Evaluation of Rapeseed Genotypes Using Heat Stress Tolerance Indices in Ahvaz Weather Conditions

. مقدمه

کلزا (Brassica napus L.) یکی از مهم‌ترین گیاهان روغنی با کیفیت روغن بسیار بالا می‌باشد که طی هزاران سال از این گیاه جهت استحصال روغن استفاده می‌شود (Wu et al., 2018). میزان تولید جهانی کلزا با سطح زیر کشت 7/34 میلیون هکتار و با متوسط عملکرد دانه 1979 کیلوگرم در هکتار به­طور تقریبی 2/76 میلیون تن تولید بوده که نشان­دهنده جایگاه مناسب آن نسبت به سایر گیاهان روغنی می‌باشد (2017-FAO). بر اساس آمارنامه کشاورزی سال 1400-1399 وزارت جهاد کشاورزی، استان خوزستان با سطح زیر کشت 65.632 هکتار و با متوسط تولید 123.757 تن در شرایط آبی و دیم، یکی از استان‌های اصلی تولید­کننده کلزا در کشور است. یکی از محدودیت‌های تولید این گیاه در مناطق خشک و نیمه­خشک که یک­سوم کل اراضی دنیا را شامل می‌شوند و کشور ایران نیز جزئی از این مناطق می‌باشد، تنش گرما به­ویژه تنش گرمای آخر فصل رشد است. هنگامی­که یک تنش غیر زنده در طول مراحل تولید مثل رخ می‌دهد، می‌تواند بهره‌وری محصول را به­شدت کاهش دهد (Barnabas et al., 2008). در­همین­حال، گیاهان می‌توانند از طریق انعطاف‌پذیری در متابولیسم سلولی و سازگاری‌های فیزیولوژیکی بر انواع تنش‌های غیر زیستی غلبه کنند (Zhang et al., 2015). استرس گرمایی باعث القای تغییراتی در فتوسنتز و سایر مسیرهای متابولیکی شده و منجر به کاهش دریافت تجمعی تابش خورشید و جذب کربن در طول چرخه زندگی گیاه می‌شود. علاوه­بر­این ممکن است باعث آسیب اکسیداتیو قابل توجهی در ساختار سلولی و کاهش کارایی متابولیکی گیاه به­دلیل تولید بیش از حد رادیکال‌های آزاد در گیاهان تحت تنش و کاهش فعالیت آنزیم‌های آنتی­اکسیدانی شود
 (Reddy et al., 2004; Sharma et al., 2008).

کلزا گیاه سازگار با مناطق سرد است (Ma et al., 2016) و در استان خوزستان مشابه بسیاری از مناطق گرم دیگر، تنش گرمای انتهای فصل رشد یکی از پارامترهای مهم کاهنده عملکرد در این گیاه به حساب می‌آید؛ زیرا در این مناطق در فصل پاییز و زمستان گیاه دوره رشدی مناسبی را طی می‌کند؛ اما با افزایش ناگهانی دما در ماه‌های اسفند و فروردین، مراحل حساس رشد این گیاه مانند گلدهی، تشکیل خورجین و پرشدن دانه با دمای بالا مصادف شده و مواجهه با این قبیل تنش‌ها به­دلیل افزایش سرعت رسیدگی فیزیولوژیک، منجر به کوتاه­شدن دوره پرشدن دانه و در نهایت کاهش عملکرد می‌شود (Jan et al., 2017). با­توجه­به نتایج آزمایش­های پیشین تاریخ کشت آبان­ماه مناسب برای کشت کلزا در استان خوزستان پیشنهاد شده است (KalantarAhmadi et al., 2014). دمای بالای ناشی از کاشت دیرهنگام با تسریع در روند پیری برگ باعث کاهش سطح سبز برگ در طول مراحل زایشی و در نتیجه کاهش عملکرد کلزا می‌شود. حساس‌ترین مرحله زندگی گیاه کلزا به تنش گرما مرحله گرده­افشانی است که حتی در شرایط آبیاری مطلوب نیز کاهش عملکرد را به دنبال خواهد داشت (Yu et al., 2014; Young et al., 2004). دماهای بالا به­صورت موقتی و یا دائمی، باعث تغییرات مورفولوژیک، فیزیولوژیک و بیوشیمیایی و در نتیجه کاهش رشد و نمو و در نهایت عملکرد گیاه می‌شوند
 (Yarnia et al., 2011). بنابراین جهت پایداری عملکرد کلزا، درک ارتباط بین عملکرد این محصول با تنش گرما و تأثیر دمای بالا بر ویژگی‌های زراعی آن به­ویژه در مناطق خشک و نیمه­خشک ضروری است. در بسیاری از پژوهش‌ها برای گزینش گیاهان در مقابله با تنش، فقط عملکرد دانه مدنظر قرار می‌گیرد؛ در­حالی­که برخی از پژوهشگران معتقد هستند که باید شاخص‌هایی را که در ارزیابی پایداری ارقام در شرایط تنش موثر می‌باشند، شناخت و آن‌ها را علاوه بر عملکرد دانه به­عنوان معیارهای انتخاب مورد استفاده قرار داد (Porch, 2006).

شاخص‌های تحمل به تنش، معیارهایی مبتنی بر عملکرد محصول تحت شرایط تنش در مقایسه با شرایط معمولی هستند که در مطالعات مختلف از این شاخص‌ها به­منظور ارزیابی تحمل به تنش ژنوتیپ‌ها و گزینش آن‌ها بر اساس عملکرد تولیدی در شرایط محیطی مختلف استفاده شده است (Faraji, 2008; Omidi et al., 2015). به­طور کلی گیاهان از نظر واکنش به شرایط مساعد و نامساعد محیطی به چهار گروه تقسیم می‌شوند: گروه A ژنوتیپ‌هایی با عملکرد بالا در هر دو شرایط، گروه B شامل ژنوتیپ‌هایی با عملکرد بالا فقط در شرایط بدون تنش، گروه C ژنوتیپ‌هایی با عملکرد بالا فقط در شرایط تنش و گروه D ژنوتیپ‌هایی که در هر دو شرایط عملکرد پایینی دارند. درنتیجه شاخصی برای گزینش در تنش مناسب است که قادر باشد ژنوتیپ‌های گروه A را از سایر گروه‌ها متمایز کند که شاخص تحمل تنش (Stress Tolerance Index; STI) و میانگین هندسی بهره‌وری (Geometric Mean productivity; GMP) از مهم‌ترین شاخص‌ها در این راستا گزارش شده­اند (Fernandez, 1992). بررسی پاسخ گونه‌های مختلف کلزا نسبت به تنش خشکی براساس همبستگی نشان داد که شاخص‌های STI‌،GMP ‌ و میانگین بهره‌وری (Mean Productivity; MP) مناسب‌ترین شاخص‌ها برای گزینش ژنوتیپ‌های با عملکرد بالا تحت هر دو شرایط تنش و شاهد هستند (Rashidi et al., 2012). در آزمایشی دیگر همبستگی مثبت و معنی‌دار میان عملکرد دانه گندم با شاخصSTI ، شاخص پایداری عملکرد(Yield stability index; YSI)  و میانگین هارمونیک (Harmonic mean; HM) گزارش شد (EL Rawy & Hassan, 2014). به­عبارتی­دیگر محققان قادر هستند ژنوتیپ‌های برتر را بر اساس مقادیر بالای STI‌،GMP ‌ و MP و مقادیر پایین شاخص حساسیت به تنش (Stress susceptibility index; SSI) گزینش کنند Dorostkar et al., 2015)). به­طور کلی شناسایی و اصلاح ژنوتیپ‌های پرمحصول کلزا که به تنش‌های محیطی تحمل داشته باشند از نظر توسعه سطح زیر کشت این گیاه مهم است. در مطالعه‌ای، چند ژنوتیپ کلزا در شرایط گلخانه‌ای تحت تیمار گرما قرار گرفتند و بر اساس نتایج محاسبه شاخص‌های تحمل به گرما رقم صفی5 به­عنوان متحمل­ترین و دی‌اچ13 به­عنوان حساس­ترین معرفی شدند (Mohammadi et al., 2018).

هر چند ارزیابی تحمل به گرما در شرایط گلخانه یا فیتوترون می‌تواند اطلاعات پایه ارزشمندی از نظر تحمل به گرمای ژنوتیپ‌های کلزا حاصل کند (Rezaeizadeh et al., 2020; Mohammadi et al., 2018) ولی واقعیت آن است که انجام مطالعات در شرایط طبیعی رشدی گیاه یعنی در شرایط مزرعه ارزش کاربردی بسیار بالاتری دارد. در شهرستان اهواز به­عنوان یکی از گرم­ترین مناطق کشور و بلکه کره زمین، به­واسطه وقوع تنش گرمای انتهای فصل رشد برای کشت‌های پاییزه‌ای همچون کشت کلزا و گندم، با انجام کشت تأخیری امکان ارزیابی مزرعه‌ای تنش گرمای انتهای فصل در شرایط مزرعه به­خوبی امکان‌پذیر بوده و نتایج کاربردی و قابل اطمینانی حاصل می‌شود. لذا این آزمایش با هدف ارزیابی تحمل به گرمای ژنوتیپ‌های کلزا با استفاده از شاخص‌های تحمل به تنش و مقایسه کارایی شاخص‌های مورد استفاده و در نهایت انتخاب برترین ژنوتیپ‌ها و همچنین شاخص‌ها در غربال ژنوتیپ‌های متحمل به گرما در شرایط آب و هوایی اهواز اجرا شد.

2. روش‎شناسی پژوهش

این آزمایش در دو سال زراعی 98-1397، 99-1398 در مزرعه آزمایشی دانشکده کشاورزی دانشگاه شهید چمران اهواز واقع در جنوب غربی شهرستان اهواز، به طول جغرافیایی 48 درجه و 41 دقیقه شرقی و عرض جغرافیایی 31 درجه و 19 دقیقه شمالی با ارتفاع 20 متر از سطح دریا انجام شد. آزمایش در دو شرایط محیطی شاهد (تاریخ کاشت رایج منطقه، 20 آبان) و شرایط تنش گرما (تاریخ کاشت تأخیری، 20 آذر) در قالب طرح بلوک‌های کامل تصادفی با سه تکرار در هر شرایط، روی نه ژنوتیپ صورت گرفت. اطلاعات مربوط به ژنوتیپ‌ها در جدول 1 و اطلاعات مربوط به آمارهواشناسی منطقه در طی دو سال زراعی در شکل 1 ارائه شده است.

جدول 1. لیست ژنوتیپ‌های مورد استفاده در این مطالعه

شکل 1. میانگین مشخصات هواشناسی منطقه آزمایش (مزرعه آزمایش دانشگاه شهید چمران اهواز) طی فصول زراعی 98-1397 و 99-1398

در این آزمایش، تنش گرما در مزرعه به­صورت طبیعی و به­صورت کاشت دیر­هنگام و مصادف­شدن گل‌دهی با گرمای بالاتر از دمای مطلوب برای رشد و نمو کلزا اعمال شد. البته بجز تأخیر در کاشت، کلیه عملیات کاشت، داشت و برداشت در هر دو تاریخ کشت به‌صورت یکسان و مطابق روال معمول انجام شد. ارقام مذکور به روش جوی و پشته‌ کشت شدند؛ به­این­صورت که بذور هر رقم روی سه پشته 2 متری، با سه خط کاشت روی هر پشته و با­در­نظر­گرفتن تراکم حدود 60 بوته در متر مربع و با فاصله بین بوته حدود 7 سانتیمتر مورد کشت قرار گرفتند. عملیات برداشت برای تاریخ کشت اول (کشت شاهد) از اواسط فروردین­ماه تا اوایل اردیبهشت­ماه و برای تاریخ کاشت دوم (کشت تأخیری) نیز از هفته دوم اردیبهشت تا انتهای ماه بسته به تاریخ رسیدگی هیبرید به طول انجامید. در زمان برداشت دو خط اول و آخر و هم‌چنین 10 سانتی متر از انتهای خطوط به­عنوان حاشیه حذف و سطح باقی‌مانده برداشت شد.

به­منظور ارزیابی ارقام از نظر تحمل به گرما از شاخص‌های کمی SSI، شاخص تحمل (Tolerance index; TOL)، MP، STI، GMP، HM، شاخص عملکرد (Yield Index; YI) و YSI بر اساس روابط زیر استفاده شد.

1. SSI= SI=         TOL= Yp - Ys             MP=            STI =
2. GMP =                    HM =             YI=                  YSI=

Yp و Ys به­ترتیب نشان­دهنده عملکرد هر رقم در شرایط بدون تنش و تنش گرما، Ȳp و Ȳs به­ترتیب میانگین عملکرد دانه تمام ارقام در شرایط بدون تنش و تنش گرما و SI بیانگر شدت سختی محیطی می‌باشد. تجزیه و تحلیل داده‌ها بر اساس تجزیه مرکب در دو سال و دو مکان (دو شرایط محیطی مختلف ناشی از کشت شاهد و کشت تأخیری) با استفاده از نرم­افزار آماری SAS انجام گرفت. قبل از انجام آنالیز واریانس دو فرض اصلی تجزیه واریانس شامل شاهد­بودن توزیع داده‌ها با استفاده از آزمون‌های شاپیر–ویلک
 (Shapiro-Wilk) و کلموگروف–سمیرنوف  (Kolmogorov-Smirnow)و یکنواخت­بودن واریانس خطاهای آزمایشی با استفاده از آزمون بارتلت مورد بررسی قرار گرفت. برای انجام مقایسات میانگین از آزمون چند­دامنه‌ای دانکن استفاده شد. محاسبه شاخص‌های تحمل به گرما و رسم نمودارها توسط نرم­افزار Excel و همچنین محاسبه آنالیزهای آماری چند­متغیره با استفاده از نرم­افزار SPSS صورت گرفت.

3. 3. یافته‌های پژوهش و بحث

آزمون بارتلت با مقدار کی‌دو معادل 32/6، یکنواختی واریانس خطاهای آزمایشی را در سطح خطای پنج درصد (χ²_0.95,3=7.81) تأیید کرد. نتایج تجزیه مرکب داده‌ها برای صفت عملکرد دانه و روز تا رسیدگی حاکی از وجود اختلاف معنی‌دار در سطح احتمال یک درصد بین ژنوتیپ‌ها، محیط‌های آزمایشی (طبیعی و تنش) و سال بود. معنی‌دار­شدن اثر سال را می‌توان ناشی از وجود اختلاف در میزان بارندگی و دما دانست، به­گونه‌ای­که بیش‌ترین بارندگی در سال اول در آبان­ماه به­میزان 1/160 میلی‌متر و در سال دوم در آذر­ماه به میزان 3/131 میلی‌متر ثبت شد و بر اساس آمار هواشناسی سال اول نسبت به سال دوم مرطوب‌تر گزارش شد. به­علاوه مقایسه میانگین دمای دو سال حاکی از وجود اختلاف دمایی بین دو سال زراعی بود؛ به­طوری­که میانگین دمای حداکثر ماهیانه در سال زراعی 97-1398 بین 3/15 درجه سانتی‌گراد در آذر ماه تا 3/47 درجه سانتی‌گراد در خرداد­ماه بود، در­حالی­که برای سال زراعی 98-1399 بین 5/19 دی ماه تا 8/45 در خرداد ماه ثبت شد.

تاخیر در کاشت به­دلیل کوتاه­شدن طول دوره رشد رویشی و برخورد مراحل زایشی گیاه با دمای بالا با وجود مدیریت منظم برنامه آبیاری جهت تأمین آب مورد نیاز گیاه در طول فصل رشد منجر به کاهش عملکرد دانه در سطح احتمال یک درصد شد و کاهش چشم‌گیر 48 درصدی عملکرد دانه در واحد سطح به­دلیل تاخیر در کاشت به­ویژه به­واسطه تنش گرما مشاهده شد. همچنین با­توجه­به معنی‌دار­شدن اثر ژنوتیپ و اثر متقابل ژنوتیپ در رژیم دما می‌توان نتیجه‌گیری کرد که نه تنها ژنوتیپ‌ها از نظرعملکرد و روز تا رسیدگی متفاوت هستند، بلکه واکنش ژنوتیپ‌ها به تاریخ کشت و به­ویژه تنش گرما نیز متفاوت بوده و از نظر حساسیت و تحمل گرما یکسان نبوده‌اند (جدول 2). در این تحقیق میانگین عملکرد ارقام تحت شرایط شاهد و تنش گرما در سال اول به­ترتیب 08/3467 و 85/1667 کیلوگرم در هکتار و در سال دوم به­ترتیب 16/3353 و 42/1687 کیلوگرم در هکتار به­دست آمد. در سال اول و دوم آزمایش بیش‌ترین عملکرد دانه در شرایط تنش مربوط به هیبرید هایولا 61 به­ترتیب با 91/1949 و14/2015 کیلوگرم در هکتار و کمترین میزان عملکرد دانه مربوط به هیبرید هایولا 4815 به­ترتیب با 25/1500 و 73/1424 کیلوگرم در هکتار بود. به­علاوه بیشترین و کمترین تعداد روز تا رسیدگی در سال اول و دوم چه در شرایط شاهد و چه تنش را به­ترتیب رقم سالسا (سال اول 33/167 و سال دوم 66/161) و هیبرید هایولا 4815 ( سال اول 33/138 و سال دوم 66/134) به خود اختصاص دادند (جدول3 و 4).

با­توجه­به پیچیده و کمی­بودن صفت تحمل به تنش گرما، انتخاب ژنوتیپ‌ها صرفا بر اساس عملکرد دانه دارای دقت لازم نبوده و گاهی با نتایج متناقض همراه است. بنابراین شناسایی شاخص‌هایی که به به‌نژادگر جهت تحقق این هدف یاری کنند از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. لذا در این پژوهش در قدم اول اقدام به محاسبه شاخص‌های تحمل به تنش و شناسایی مناسب‌ترین شاخص تحمل به گرما در کلزا شد. مقادیر مربوط به عملکرد دانه و شاخص‌های تحمل به تنش در دو شرایط مختلف محیطی بر پایه‌ی معادله‌های مختلف در طی دو سال زراعی محاسبه و در جداول 3 و4 ارائه شده است. در این آزمایش شدت تنش در سال اول 51/0 و در سال دوم 49/0 برآورد شد که نمایانگر شدت تنش بالایی در طی دو سال بود. شدت تنش عددی است که بین صفر تا یک متغیر است و هر چه این عدد به سمت یک متمایل شود بیان­کننده شدت تنش بیش‌تر است (Fernandes,1992). بر اساس شاخص حساسیت به تنش  (SSI) ژنوتیپ‌هایی با مقادیر کمتر از یک دارای تحمل بالاتری به تنش هستند، بر­این­اساس هیبریدهای هایولا 61 در طی دو سال آزمایش به­ترتیب با 89/0 و 98/0 کمترین میزان حساسیت را داشت. باید توجه کرد که شاخص حساسیت به تنش مواد گیاهی را تنها بر پایه میزان افت عملکرد بدون توجه به ظرفیت عملکرد آنها دسته­بندی می‌کند. یعنی ممکن است یک ژنوتیپ کم­عملکرد تنها به­این­دلیل که در شرایط تنش افت کمی نسبت شرایط بدون تنش داشته، در گروه ژنوتیپ‌های متحمل قرار گیرد که مطلوب به­نژادگران نیست. افزون بر این دو ژنوتیپ با عملکرد زیاد یا کم در دو شرایط می‌توانند مقدار شاخص حساسیت به تنش یکسانی داشته باشند، لذا انتخاب بر پایه این شاخص ممکن است به­نژادگران را به اشتباه بیندازد (Naeimi, et al., 2008).

در­رابطه­با شاخص تحمل تنش (STI)، مقادیر بزرگ نشان‌دهنده تحمل بیش‌تر ژنوتیپ است. هیبریدهای هایولا 50 به­ترتیب در سال اول و دوم آزمایش (58/0، 64/0) و هایولا 61 (61/0 و 66/0) بیش‌ترین میزان شاخص را نشان دادند. برتری این شاخص به دلیل این است که می‌تواند ژنوتیپ‌هایی که در هر دو شرایط تنش و بدون تنش عملکرد بالایی دارند (گروه A) از سایر ژنوتیپ‌های موجود در گروه‌های دیگر تفکیک کند (Mohammadi et al., 2017). بر اساس مطالعات صورت­گرفته مناسب‌ترین شاخص انتخاب شناسایی ارقام متحمل به تنش، شاخصی است که ارتباط نسبتا قوی با عملکرد دانه تحت شرایط تنش و بدون تنش داشته باشد. بنابراین ارزیابی همبستگی بین شاخص‌های تحمل به تنش و عملکرد دانه در هر دو محیط می‌تواند منجر به شناسایی مناسب‌ترین شاخص‌ها شود (Hashem Zehi et al., 2013). مطابق نتایج حاصل از آنالیز همبستگی در جدول 5، بیش‌ترین همبستگی میان عملکرد اصلی در شرایط شاهد و تنش با شاخص‌های MP،GMP ،STI  وHM  در دو سال مشاهده شد. همبستگی بالا و مثبت میان شاخص‌های MP،GMP ،STI  وHM  با عملکرد دانه در هر دو شرایط محیطی شاهد و تنش بیان‌کننده مؤثر­بودن استفاده از این شاخص‌ها جهت انتخاب تحت شرایط شاهد و تنش می‌باشد و انتظار می‌رود که ژنوتیپ‌های انتخابی براساس این نوع شاخص‌ها دارای عملکرد مطلوبی در هر دو شرایط باشد.

شاخص YI با عملکرد دانه تحت شرایط تنش گرما، در طی دو سال همبستگی مثبت و معنی‌داری نشان داد، بنابراین این شاخص تنها جهت رتبه­بندی ارقام در شرایط تحت تنش مناسب می‌باشد و جهت انتخاب ارقامی با عملکرد بالا در هر دو شرایط شاهد و تنش کاربرد چندانی ندارد. نتایج مذکور مطابق با پژوهش‌هایی است که روی گیاهان زراعی دیگر با اعمال تنش گرما در شرایط مزرعه و شرایط گلخانه‌ای صورت گرفته است (Modarressi et al., 2011; Omidi et al., 2015; Mohammadi et al., 2017). در پژوهشی دیگر MP، GMP وSTI  به­طور معنی‌داری تحت شرایط تنش با عملکرد دانه همبستگی نشان داد (Yarnia, 2011).

جدول 2. تجزیه واریانس مرکب عملکرد دانه و روز تا رسیدگی ژنوتیپ‌های کلزا در دو سال و دو تاریخ کشت

S: تاریخ کشت، Y: سال، S×V: تاریخ کشت×سال،:Er1  خطای اول، G: ژنوتیپ، G×S: ژنوتیپ×تاریخ کشت، G×Y: ژنوتیپ×سال، G× S×Y: ژنوتیپ×تاریخ کشت× سال، Er2: خطای دوم، CV: ضریب تغییرات، DTR: روز تا رسیدگی. ** و *: به­ترتیب معنی‌دار در سطح یک درصد و پنج درصد.

جدول 3. میانگین عملکرد دانه، روز تا رسیدگی و شاخص های تحمل به تنش ژنوتیپ‌های کلزا در سال اول

Yp: عملکرد دانه در شرایط شاهد ، Ys: عملکرد دانه در شرایط تنش، TOL: شاخص تحمل، MP: میانگین بهره‌وری، GMP: میانگین هندسی بهره‌وری، STI: شاخص تحمل به تنش، YI: شاخص عملکرد، YSI: شاخص پایداری عملکرد، HM: میانگین هارمونیک، SSI: شاخص حساسیت به تنش، DTRN: تعداد روز تا رسیدگی در شرایط شاهد ، DTRS: تعداد روز تا رسیدگی در شرایط تنش.

جدول 4. میانگین عملکرد دانه ژنوتیپ‌های کلزا تحت شرایط شاهد و تنش گرما و شاخص‌های تحمل به تنش در سال دوم

Yp: عملکرد دانه در شرایط شاهد ، Ys: عملکرد دانه در شرایط تنش، TOL: شاخص تحمل، MP: میانگین بهره‌وری، GMP: میانگین هندسی بهره‌وری، STI: شاخص تحمل به تنش، YI: شاخص عملکرد، YSI: شاخص پایداری عملکرد، HM: میانگین هارمونیک، SSI: شاخص حساسیت به تنش، DTRN: تعداد روز تا رسیدگی در شرایط شاهد ، DTRS: تعداد روز تا رسیدگی در شرایط تنش.

جدول 5. ضرایب همبستگی شاخص‌های تحمل به گرما با عملکرد دانه در شرایط شاهد و تنش در سال اول و دوم

TOL: شاخص تحمل، MP: میانگین بهره‌وری، GMP: میانگین هندسی بهره‌وری، STI: شاخص تحمل به تنش، YI: شاخص عملکرد، YSI: شاخص پایداری عملکرد، HM: میانگین هارمونیک، SSI: شاخص حساسیت به تنش.

یکی از بهترین راه‌های شناسایی ارقام مناسب از نظر تحمل به تنش، بررسی اثر متقابل سه­متغیره عملکرد دانه در شرایط شاهد، عملکرد دانه در شرایط تنش و شاخص تحمل به تنش می‌باشد. به­نحوی­که ارقام مناسب علاوه­بر دارا­بودن عملکرد قابل توجه در هر دو شرایط شاهد و تنش، از جهت مقدار شاخص محاسباتی مطلوب بوده و در ناحیه مناسب نمودار سه­بعدی (ناحیه A) قرار گیرند. پس با این هدف نمودار سه­بعدی جهت تعیین دقیق مناسب‌ترین ارقام از نظر تحمل به تنش گرما رسم شد. با بررسی این نمودارهای سه­بعدی مشاهده شد که بر اساس هر چهار شاخص مناسب شناسایی شده یعنی شاخص‌های GMP،STI ،HM  و MP در طی دو سال، هیبرید‌های هایولا50، هایولا61 و تا حدودی هایولا 401 در گروه A قرار گرفته و عملکرد بالایی در هر دو شرایط شاهد و تنش گرمایی دارا بودند. ارقام آرجی‌اس‌003، دراگو، تراپر و آگامکس فقط در محیط شاهد عملکرد بالایی داشتند و در گروه B قرار گرفتند. دو رقم سالسا و هایولا4815 در گروه D که نشان‌دهنده عملکرد نسبتا پایین در هر دو شرایط شاهد و تنش می‌باشد قرار گرفتند. هیچ رقمی در گروه C که نشان­دهنده ژنوتیپ‌هایی با عملکرد بالاتری نسبت به سایر ژنوتیپ‌های دیگر در محیط تنش است قرار نگرفت (شکل 2 و 3). با­توجه­به عملکرد مطلوب هیبرید‌های هایولا 50، هایولا 61 و در رتبه بعد هایولا 401 در هر دو شرایط شاهد و تنش و هم‌چنین مقادیر بالاتر این هیبریدها از نظر بیش‌تر شاخص‌های تحمل به تنش گرما در مقایسه با سایر ژنوتیپ‌ها می‌توان این ارقام را به­عنوان متحمل‌ترین ارقام در این پژوهش معرفی کرد.

شکل 2. گزینش ژنوتیپ‌های کلزا در سال اول بر اساس عملکرد دانه تحت شرایط شاهد (Yp) و تنش (Ys) و شاخص‌های  (A) GMP

(B) MP ،(C) HM ، (D) STI، 1-هایولا50، 2- هایولا4815، 3- هایولا401، 4- هایولا61، 5- آرجی‌اس‌003، 6- سالسا، 7- دراگو، 8- تراپر، 9- آگامکس

شکل 3. گزینش ژنوتیپ‌های کلزا در سال دوم بر اساس عملکرد دانه تحت شرایط شاهد (Yp) و تنش (Ys) و شاخص‌های(A)GMP ،(B )MP ،(C) HM ، (D)STI1- هایولا50، 2- هایولا4815، 3- هایولا401، 4- هایولا61، 5- آرجی‌اس‌003، 6- سالسا، 7- دراگو، 8- تراپر، 9- آگامکس

هر چند نمودار سه­بعدی اطلاعات بسیار ارزشمندی جهت تفکیک ژنوتیپ‌ها براساس سه متغیر نشان داد، ولی جهت بررسی دقیق‌تر ژنوتیپ‌ها و تفکیک آن‌ها براساس کلیه شاخص‌ها از تجزیه به مؤلفه‌های اصلی استفاده شد. نتایج آنالیز سال اول و دوم به­ترتیب نشان داد که دو مؤلفه اول 94/99 و 90/99 درصد از کل تغییرات موجود در بین جمعیت را توجیه کردند، بنابراین تفسیر نتایج را می‌توان براساس این دو مؤلفه انجام داد و از سایر مؤلفه‌ها که بخش ناچیزی از تغییرات را توجیه می‌کنند چشم‌پوشی کرد (جدول 6). با­توجه­به این امر که مؤلفه‌ اول و دوم مستقل از یکدیگر بوده و دارای واریانس متفاوتی هستند، می‌توان آن‌ها را به­عنوان دو محور مختصات در نظر گرفت و نمودار بای­پلات پراکنش ژنوتیپ‌ها را براساس مقادیر این مؤلفه‌‌ها رسم کرد (شکل 4). نتایج به­دست­آمده از تجزیه به مولفه‌های اصلی نشان داد که مولفه اول در سال اول 93/62 و در سال دوم 72/68 درصد از کل تغییرات را توجیه کرد و رابطه مثبت با شاخص‌هایGMP ،STI ، HM و MP داشت (جدول 5).

همان‌طور­که در قسمت‌های قبل اشاره شد بزرگ­بودن مقادیر شاخص‌های GMP،STI ، HM وMP در یک ژنوتیپ بیانگر تحمل بالای آن ژنوتیپ در شرایط تنش می‌باشد. لذا این مؤلفه قادر است که ژنوتیپ‌های متحمل و حساس به گرما را از هم تفکیک سازد. علاوه­بر­این با­توجه­به مثبت و قابل توجه­بودن ضرایب مربوط به عملکرد در شرایط شاهد و تنش گرما در این مؤلفه، می‌توان نتیجه گرفت که ژنوتیپ‌هایی با مقدار عددی بزرگ‌تر برای این مؤلفه علاوه بر تحمل بیش‌تر به تنش دارای عملکرد بیش‌تری نیز هستند. به­عبارت دیگر این مؤلفه قادر به جدا­سازی ژنوتیپ‌های متحمل‌تر با قابلیت تولید عملکرد مطلوب در هر دو شرایط شاهد و تنش است. از­این­رو مولفه اول به عنوان مولفه پتانسیل عملکرد نامگذاری شد. مؤلفه دوم در طی دو سال اول و دوم به­ترتیب 5/37 و 2/31 درصد از تغییرات کل را توجیه کرد. وجود اختلاف شدید ضرایب مربوط به عملکرد در شرایط مطلوب و شرایط تنش از لحاظ مقدار و علامت مؤید امکان جداسازی ژنوتیپ‌هایی با عملکرد بالا در شرایط شاهد نسبت به تنش می‌باشد. هم‌چنین این مولفه رابطه مثبت و معنی‌داری با شاخص‌های TOL و  SSIو رابطه منفی با YI,YSI و YS خود نشان داد، از این رو این مولفه به­عنوان مولفه حساسیت به تنش معرفی شد و به بیانی دیگر شانس این مؤلفه در شناسایی ژنوتیپ‌های حساس بیش‌تر می‌باشد. بنابراین ژنوتیپ‌هایی که دارای مقدار عددی بزرگ‌تری از این مؤلفه هستند احتمالا دارای پتانسیل عملکرد بالا در شرایط شاهد و حساس به گرما می‌باشند (جدول 6).

جدول 6. مقادیر ویژه حاصل از تجزیه به مؤلفه‌های اصلی بر اساس شاخص‌های تحمل به تنش گرما در گیاه کلزا در طی دو سال زراعی 98-1397 و 99-1398

YP: عملکرد دانه در شرایط شاهد ، YS: عملکرد دانه در شرایط تنش، TOL: شاخص تحمل، MP: میانگین بهره‌وری، GMP: میانگین هندسی بهره‌وری، STI: شاخص تحمل به تنش، YI: شاخص عملکرد، YSI: شاخص پایداری عملکرد، HM: میانگین هارمونیک، SSI: شاخص حساسیت به تنش.

با­در­نظر­گرفتن تمام تفاسیری که در مورد مؤلفه‌های مختلف ارائه شد و علاوه­بر­آن با­توجه­به پراکندگی ارقام در بای­پلات مؤلفه‌های یک و دو (شکل 4) می‌توان ملاحظه کرد که هیبریدهای هایولا50، هایولا61 در منطقه‌ای که نشان‌دهنده تحمل بیش‌تر آن‌ها به تنش گرما است قرار گرفته‌اند و این هیبریدها در دو شرایط شاهد و تنش گرما دارای بیش‌ترین عملکرد بودند. همچنین هایولا 401 در رتبه سوم جدول هیبریدهای پرمحصول در هر دو شرایط محیطی تنش و بدون تنش قرار ‌گرفتند. هیبرید هایولا 50 در طی آزمایش­های مزرعه­ای مشابه با اعمال تنش گرمای انتهای فصل ناشی از تأخیر در کاشت، متحمل به گرما معرفی شده است
 (Kolahkaj & Mojtabaie Zamani, 2022). در آزمایش دیگری با استفاده از شاخص­های تحمل به تنش هیبرید هایولا 401 هیبریدی متحمل و رقم آرجی‌اس‌003 رقمی حساس نسبت به تنش­های غیر زنده محیطی به­ویژه در شرایط تنش گرما و خشکی تشخیص داده شد Faraji, 2009)).

شکل 4. پراکنش ژنوتیپ‌های کلزا بر اساس دو مؤلفه اصلی اول و دوم (سال اول: چپ، سال دوم: راست)

4. نتیجه‌گیری

به­منظور به­حداقل­رساندن خطرات ناشی از تنش گرمای آخر فصل رشد، ضمن شناسایی مناطق دارای این نوع تنش بر اساس مشاهده‌های دراز­مدت اقلیمی و اعمال مدیریت زراعی خاص، باید از ژنوتیپ‌های سازگار و متحمل به گرما استفاده کرد. در این پژوهش در یک ارزیابی مزرعه‌ای دو ساله با بکارگیری شاخص‌های تحمل به تنش و تجزیه به مولفه‌های اصلی، ژنوتیپ‌های متحمل به گرما و با عملکرد بالا را در هر دو شرایط تنش و بدون تنش شناسایی شدند. معنی‌دار­بودن همبستگی بین شاخص‌ها بـا عملکـرد در شـرایط تـنش و بـدون تـنش نشـان داد شاخص‌های میانگین بهره­وری ((MP، میانگین هندسی بهره­وری (GMP)، شاخص تحمل به تنش ( (STIو میانگین هارمونیک(HM)  نسـبت بـه بقیـه شاخص‌ها از قابلیـت بهتـری بـرای شناسـایی ژنوتیـپ‌هـای متحمل به گرما و بـا عملکرد بـالا در کلزا برخـوردارند. نتایج این پژوهش، نشان داد که ژنوتیپ­های هایولا50 و هایولا 61 و بعد از آن‌ها هایولا401 نسبت به سایر ارقام تحمل بیشتری به گرما دارند و به­عنوان هیبریدهایی با پتانسیل عملکرد بالا در شرایط تنش گرما شناخته شدند. هر چند در این ژنوتیپ­ها تعداد روز تا رسیدگی نسبت به سایر ژنوتیپ­ها نسبتا کمتر بود ولی برتری این هیبریدها در تاریخ کشت تأخیری همراه با تنش گرمای انتهای فصل در طی دو سال را نمی­توان صرفا به مکانیزم فرار از گرما به واسطه زودرسی نسبت داد. داشتن پتانسیل عملکرد بالای این هیبریدها و احتمالا ژن­های تحمل به تنش گرما از عوامل عمده تحمل سه هیبرید هایولا 50، هایولا 61 و هایولا 401 به گرما می­باشد که می­بایست در مطالعات آتی در مبحث فیزیولوژی مولکولی مورد بررسی قرار گیرد. این هیبریدها جهت کشت در مناطق گرم کشور با احتمال تنش گرمای انتهای فصل توصیه می­شوند.

5. سپاسگزاری

این پژوهش با حمایت مالی معاونت پژوهشی و فناوری دانشگاه شهید چمران اهواز از محل پژوهانه شماره SCU.AA98.500 انجام شده است که به­این­وسیله سپاسگزاری می‌شود.

6. منابع

Barnabas, B., Jager, K., & Feher, A. (2008). The effect of drought and heat stress on reproductive processes in cereals. Plant Cell Environment, 31, 11e38.

Dorostkar, S., Dadkhodaie, A., & Heidari, B. (2015). Evaluation of grain yield indices in hexaploid wheat genotypes in response to drought stress. Archives of Agronomy and Soil Science Journal, 61(3), 397-413.

El Rawy, M.A., & Hassan, M.I. (2014). Effectiveness of drought tolerance indices to identify tolerant genotypes in bread wheat (Triticum aestivum L.). Crop Science and Biotechlogy Journal, 17(4), 255-266.

Fao, http://www.fao.org/faostat/en/#data/QC/visualize, 2017.

Faraji, A. (2008). Evaluation of heat and drought tolerance in two rapeseed cultivars. Plant and Seed Journal, 25(2), 169-181. (In Persian)

Farshadfar, E., Zamani, M., Motallebi, M., & Imamjomeh, A. (2001). Selection for drought resistance in chickpea lines. Iranian Journal of Agricultural Science, 32, 65-77. (In Persian)

Fernandes, G.C.J. (1992). Effective selection criteria for assessing plant stress tolerance. In: Proceeding of the international symposium on adaptation of vegetables and other food crop in temperature and water stress.Taiwan, 245-270.

Hashem Zehi, M., Moradgholi, A., & Ghasemi, A. (2013). Evaluation of response of mung bean cultivars to drought stress using different drought stress indices. Journal of Crop Breeding, 12, 112-122.

Jan, S.A., Bibi, N., Shinwari, Z.K., Rabbani, M.A., Ullah, S., Qadir, A., & Khan, N. (2017). Impact of salt, drought, heat and frost stresses on morpho-biochemical and physiological properties of Brassica species: An updated review. Agriculture and Rural Development, 2(1), 1-10.

KalantarAhmadi, S.A., Ebadi, A., Siadat, S.A., & Tavakoli Hasanaklou, H. (2014). Effect of heat stress due to sowing date on grain yield of rapeseed cultivars in north Khuzestan conditions in Iran. Iranian Journal of Crop Sciences, 16(1), 62-76.(In Persian)

Kolahkaj, S., & Mojtabaie Zamani, M. (2022). The effect of heat stress at the end of season on gronomic characteristics and yield of rapeseed (Brassica napus L.) genotypes in Ramhormoz. Journal of Crop Ecophysiology, 16(3), 339-356.

Ma, B.L., Zhao, H., Zheng, Z.M., Caldwell, C., Mills, A., Earl, H., Vanasse, A., Scott, P., & Smith, D.L. (2016). Optimizing seeding dates and rates for canola production in the humid eastern Canadian agroecosystems. Agronomy Journal, 108, 1869e1879.

Modarressi, M., Mohammadi, W., Zali, A., & Mardi, M. (2011). Investigation of heat stress tolerance indices in wheat. Iranian Journal of Field Crop Science, 42(3), 465-474. (In Persian)

Mohammadi, V.A., Fathi Hafshejan, H., Maali-Amiri, R., & Alizadeh, H. (2017). Screening of rapeseed (Brassiac napus L.) genotypes for tolerance to terminal heat stress by plastic greenhouse. Iranian Journal of Field Crop Science, 49(2),161-170. (In Persian)

Naeimi, M., Akbari, Gh., Shiranirad, A.H., Modares Sanavi, S.E.M., Sadat Nori, S.A., & Jabari, H. (2008). Evaluation of drought tolerance in different canola cultivars based on stress evaluation in terminal growth duration. Crop Production, 1(3), 83-98. (In Persian)

Omidi, M., Siahpoosh, M., Mamghani, R., & Modarressi, M. (2015). Heat tolerance evaluating of wheat cultivars using physiological characteristics and stress tolerance indices in Ahvaz climatic condition. The Plant Production, 38(1), 103-113.)In Persian)

Porch, T.G. (2006). Application of stress indices for heat tolerance screening of common Bean. Agronomy and Crop Science Journal, 192, 390-394.

Rashidi, S.H., Shirani Rad, A.M., Ayene Band, A., Javidfar, F., & Lak, S.H. (2012). Study of relationship between drought stress tolerances with some physiological parameters in canola genotypes (Brassica napus L.). Annals of Biological Research, 3, 564-569. (In Persian)

Reddy, A.R., Chaitanya, K.V., & Vivekanandan, M. (2004). Drought induced responses of photosynthesis and antioxidant metabolism in higher plants. Journal of Plant Physiology, 161, 1189-1202.

Rezaeizadeh, A., Mohammadi, V., Zeinali, H., & Zali, A. (2020). Physiological responses of tolerant and susceptible rapeseed (Brassica napus L.) cultivars to heat stress. Iranian Journal of Field Crop Science, 50(4), 89-98. (In Persian)

Report on the level, production and performance of crops in the crop year 2020-2021. http://www.ajkhz.ir/moa-barnameh-rizi/index.php/pages/general/. (In Persian)

Sharma, P., Jha, A.B., Dubey, R.S., & Pessarakli, M. (2012). Reactive oxygen species, oxidative damage, and antioxidative defense mechanism in plants under stressful conditions. Journal of Botany, 27037. https://doi.org/10.1155/2012/217037.

Wu, W., Ma, B.L., & Whalen, J.K. (2018). Enhancing rapeseed tolerance to heat and drought stresses in a changing climate: Perspectives for stress adaptation from root system architecture. Advances in Agronomy, 151, 87-157.

Yarnia, M., Arabifard, N., Rahimzadeh Khoei, F., & Zandi, P. (2011). Evaluation of drought tolerance indices among some winter rapeseed cultivars. African Journal of Biotechnology, 10, 10914-10922.

Young, L., Wilen, R., & Bonham-Smith, P. (2004). High temperature stress of Brassica napus during flowering reduces micro and megagametophyte fertility, induces fruit abortion, and disrupts seed production. Journal of Experimental Botany, 55, 485–495.

Yu, E., Fan, C., Yang, Q., Li, X., Wan, B., Dong, Y., Wang, X., & Zhou, Y. (2014). Identification of heat responsive genes in Brassica napus siliques at the seed-filling stage through transcriptional profiling. PLoS ONE, 9(7), e101914.

Zhang, J., Mason, A.S., Wu, J., Liu, S., Zhang, X., Luo, T., Redden, R., Batley, J., Hu, L., & Yan, G. (2015). Identification of putative candidate genes for water stress tolerance in canola (Brassica napus). Frontiers in Plant Science. https://doi.org/10.3389/fpls.2015.01058.