می کند. در حقیقت، اندازه گیری صحیح هدایت روزنه ای در یک جمعیت نسبتا بزرگ گیاهی همراه با گزارش بی نقص ناپایداری در فاکتوریهای مهم محیطی موثر بر هدایت روزنه ای در طی روز (باد، اشعه خورشیدی، رطوبت و غیره) ، مشکل است. برخی مطالعات QTL های مرتبط به هدایت روزنه ای را گزارش کرده اند.

یک روش جذاب تر و جامع تر برای مونیتورینگ غیر مستقیم هدایت روزنه ای در طی یک دوره زمانی گسترده، بر پایه اندازه گیری ترکیب ایزوتوپ طبیعی اکسیژن (δ¹⁸O) دربرگ و مواد دانه است. در مقایسه با هدایت روزنه ای، اندازه گیری δ¹⁸Oدر مواد گیاهی، چهار امتیاز را پیشنهاد می کند: 1- اندازه گیری یکپارچه هدایت روزنه ای و دمای برگ در طی دوره ای که بافت تحت بررسی تشکیل شده بود 2- ممانعت از برخی مشکلات آزمایشگاهی خاص اندازه گیری هدایت روزنه ای 3- امکان جمع آوری تعداد زیادی نمونه 4- نیاز به نیروی کارگری بسیار کم در مزرعه. در مجموعه های تاریخی ارقام گندم سیمیت تست شده تحت شرایط آبیاری، δ¹⁸O برگ به شدت با هدایت روزنه ای همبسته بود((r = –0.93. در این مورد، عملکرد دانه نسبت بهδ¹³C  برگ (r = –0.71)، همبستگی بسیار قویتری با δ¹⁸O برگ (r = –0.90) داشت. اما، محققین اشاره می کنند که وقتی هدایت روزنه ای و عملکرد دانه به شدت همبسته نیستند، صحت استفاده از δ¹⁸O جهت پیشگویی میزان عملکرد، مورد تردید است.

 

تقلیل دمای کانوپی

 

تقلیل دمای کانوپی (CTD) بوسیله تصویربرداری دمایی، اندازه گیری شده و بیانگر تفاوت دمای میان سطح کانوپی و هوای اطراف است. تقلیل دمای کانوپی صفت بسیار جامعی است که از اثرات خصوصیات مختلف بیوشیمایی و مورفولوژیکی عمل کننده در روزنه ها، برگ و سطوح کانوپی حاصل می شود. در مزرعه تحت استرس خشکی، ژنوتیپ های با دمای کانوپی پایین تر، یا CTD بالاتر، از رطوبت موجود در خاک بمنظور اجتناب از تنش شدید، استفاده می کنند. ترمومتری اشعه مادون قرمز می تواند تفاوتهای جزئی در دمای برگ گیاه در شرایط مزرعه و شرایط کنترل شده را گزارش نماید. قابل توجه اینکه، جمع آوری داده ها سریع و غیر تخریبی بوده و بنابراین برای کاربرد گسترده، مناسب است.

 

CTD عمدتا در محیط های گرم و خشک بخصوص کشورهای با آب و هوای مدیترانه ای مفید است. اندازه گیریها باید ترجیحا بر روی گیاهان جدیدا آبیاری شده و در روزهای بدون باد،  بدون ابر (آسمان صاف)، و بدون فشار بخار آب زیاد انجام گیرد. تحت این شرایط، داده ها وقتی جمع آوری می شوند که کانوپی به میزان کافی گسترده شده تا خاک را بپوشاند، و CTD خواهد توانست پیشگوی مناسبی برای عملکرد دانه گندم باشد. در گندم نان، پیشرفت عملکرد مرتبط با کانوپی های خنک تر یافت شده است و بهره های ژنتیکی معنی دار عملکرد در واکنش به گزینش مستقیم برای CTD گزارش شده است. اخیرا، نشان داده شده که افزایش CTD بعنوان یک معیار گزینش در گلخانه گندم، بطور معنی داری شناسایی مواد با بالاترین عملکرد را بهبود بخشیده است. این نتایج در ارتباط با نتایج Olivares-Villegas et al (2007) هستند "دمای کانوپی، یک مکانیسم اجتناب از خشکی را نشان می دهد که در سرتاسر چرخه رشد بطور وسیعی بیان شده، و می تواند بعنوان معیار گزینش برای شناسایی ژنوتیپ های گندم با عملکرد بالا یا بعنوان پیشگوی مهم راندمان عملکرد تحت شرایط خشکی بکار گرفته شود".

 

قدرت و حساسیت عکس برداری دمایی برای شناسایی تغییرات در هدایت روزنه ای و شرایط آب برگ در طیفی از گونه های گیاهی (انگور، لوبیا و لوپین) در گلخانه یا شرایط کنترل شده محیطی مورد بررسی قرار گرفت. بخصوص، دماهای مطلق برگ و شاخصهای دمایی استرس گیاه را با هدایت روزنه ای و پتانسیل آب مقایسه کرده اند. تصویر برداری دمایی بطور موفقیت آمیزی میان تیمارهای آبی و خشکی گونه های مختلف تمایز قایل شد، همچنین میان شاخصهای دمایی و هدایت روزنه ای که با یک پرومتر برگی اندازه گیری شده بود، همبستگی های قوی وجود داشت. این نتایج، توجه به فاکتورهایی چون زاویه برگ را در هنگام تصویر برداری دمایی برای اندازه گیری غیر مستقیم میزان تنش، برجسته کرد. علاوه بر این، این نتایج برای طراحی پروتکلهایی برای استفاده در تولید محصول یا مونیتورینگ اکوسیستم، ارزشمند خواهند بود.

 

اسید آبسیزیک

 

یکی از فاکتورهای مهم تاثیر گذار بر دمای برگ، غلظت اسید آبسیزیک (ABA) در بافت برگ و در نهایت سلولهای محافظ است که از طریق تاثیر گذاری بر تعرق(بواسطه هدایت روزنه ای) عمل می کند. بنابراین، ABA جزء اساسی مکانیسمهای اجازه دهنده به گیاه برای همسان کردن تقاضای آب با عرضه آب و برا ی بهینه سازی رشد و بقا در پاسخ به ناپایداریهای محیطی روزانه و بلند مدت است. در حقیقت، افزایش غلظت ABA یک پاسخ عمومی مشاهده شده در گیاهان مورد هدف خشکی و سایر تنشهای غیر زنده است.

 

ABA بر بسیاری از خصوصیاتی که بر موازنه آب گیاه از طریق اجتناب از خشکی و تحمل به آن تاثیر گذارند، اثر می گذارد. در گیاهچه های ذرت هدف شرایط القایی کمبود آب، افزایش غلظت ABA، نسبت ریشه/ ساقه، یک تغییر انطباقی مفید برای افزایش جذب آب، را افزایش داد. همچنین مشاهده شد که همچنانکه خاک شروع به خشک شدن می کند،  ABAجذب آب بدرون ریشه ها را تسهیل می کند، بخصوص تحت شرایط عدم تعرق که مسیر آپوپلاستیک انتقال آب به میزان زیادی مسدود شده است. علاوه بر این، ABA بیان بسیاری از ژنهای کد کننده مواد محافظ سلول در برابر اثرات مضر خشکی، را کنترل می کند.

 

علیرغم اثرات مفید ذکر شده بر تعدادی از خصوصیات سازگاری به خشکی، ABA بعنوان فاکتوری که اثر منفی بر باروری جنسی و توسعه آندوسپرم در غلات دارد، مورد اشاره قرار گرفته است. در برنج، گزینش برای کاهش پیام رسانی ABA ریشه، بعنوان ابزاری برای بهره گیری بهتر از آب زیر خاک تحت شرایط کمبود ملایم یا زودگذر آب مورد نظر قرار گرفته است. حساسیت به ABA همچنین بواسطه تاثیر آن بر سازگاری گیاهان به خشکی، مورد توجه است. تنوع پذیری ژنتیکی برای حساسیت به ABA در ذرت گزارش شده است.گزینش گامتوفیتیی اعمال شده بواسطه اسپری کردن ابریشمهای ذرت پیش از گرده افشانی با محلولABA، تاثیرات معنی داری بر بنیه اولیه و دیگر خصوصیات زراعی داشته است.

 

به سبب در دسترس بودن آنتی بادیهای مونوکلونال اختصاصی ABA که امکان سنجش بهینه تعداد زیادی نمونه را فراهم می کنند، برخی آزمایشات به شناسایی QTL های مرتبط به غلظت ABA و آنالیز اثرات مرتبط با آن بر دیگر خصوصیات مرتبط با خشکی و عملکرد اختصاص یافته اند. این مطالعات، تصویر واحدی از نقش ABAدر تعیین عملکرد را ارائه نکرده اند، که به سبب بررسی گونه ها و بک گراندهای ژنتیکی مختلف، چندان غیر منتظره نیست. با این همه، ارزیابی یک مجموعه تاریخی از هیبریدهای ذرت آزاد شده در طی 60 سال گذشته، نشان دهنده کاهش معنی دار ظرفیت تجمع ABAدر پاسخ به اعمال میزان ثابتی تنش خشکی بوده، و متعاقبا همبستگی منفی میان ظرفیت تجمعABA در مرحله گیاهچه و عملکرد دانه مشاهده شده است.

 

تنظیم اسمزی

 

انجام یک فرایند متابولیک در شرایط تنش، مستلزم افزایش محسوس میزان محلولهای بین سلولی در پاسخ به کمبود آب است. همچنانکه رطوبت خاک کاهش می یابد، تنظیم اسمزی OA)) مدیریت تورم و بنابراین تمامی اعمال متابولیکی را برعهده می گیرد. لازم به ذکر است که  OAمی تواند تخمین های مربوط به مقادیر درصد رطوبت نسبی  را با اریب (خطا) مواجه سازد، همچنانکه در گندم و جو دیده شده است.

 

OA در حفظ میزان عملکرد در شرایط کمبود آب در گونه های کلزا، لوبیا، پنبه، برنج، سورگوم، ذرت، جو و گندم سهم داشته است. هنوز میزان OA بعنوان یک هدف گزینش مطلوب از نقطه نظر اصلاحی سئوال برانگیز است، چرا که ژنوتیپ های متحمل به خشکی بهره مند از ظرفیت بالاتر تنظیم اسمزی، محتمل است که بوسیله رشد کم و بنابراین تولید بیوماس کمتر، بواسطه نیازهای متابولیکی بیوسنتز اسمولیت، تحت این عنوان شناخته شوند. تحت شرایط خشکی شدید،  ظرفیت بالاتر برای تجمع اسمولیت ها ممکن است به مقاومت گیاهان در برابر خشکی طولانی مدت و  بهبودی کامل و سریعتر آنها کمک کند. اگرچه تفسیر روابط اسمزی در گیاهان مهندسی ژنیک شده، سخت و طاقت فرساست، آزمایشات ترنس فورماسیون، اطلاع در مورد مکانیسمهایی که گیاهان ممکن است بواسطه آنها از تغییر ظرفیت تجمع اسمولیت ها، سود ببرند را گسترش  داده اند. مشابه دیگر صفات سازگاری به خشکی، موازنه میان نیازمندیهای متابولیکیOA  و ثمرات بالقوه آن برای گیاه، بر اساس اجزای عملکرد گیاه و دینامیک ها و شدت دوره های خشکی متفاوت است.

 

غلظت کلروفیل، سبزمانی و به تاخیر افتادن پیری برگ

 

ظرفیت منبع پایدار، فاکتوری کلیدی برای بحداکثر رساندن پتانسیل عملکرد در حین فازهای رویشی و زایشی گیاه، بخصوص تحت شرایط محدودیت منبع (وقوع تنش) است. بنابراین، بابه تاخیر انداختن پیری برگ، تعرق را مدیریت کرده (کاهش داده) و انباشت کربوهیدرات در طی چرخه زندگی گیاه را افزایش می دهد. این استراتژی برای خاکهای با منابع آبی کافی مناسب است اما از طرف دیگر ممکن است سبب وقوع استرس شدید در اواخر فصل رشد به سبب افزایش تعرق (به سبب تاخیر در ریزش برگها و متعاقبا افزایش نیاز تنفسی گیاه) شود.

 

صفاتی که بدفعات برای تخمین غیر مستقیم پتانسیل فتوسنتزی مورد بررسی قرار گرفته اند شامل غلظت کلروفیل، سبز مانی و به تاخیر انداختن پیری برگ است که همگی بهم مرتبط هستند. در کمربند ذرت آمریکا، سبز مانی (زرد شدن دیر هنگام گیاه) بطور معنی داری بهبود یافته و در طی شش دهه اصلاح، بخصوص تحت شرایط مطلوب، بدون تغییر باقی مانده است. علاوه بر این، صفت سبز مانی در ذرت همبستگی نزدیکی با عملکرد دانه داشته و فواصل چندگانه QTL های سبز مانی با QTL های عملکرد همپوشانی داشته اند. اگرچه به نظر می رسد سبز مانی در ذرت به احتمال زیاد به استفاده از نیتروژن وابسته است، اما در سورگوم به شرایط آبی مطلوبتر بستگی دارد. در سورگوم، چهار QTL اصلی که سبز مانی و عملکرد دانه را کنترل می کنند شناسایی شده اند و لاینهای ایزوژنیک نزدیک برای این صفت استخراج شده اند، این امر فرصتی برای آنالیز دقیق فیزیولوژی سبزمانی و کلونینگ موضعی ژنهای درگیر آنرا فراهم کرده است.

 

انتقال کربوهیدراتهای قابل حل در آب

 

انتقال کربوهیدراتهای قابل حل در آب (WSC) از ساقه و برگ به دانه، می تواند تاثیرات منفی وقوع تنش پس از گرده افشانی را  بر پر شدن دانه تقلیل دهد. QTL های انتقال کربوهیدراتها در ساقه در گندم نان، گزارش شده اند. سه جمعیت مپینگ گندم برای دو صفت غلظت WSC-C) WSC) و میزان WSC-A) WSC) در هر واحد سطح فنوتایپینگ شدند. ژنوتیپ های با WSC-C بالا نسبت به ژنوتیپ های با WSC-C پایین، عموما کوتاهتر و با گلدهی زودتر بوده و پنجه های بطور معنی داری کوچکتر تولید می کردند. این امر در عملکردهای مشابه، سبب بیوماس نهایی کمتر و تعداد پایین تر دانه در هر متر مربع شد، در حالیکه در ژنوتیپ های با WSC-C بالا نسبت به ژنوتیپ های باWSC-C  کمتر، وزن خشک بیشتری به وزن دانه و مغز دانه اختصاص یافته بود. در مقابل، لاینهای با WSC-A بالا نسبت به لاین های با WSC-Aپایین، پنجه های بارور بیشتری تولید می کردند که مقادیر همسان یا بیشتر بیوماس، گرده افشانی و بلوغ، تعداد دانه و عملکرد، را علیرغم وزن یا اندازه مشابه مغز دانه، در پی داشت، بنابراین نقش مهمی برای  WSC-A  در تضمین عملکرد و اندازه دانه پایدار در گندم پیشنهاد شد.

 

مرور صورت گرفته بر صفات سازگار کننده به خشکی، نشان داد که تنوع پذیری ژنتیکی در تحمل به خشکی و WUE می تواند بمنظور بررسی برهمکنش طیف وسیعی از خصوصیات مورفوفیزیولوژیکی کمی و ژنتیکی، که اثرات آنها بر عملکرد می تواند بر مبنای سناریوی غالب خشکی و دیگر قیود عملکرد، از نظر مقدار و جهت بسیار متفاوت باشد، ردیابی شود. بنابراین، پذیرش صفات سازگارکننده به خشکی بعنوان معیارهای گزینش برای عملکرد باید به دقت بررسی شود و تنها پس از آگاهی کامل از فاکتورهای محدود کننده عملکرد در TPE میسر است. شناسایی QTL های مرتبط با چنین صفاتی و تفسیر روابط علت- معلولی به ما اجازه باز کردن این گره پیچیده را داده و در نهایت آنرا بمنظور دست ورزی موثرتر و مستقیم تر برای اهداف اصلاحی مناسب می سازد. در هر دو مورد، داده های مطلوب فنوتیپی برای موفقیت لازم هستند.

 

مطلب حاضر، ترجمه بخشی از فصل اول کتاب زیر(منتشره درسال 2010) می باشد:

 

"" Drought phenotyping in crops: from theory to practice

 

 

 

 

 نویسندگان این کتاب Philippe Monneveux  وJean-Marcel Ribautمی باشند. جهت دانلود این فصل کتاب (به همراه منابع مورد استفاده درتالیف آن) به حجم 298 کیلوبایت بر روی لینک زیر کلیک فرمایید:

 

http://s3.picofile.com/file/7441322468/I_1_Key_concepts.pdf.html

 

جهت دانلود فهرست کامل مطالب این کتاب، بر روی لینک زیر کلیک فرمایید:

http://www.generationcp.org/component/docman/doc_download/239-drought-phenotyping-in-crops-from-theory-to-practice?Itemid=24