DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0339252
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41739844
تاريخ النشر: 2026-02-25
المؤلف: Manje Gowda وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الوراثة وتربية النباتات
نظرة عامة
تقييمت هذه الدراسة بشكل منهجي أداء وقدرة دمج هجن الذرة لتحسين المقاومة لمرض نخر الذرة القاتل (MLN)، وتحمل الجفاف، وإنتاجية الحبوب (GY) في شرق وجنوب إفريقيا. تم عبور 38 خطًا من خطوط الذرة الهجينة المبكرة إلى المتوسطة النضج، والتي شملت أنماطًا جينية مقاومة لـ MLN وعالية الإنتاجية، مع 29 مختبرًا من الهجن المفردة لإنتاج 437 هجين اختبار. تم تقييم هذه الهجن تحت إدارة تلقيح MLN، وضغط الجفاف، والظروف المثلى عبر مواقع مختلفة. أشارت النتائج إلى وجود تباين مستمر في GY، وشدة المرض، والخصائص الزراعية، مما يؤكد الوراثة الكمية لهذه الخصائص. وُجدت علاقات إيجابية قوية بين GY وآذان لكل نبات، بينما كانت هناك علاقات سلبية بين شدة MLN والعائد.
أظهرت تحليلات التباين تفاعلات جينية وبيئية كبيرة، مع تأثيرات إضافية كانت سائدة (نسب بيكر تتراوح من 0.85 إلى 0.99 ووراثة بين 0.69 و0.88)، مما يدعم الاختيار الفعال بناءً على القدرة العامة على الدمج (GCA). ومن الجدير بالذكر أن الهجن المتفوقة المقاومة لـ MLN، مثل (CKLMARSI0037/CKLTI0139)//CKDHL120312، حققت عوائد تصل إلى 5.75 طن هكتار⁻¹ تحت ظروف MLN، متفوقة بشكل كبير على الفحوصات التجارية. كما سلطت الدراسة الضوء على أهمية تأثيرات القدرة الخاصة على الدمج (SCA)، خاصة تحت ظروف الجفاف، مما يشير إلى ضرورة اختيار الآباء المستهدفين. حددت تحليلات GCA الآباء المفضلين عبر بيئات مختلفة، بينما أكدت مخططات GGE الثنائية فعالية تمييز المختبرين. بشكل عام، تشير النتائج إلى أنه من الممكن دمج مقاومة MLN، وتحمل الجفاف، والعائد العالي دون المساس بخصائص زراعية أخرى، مما يوفر إطارًا قويًا لتطوير هجن الذرة المقاومة في إفريقيا جنوب الصحراء الكبرى.
مقدمة
تسلط مقدمة ورقة البحث الضوء على الدور الحاسم للذرة (Zea mays L.) في إفريقيا جنوب الصحراء الكبرى (SSA)، حيث تعتبر المحصول الحبوب الرئيسي، المزروعة على أكثر من 40 مليون هكتار وتساهم بشكل كبير في المدخول اليومي من السعرات الحرارية. على الرغم من أهميتها، تظل العوائد المتوسطة منخفضة، ويرجع ذلك أساسًا إلى التحديات مثل الجفاف والضغوط الحيوية، ولا سيما مرض نخر الذرة القاتل (MLN) الناتج عن العدوى الفيروسية المشتركة. تؤكد الورقة على الحاجة الملحة لتطوير هجن ذرة تتحمل الجفاف للتخفيف من خسائر العائد، التي يمكن أن تصل إلى 90% تحت ظروف الجفاف الشديدة. حقق المركز الدولي لتحسين الذرة والقمح (CIMMYT) وأنظمة البحث الزراعي الوطنية (NARS) تقدمًا في تربية هجن الذرة المقاومة لعدة ضغوط، محققين مكاسب وراثية في إنتاجية الحبوب تحت ظروف الجفاف المدارة والعشوائية.
تهدف الدراسة إلى تقييم الأداء الوراثي لخطوط الذرة الهجينة الاستوائية الجديدة وتقييم هجنها تحت ظروف متنوعة، بما في ذلك MLN، والجفاف المدارة، والبيئات المثلى. باستخدام تصميم تزاوج خط × مختبر، تسعى الدراسة إلى تقييم إنتاجية الحبوب والأداء الزراعي، وتقدير تأثيرات القدرة العامة والخاصة على الدمج، وتحديد الهجن المتفوقة، واختيار مختبرين فعالين لتصنيف الخطوط الهجينة بناءً على مقاومة MLN والأداء العام. من المتوقع أن توفر النتائج رؤى قيمة حول الإمكانات الوراثية لهذه الخطوط الهجينة، مما يدعم في النهاية تطوير هجن ذرة عالية الإنتاجية ومقاومة لعدة ضغوط مصممة لأنظمة الإنتاج الصغيرة في SSA.
طرق
قيمت الدراسة 437 هجين اختبار إلى جانب سبعة هجن تجارية وثلاثة فحوصات جينية داخلية لمرونتها أمام عدة ضغوط، وخاصة مرض نخر الذرة القاتل (MLN) والجفاف. أجريت التجارب في مواقع مختلفة في كينيا وتنزانيا، واستخدمت تصميم شبكة α مع نسختين، تضمنت تلقيحًا صناعيًا لفيروسات MLN وظروف جفاف مدارة. تم توقيت التجارب واستراتيجيتها بشكل استراتيجي لتحسين ظروف النمو، حيث تم زراعة التجارب المثلى بين أبريل وأكتوبر وبدأت تجارب الجفاف المدارة لاحقًا لضمان فترة جفاف خلال مراحل النمو الحرجة.
تم استخدام ممارسات زراعية قياسية، بما في ذلك تطبيق الأسمدة (60 كجم ن هكتار⁻¹ و60 كجم P₂O₅ هكتار⁻¹) وإدارة الأعشاب للحفاظ على سلامة الحقل. كان تصميم الدراسة يهدف إلى تقييم أداء الهجن تحت ظروف الري والمطر، مع اهتمام خاص بفرض ضغط المياه قبل الإزهار لمحاكاة ظروف الجفاف بشكل فعال. من المتوقع أن تسهم النتائج من هذا التقييم الشامل بشكل كبير في تطوير هجن الذرة المقاومة للضغوط المناسبة للمنطقة.
نتائج
في هذه الدراسة، تم تقييم ما مجموعه 38 خطًا هجينًا و29 مختبرًا من الهجن المفردة، تمثل مجموعتين رئيسيتين من الهجن (HG A وHG B). تم اختيار الخطوط الهجينة لأصولها المتنوعة، بما في ذلك الأنماط الجينية التي تظهر تحملًا لمرض نخر الذرة القاتل (MLN)، والجفاف، ومقاومة الحشرات، المستمدة من خطوط CIMMYT المزدوجة الهجينة وأنظمة التربية MARS. أظهرت خطوط بارزة مثل CKDHL120312، CKDHL120918، وCML494 تحملًا لكل من MLN وفيروس خط الذرة (MSV)، بينما تم تصنيف أخرى مثل CKDHL140475، CKDHL140700، وCKDHL142806 على أنها عالية الإنتاجية ومقاومة للجفاف.
تكونت المختبرات من هجن مفردة نخبويّة دمجت بين تحمل MLN وخلفيات هجرية مكملة، بما في ذلك تركيبات مثل CKDHL120918/CKLTI0138 وCKLMARSI0037/CKLTI0139. تم التعرف على هذه المختبرات سابقًا لاستقرار عائدها ومقاومتها لمختلف الأمراض. كانت التنوع الوراثي الممثل من قبل هذه القاعدة الجينية ضرورية في تقدير قدرات الدمج وتحديد تركيبات هجن واعدة عبر بيئات متعددة من الضغوط، مما يعزز الإمكانية لتطوير أصناف ذرة مقاومة.
مناقشة
في هذه الدراسة، تم تقييم 38 خطًا هجينًا من الذرة تم تطويره بواسطة CIMMYT لمقاومتها لمرض نخر الذرة القاتل (MLN) وغيرها من الخصائص الزراعية عبر بيئات متعددة. تضمنت البحث عبور هذه الخطوط الهجينة مع 29 مختبرًا من الهجن المفردة لإنشاء 437 هجين اختبار، والتي خضعت لفحص صارم لمقاومة MLN باستخدام بروتوكول تلقيح موحد. تم أيضًا تقييم الهجن لمرض بقعة الورقة الرمادية (GLS) ومرض تعفن ورقة التورسيكوم (TLB) تحت ضغط المرض الطبيعي. أشارت النتائج إلى وجود تباين وراثي كبير بين الهجن، مع علاقات إيجابية قوية بين إنتاجية الحبوب (GY) وآذان لكل نبات (EPP)، وعلاقات سلبية بين شدة MLN وGY، مما يبرز تأثير MLN على إمكانيات العائد.
كشفت التحليلات الإحصائية عن تباين وراثي إضافي كبير لخصائص GY وشدة المرض، مع تقديرات وراثية تشير إلى إمكانات عالية للاختيار. من الجدير بالذكر أن أفضل الهجن أداءً تحت ضغط MLN حققت عوائد تصل إلى 5.75 طن هكتار⁻¹، متفوقة بشكل كبير على الفحوصات التجارية. كما حددت الدراسة خطوطًا رئيسية، مثل CKDHL120312، التي أظهرت قدرة عامة قوية على الدمج (GCA) لكل من العائد ومقاومة MLN، مما يجعلها قيمة لبرامج التربية. تؤكد النتائج على أهمية التنوع الوراثي وتأثيرات القدرة الخاصة على الدمج (SCA) في تطوير هجن الذرة التي يمكن أن تتحمل الضغوط الحيوية مع الحفاظ على إمكانات العائد العالية عبر ظروف بيئية متنوعة.
DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0339252
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/41739844
Publication Date: 2026-02-25
Author(s): Manje Gowda et al.
Primary Topic: Genetics and Plant Breeding
Overview
This research systematically evaluated the performance and combining ability of maize hybrids to improve resistance to maize lethal necrosis (MLN), drought tolerance, and grain yield (GY) in eastern and southern Africa. A total of 38 early-to intermediate-maturing maize inbred lines, which included MLN-tolerant and high-yielding genotypes, were crossed with 29 single-cross testers to produce 437 testcross hybrids. These hybrids were assessed under managed MLN inoculation, drought stress, and optimal conditions across various locations. The results indicated continuous variation in GY, disease severity, and agronomic traits, confirming the quantitative inheritance of these traits. Strong positive correlations were found between GY and ears per plant, while negative correlations existed between MLN severity and yield.
Variance analyses demonstrated significant genotypic and genotype × environment interactions, with additive effects being predominant (Baker’s ratios ranging from 0.85 to 0.99 and heritability between 0.69 and 0.88), which supports effective selection based on general combining ability (GCA). Notably, superior MLN-tolerant hybrids, such as (CKLMARSI0037/CKLTI0139)//CKDHL120312, achieved yields of up to 5.75 t ha⁻¹ under MLN conditions, significantly outperforming commercial checks. The study also highlighted the importance of specific combining ability (SCA) effects, particularly under drought conditions, indicating the necessity for targeted parental selection. GCA analyses identified favorable parents across different environments, while GGE biplots confirmed the effectiveness of tester discrimination. Overall, the findings suggest that it is feasible to integrate MLN resistance, drought tolerance, and high yield without compromising other agronomic traits, providing a solid framework for developing resilient maize hybrids in sub-Saharan Africa.
Introduction
The introduction of the research paper highlights the critical role of maize (Zea mays L.) in sub-Saharan Africa (SSA), where it is the primary cereal crop, cultivated over 40 million hectares and contributing significantly to daily caloric intake. Despite its importance, average yields remain low, primarily due to challenges such as drought and biotic stresses, notably Maize Lethal Necrosis (MLN) caused by viral co-infection. The paper underscores the urgent need for the development of drought-tolerant maize hybrids to mitigate yield losses, which can reach up to 90% under severe drought conditions. The International Maize and Wheat Improvement Center (CIMMYT) and National Agricultural Research Systems (NARS) have made strides in breeding multiple stress-tolerant maize hybrids, achieving genetic gains in grain yield under both managed and random drought conditions.
The study aims to evaluate the genetic performance of newly developed tropical maize inbred lines and their testcross hybrids under varying conditions, including MLN, managed drought, and optimal environments. Utilizing a line × tester mating design, the research seeks to assess grain yield and agronomic performance, estimate general and specific combining ability effects, identify superior hybrids, and select effective testers for classifying inbred lines based on MLN resistance and overall performance. The findings are expected to provide valuable insights into the genetic potential of these inbred lines, ultimately supporting the development of high-yielding, multi-stress-resilient maize hybrids tailored for smallholder production systems in SSA.
Methods
The study evaluated 437 testcross hybrids alongside seven commercial hybrids and three internal genetic checks for their resilience to multiple stresses, particularly Maize Lethal Necrosis (MLN) and drought. Conducted in various locations in Kenya and Tanzania, the experiments utilized an α-lattice design with two replicates, incorporating artificial inoculation of MLN viruses and managed drought conditions. The trials were strategically timed and located to optimize growth conditions, with optimal trials planted between April and October and managed drought trials initiated later to ensure a dry period during critical growth stages.
Standard agronomic practices were employed, including the application of fertilizers (60 kg N ha⁻¹ and 60 kg P₂O₅ ha⁻¹) and weed management to maintain field integrity. The study’s design aimed to assess the performance of hybrids under both irrigated and rainfed conditions, with specific attention to the imposition of water stress prior to flowering to simulate drought conditions effectively. The findings from this comprehensive evaluation are expected to contribute significantly to the development of stress-resilient maize hybrids suitable for the region.
Results
In this study, a total of 38 inbred lines and 29 single-cross testers were evaluated, representing two major heterotic groups (HG A and HG B). The inbred lines were selected for their diverse origins, including genotypes that exhibit tolerance to maize lethal necrosis (MLN), drought, and insect resistance, sourced from CIMMYT’s doubled haploid and MARS breeding pipelines. Notable lines such as CKDHL120312, CKDHL120918, and CML494 demonstrated tolerance to both MLN and maize streak virus (MSV), while others like CKDHL140475, CKDHL140700, and CKDHL142806 were characterized as high-yielding and drought-tolerant.
The testers comprised elite single crosses that integrated MLN tolerance with complementary heterotic backgrounds, including combinations like CKDHL120918/CKLTI0138 and CKLMARSI0037/CKLTI0139. These testers were previously recognized for their yield stability and resistance to various diseases. The genetic diversity represented by this germplasm base was instrumental in estimating combining abilities and identifying promising hybrid combinations across multiple stress environments, thereby enhancing the potential for developing resilient maize varieties.
Discussion
In this study, 38 maize inbred lines developed by CIMMYT were evaluated for their resistance to Maize Lethal Necrosis (MLN) and other agronomic traits across multiple environments. The research involved crossing these inbred lines with 29 single-cross testers to create 437 testcross hybrids, which were subjected to rigorous screening for MLN resistance using a standardized inoculation protocol. The hybrids were also assessed for gray leaf spot (GLS) and turcicum leaf blight (TLB) under natural disease pressure. The results indicated significant genetic variability among the hybrids, with strong positive correlations between grain yield (GY) and ears per plant (EPP), and negative correlations between MLN severity and GY, highlighting the impact of MLN on yield potential.
Statistical analyses revealed substantial additive genetic variance for GY and disease severity traits, with heritability estimates indicating a high potential for selection. Notably, the best-performing hybrids under MLN stress achieved yields of up to 5.75 t ha⁻¹, significantly outperforming commercial checks. The study also identified key lines, such as CKDHL120312, which exhibited strong general combining ability (GCA) for both yield and MLN resistance, making them valuable for breeding programs. The findings underscore the importance of genetic diversity and specific combining ability (SCA) effects in developing maize hybrids that can withstand biotic stresses while maintaining high yield potential across varying environmental conditions.