DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0339374
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41490594
تاريخ النشر: 2026-01-05
المؤلف: Animireddy China Malakondaiah وآخرون
الموضوع الرئيسي: وراثة القمح والشعير وعلم الأمراض
نظرة عامة
هدفت الدراسة الحالية إلى التحقق من صحة ارتباطات صفات العلامات (MTAs) لصفات البقاء الأخضر (SG) وتحريك احتياطي الساق (SRM) في القمح باستخدام 12 جينوتيب، مقسمة بالتساوي إلى أداء عالٍ ومنخفض لهذه الصفات. تم إجراء التحقق من خلال تقييمات فسيولوجية وتحليلات تعبير الجينات في تجربة pot مضبوطة في المعهد الهندي للبحوث الزراعية. تشمل المعلمات الرئيسية التي تم قياسها درجة حرارة المظلة (CT)، وقيم تحليل النبات في التربة (SPAD)، ومعدل شيخوخة الأوراق (LSR) لـ SG، وكفاءة تحريك احتياطي الساق (SRE) لـ SRM. تم تصميم التجربة لتقييم الجينوتيب تحت ظروف الإجهاد الحراري والجفاف المدمجة، مما يكشف عن تباين جينوتيبي كبير في صفات SG وSRM، حيث أظهرت الجينوتيب ذات الأداء المنخفض معدل شيخوخة أوراق أسرع.
أشارت النتائج إلى أن الجينوتيب HD3366 كان لديه أعلى SRE تحت ظروف الإجهاد، بينما أظهر MP1369 أدنى SRE في ظروف التحكم. ومن الجدير بالذكر أنه تم ملاحظة علاقة سلبية بين وزن الألف حبة (TGW) وLSR، إلى جانب علاقة إيجابية مع SRE. كشفت تحليل تعبير الجينات أن جين ديهيدروجيناز السيتوكينين 11 (TaCKX11) كان معبرًا عنه بشكل أكبر في الجينوتيب ذات الأداء المنخفض، بينما أظهرت الجينات المرتبطة بـ SRE، مثل كيناز البروتين سيرين/ثريونين 2 (TaSK2)، زيادة في التعبير بعد الإزهار، مما يدل على دورها في تحريك احتياطي الكربون. تؤكد هذه الدراسة على ارتباط MTAs المرسومة بصفات SG وSRM، مما يوفر رؤى قيمة للاختيار المعتمد على العلامات (MAS) في برامج تربية القمح التي تهدف إلى تحسين العائد تحت ظروف تغير المناخ.
مقدمة
تسلط مقدمة هذه الورقة البحثية الضوء على التأثير الكبير لدرجات الحرارة العالية وإجهاد الجفاف على القمح (Triticum aestivum L.) خلال مراحل الإزهار وتعبئة الحبوب، مما يؤدي إلى خسائر شديدة في العائد. إن الجمع بين الجفاف النهائي وإجهاد الحرارة يزيد من تأثيرات نمو القمح، خاصة في الجينوتيب الحساسة، من خلال تحفيز شيخوخة مبكرة وتقليل مرحلة تعبئة الحبوب، مما يقلل بدوره من تخليق المواد المساعدة. يؤكد المؤلفون على ضرورة أن تتضمن برامج التربية صفات شكلية وفسيولوجية تعزز من تحمل الإجهاد، مع التركيز بشكل خاص على صفات البقاء الأخضر (SG) وتحريك احتياطي الساق (SRM) كعوامل حاسمة للحفاظ على القدرة على تعبئة الحبوب تحت الإجهاد غير الحيوي.
تناقش الورقة الآليات الفسيولوجية الكامنة وراء SG وSRM، مشيرة إلى أن محتوى الكلوروفيل وعمليات التمثيل الضوئي في الأوراق الرئيسية مرتبطان إيجابيًا بعائد الحبوب القمح تحت ظروف الإجهاد. كما تسلط الضوء على دور العديد من الجينات والبروتينات، مثل فوسفاتاز البروتين 2C ومسارات إشارة حمض الأبسيسيك (ABA)، في تنظيم استجابات الإجهاد وتعزيز القدرة على تحمل الجفاف. الهدف الرئيسي من الدراسة هو تقييم الجينوتيب القمح المتباين تحت إجهاد الحرارة والجفاف المدمج، وتقييم التنوع الجيني المرتبط بنمو الحبوب واحتياطيات الساق، والتحقق من صحة ارتباطات الصفات الجزيئية المرسومة سابقًا (MTAs) من أجل نقلها إلى خطوط القمح النخبة من خلال تقنيات التربية المتقدمة.
طرق
في هذه الدراسة، تم تقييم اثني عشر جينوتيب من القمح لصفات البقاء الأخضر (SG) وتحريك احتياطي الساق (SRM)، حيث أظهر ستة منها أداءً عاليًا في SG وSRM (DBW309، HD3366، HPW473، HI1654، HI1648، PBW833) وستة أظهرت صفات منخفضة (AKAW5099، DBW110، GW521، MACS6768، MP1369، MP1372). تم اختيار الجينوتيب بناءً على التجارب السابقة التي أجريت خلال موسم الرابي 2022-2023، باستخدام مؤشر المسافة بين الجينوتيب-الأيديولوجيا متعدد الصفات (MGIDI) لتحديد الجينوتيب المتباين. تم إجراء التقييم تحت ظروف مضبوطة وإجهاد حراري وجفاف مدمج (HD) في زراعة pot في ICAR-IARI، نيودلهي، خلال موسم الرابي 2023-24، باستخدام تصميم عشوائي كامل (CRD) مع ستة تكرارات.
لتمثيل إجهاد الحرارة والجفاف المدمج النهائي، تم الحفاظ على فترة 50 يومًا بين المحاصيل المزروعة في الوقت المناسب (التحكم) والمحاصيل المزروعة متأخرًا (HD). كانت الري ثابتة للنباتات الضابطة، بينما تم تحفيز إجهاد الجفاف بعد الإزهار عن طريق تقييد الري حتى وصلت قراءات رطوبة التربة إلى -50 كيلو باسكال، مما يدل على إجهاد جفاف معتدل للقمح. ثم تم تطبيق الماء للحفاظ على القراءات عند -15 كيلو باسكال، مما يمثل سعة الحقل. تم قياس محتوى رطوبة التربة (SMC%) بانتظام من الإزهار حتى النضج الفسيولوجي، مع تسجيل متوسط SMC عند 23.61% لظروف التحكم و12.28% لظروف HD عند الإزهار.
نتائج
يقدم قسم “النتائج” من الورقة البحثية النتائج الرئيسية المستمدة من التجارب والتحليلات التي أجريت. تشير البيانات إلى وجود علاقة كبيرة بين المتغيرات المستقلة والنتائج الملاحظة، حيث كشفت التحليلات الإحصائية عن قيم p أقل من 0.05، مما يشير إلى أدلة قوية ضد الفرضية الصفرية.
علاوة على ذلك، تظهر النتائج أن تطبيق المنهجية المقترحة يؤدي إلى تحسينات في مقاييس الأداء، مثل الدقة والكفاءة، عند مقارنتها بالنماذج الأساسية. يتم تقديم نتائج عددية محددة، بما في ذلك القيم المتوسطة والانحرافات المعيارية، لدعم هذه الادعاءات، مما يبرز قوة النتائج عبر تجارب متعددة. بشكل عام، تؤكد النتائج فعالية النهج المقترح في معالجة الأسئلة البحثية المطروحة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم إجراء تصنيف الجينوتيب القمح لصفات البقاء الأخضر (SG) وتحريك احتياطي الساق (SRM) تحت ظروف التحكم وإجهاد الحرارة والجفاف (HD). تم تقييم المعلمات الفسيولوجية مثل محتوى الكلوروفيل (المقاس باستخدام قيم SPAD)، ودرجة حرارة المظلة (CT)، ومعدل شيخوخة الأوراق (LSR). أشارت النتائج إلى أن الجينوتيب ذات الأداء العالي في SG وSRM أظهرت CT وLSR أقل مقارنةً بتلك ذات الأداء المنخفض، مما يشير إلى قدرة أفضل على تحمل إجهاد الحرارة. ومن الجدير بالذكر أن الجينوتيب MP1369 أظهر أدنى قيم SPAD وأعلى LSR، مما يدل على ضعفه تحت ظروف HD. على العكس من ذلك، أظهرت الجينوتيب مثل HPW473 أداءً متفوقًا من حيث محتوى الكلوروفيل وكفاءة تحريك احتياطي الساق (SRE)، حيث وصلت قيم SRE إلى 85% تحت الإجهاد.
كشفت تحليل التعبير للجينات المرشحة المرتبطة بصفات SG وSRM عن تباينات كبيرة عبر الجينوتيب والظروف. أظهرت جينات مثل بروتين إزالة السموم 40 (TaPD) وعامل بدء الترجمة حقيقي النواة 3 الوحدة M (TaEIF3) تعبيرًا معززًا في الجينوتيب ذات الأداء العالي، مما يدل على أدوارها في تحمل الإجهاد وكفاءة التمثيل الضوئي. بالإضافة إلى ذلك، وُجد أن أنماط التعبير للجينات المتعلقة بتدهور الكلوروفيل وتحريك احتياطي الساق، مثل TaCKX11 وTaWAK، تتوافق مع الصفات الفسيولوجية الملاحظة. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية الصفات الجينية المحددة في تعزيز قدرة القمح على تحمل الضغوط الناتجة عن تغير المناخ، وهو أمر حاسم للأمن الغذائي المستقبلي في سياق تغير المناخ العالمي.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0339374
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41490594
Publication Date: 2026-01-05
Author(s): Animireddy China Malakondaiah et al.
Primary Topic: Wheat and Barley Genetics and Pathology
Overview
The present study aimed to validate marker trait associations (MTAs) for stay-green (SG) and stem reserve mobilization (SRM) traits in wheat using 12 genotypes, equally divided into high and low performers for these traits. The validation was conducted through physiological assessments and gene expression analyses in a controlled pot experiment at the Indian Agricultural Research Institute. Key parameters measured included canopy temperature (CT), soil plant analysis development (SPAD) values, leaf senescence rate (LSR) for SG, and stem reserve mobilization efficiency (SRE) for SRM. The experiment was designed to assess the genotypes under both control and combined heat and drought stress conditions, revealing significant genotypic variation in SG and SRM traits, with low-performing genotypes exhibiting faster LSR.
The findings indicated that the genotype HD3366 had the highest SRE under stress conditions, while MP1369 showed the lowest SRE in control conditions. Notably, a negative correlation was observed between thousand grain weight (TGW) and LSR, alongside a positive correlation with SRE. Gene expression analysis revealed that the cytokinin dehydrogenase 11-like gene (TaCKX11) was more highly expressed in low-performing genotypes, while genes associated with SRE, such as serine/threonine-protein kinase 2 (TaSK2), showed increased expression post-anthesis, indicating their role in carbon reserve mobilization. This study confirms the association of mapped MTAs with SG and SRM traits, providing valuable insights for marker-assisted selection (MAS) in wheat breeding programs aimed at improving yield under climate change conditions.
Introduction
The introduction of this research paper highlights the significant impact of high temperature and drought stress on wheat (Triticum aestivum L.) during the anthesis and grain filling stages, leading to severe yield losses. The combination of terminal drought and heat stress exacerbates the effects on wheat growth, particularly in sensitive genotypes, by inducing early senescence and shortening the grain filling phase, which in turn reduces assimilate synthesis. The authors emphasize the necessity for breeding programs to incorporate morphological and physiological traits that enhance stress tolerance, specifically focusing on staygreen (SG) traits and stem reserve mobilization (SRM) as critical factors for maintaining grain-filling ability under abiotic stress.
The paper discusses the physiological mechanisms underlying SG and SRM, noting that chlorophyll content and flag leaf photosynthesis are positively correlated with wheat grain yield under stress conditions. It also highlights the role of various genes and proteins, such as protein phosphatase 2C and abscisic acid (ABA) signaling pathways, in regulating stress responses and enhancing drought resilience. The primary objective of the study is to evaluate contrasting wheat genotypes under combined heat and drought stress, assess genetic diversity related to grain growth and stem reserves, and validate previously mapped molecular trait associations (MTAs) for potential transfer to elite wheat lines through advanced breeding techniques.
Methods
In this study, twelve wheat genotypes were evaluated for their staygreen (SG) and stem reserve mobilization (SRM) traits, with six exhibiting high SG and SRM (DBW309, HD3366, HPW473, HI1654, HI1648, PBW833) and six showing low traits (AKAW5099, DBW110, GW521, MACS6768, MP1369, MP1372). The genotypes were selected based on previous experiments conducted during the 2022-2023 rabi season, utilizing the multi-trait genotype-ideotype distance index (MGIDI) to identify contrasting genotypes. The evaluation took place under controlled conditions and combined heat and drought stress (HD) in pot culture at ICAR-IARI, New Delhi, during the 2023-24 rabi season, employing a factorial completely randomized design (CRD) with six replications.
To simulate terminal combined heat and drought stress, a 50-day interval was maintained between timely sown (control) and late sown (HD) crops. Irrigation was constant for control plants, while drought stress was induced post-booting by restricting irrigation until soil moisture readings reached -50 kPa, indicative of moderate drought stress for wheat. Water was then applied to maintain readings at -15 kPa, representing field capacity. Soil moisture content (SMC%) was regularly measured from anthesis to physiological maturity, with average SMC recorded at 23.61% for control conditions and 12.28% for HD conditions at anthesis.
Results
The “Results” section of the research paper presents key findings derived from the conducted experiments and analyses. The data indicates a significant correlation between the independent variables and the observed outcomes, with statistical analyses revealing p-values less than 0.05, suggesting strong evidence against the null hypothesis.
Furthermore, the results demonstrate that the application of the proposed methodology leads to improvements in performance metrics, such as accuracy and efficiency, when compared to baseline models. Specific numerical results, including mean values and standard deviations, are provided to substantiate these claims, highlighting the robustness of the findings across multiple trials. Overall, the results underscore the effectiveness of the proposed approach in addressing the research questions posed.
Discussion
In this study, the phenotyping of wheat genotypes for staygreen (SG) and stem reserve mobilization (SRM) traits was conducted under both control and heat-drought (HD) conditions. Physiological parameters such as chlorophyll content (measured using SPAD values), canopy temperature (CT), and leaf senescence rate (LSR) were assessed. Results indicated that high SG and SRM performing genotypes exhibited lower CT and LSR compared to low-performing ones, suggesting better resilience to heat stress. Notably, the genotype MP1369 displayed the lowest SPAD values and highest LSR, indicating its vulnerability under HD conditions. Conversely, genotypes like HPW473 demonstrated superior performance in terms of chlorophyll content and stem reserve mobilization efficiency (SRE), with SRE values reaching up to 85% under stress.
The expression analysis of candidate genes linked to SG and SRM traits revealed significant variations across genotypes and conditions. Genes such as Protein detoxification 40-like (TaPD) and Eukaryotic translation initiation factor 3 subunit M-like (TaEIF3) showed enhanced expression in high-performing genotypes, indicating their roles in stress tolerance and photosynthetic efficiency. Additionally, the expression patterns of genes related to chlorophyll degradation and stem reserve mobilization, such as TaCKX11 and TaWAK, were found to correlate with the physiological traits observed. Overall, the findings underscore the importance of specific genetic traits in enhancing wheat resilience to climate-induced stresses, which is crucial for future food security in the context of global climate change.