Bazı yerel makarnalık buğdayların yüksek sıcaklık stresiyle ilişkili DNA markörlerinin ve seleksiyonda kullanılabilecek morfolojik ve fizyolojik karakterlerinin belirlenmesi
Identification of DNA markers associated with hightemperature stress and morphological and physilogical traits for selection in some local durum wheat varieties
Yazar: MUSTAFA OKAN
Danışman: PROF. DR. AYDIN ALP ; PROF. DR. KAMİL HALİLOĞLU
Dicle Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Tarla Bitkileri Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Ziraat = Agriculture

Özet:
Güneydoğu Anadolu Bölgesi, makarnalık buğday üretimi için oldukça uygun bir iklime sahip olmakla beraber, bölgede meydana gelen biyotik ve abiyotik stres faktörlerden dolayı verim ve kalitede önemli düşüşler yaşanmaktadır. Bu söz konusu streslerin başında, yüksek sıcaklık stresi gelmektedir. Özellikle çiçeklenme dönemi sonu ve tane doldurma döneminin başında oluşan yüksek sıcaklık stresi tane veriminde önemli kayıplara sebep olmaktadır. Bu araştırmada, bölgede yapılacak makarnalık buğday ıslah programlarında kullanılmak üzere, yüksek sıcaklık stresine dayanıklılık ıslahında kullanılabilecek pratik, kolay ve hızlı ölçülebilen bazı fizyolojik, morfolojik ve verim ile ilişkili parametreler incelenmiştir. Bu kapsamda, 90 yerel makarnalık genotip ve 4 standart çeşit kullanılmıştır. Çalışma, arazi koşullarında ve kontrollü ortamda olmak üzere iki ayrı aşama halinde yürütülmüştür. Arazi koşullarında sıcaklık stresi geç ekim ile oluşturulurken, kontrollü ortamda ise tane doldurma döneminin başında yüksek sıcaklık uygulanmıştır. Çalışmanın tarla aşaması, normal ekim ve sıcaklık stresinin oluşturulduğu geç ekim koşullarında augmented deneme desenine göre iki yıl süreyle yürütülmüştür. İklimlendirme odası aşamasında ise, augmented deneme desenine göre optimumum koşullar ve yüksek sıcaklık stresinin oluşturulduğu koşullarda GAP Uluslararası Tarımsal Araştırma ve Eğitim Merkezi Müdürlüğünde yürütülmüştür. 
Çalışmanın tarla aşaması normal koşullara kıyasla geç ekim koşullarında, süt olum dönemi NDVI değerinde  %3-14 oranında düşüşler meydana gelirken, çiçeklenme dönemi SPAD değerinde %5-8, süt olum dönemi SPAD değerinde %3-6, başaklanma gün sayısında %44-37, bayrak yaprak alanında  %17-18, peduncle uzunluğunda  %19-16, bayrak yaprak yeşil kalma süresinde %18-19, tane doldurma süresinde %19-18, bitki boyunda %8,  fizyolojik olum süresinde %38-33, başak uzunluğunda %17-15, başakta başakçık sayısında %22-19, başakta tane sayısında %44-19, bin tane ağırlığında %9-11, irmik renk (b) değerinde %11-6 ve tane veriminde %41-23 oranında düşüşler gözlemlenmiştir.
İklimlendirme odası koşullarında ise, optimum koşullara kıyasla yüksek sıcaklık stresi koşullarında bayrak yaprak yeşil kalma süresinde %20, fizyolojik olum süresinde %7, başak uzunluğunda %10, üst sap uzunluğunda %18, tane dolum süresinde %23, başakta başakçık sayısında %12, başakta tane sayısında %39 ve bin tane ağırlığında %33 oranında düşüşler gerçekleşmiştir. Çalışmada incelenen karakterlerden, düşük bitki örtüsü sıcaklığı, SPAD, erken başaklanma, bayrak yaprak dikliği, bayrak yaprağın yeşil kalma süresi, bayrak yaprak rengi, mumsuluk ve tane dolum süresi'nin bölgede yapılacak buğdayda yüksek sıcaklık stresine tolerant çeşit geliştirme çalışmalarında seleksiyon kriteri olarak kullanılabilecekleri kanaati oluşmaktadır. Ayrıca çalışmada yüksek sıcaklığa tolerant olarak tespit edilen yerel makarnalık buğday genotipleri bölgede yapılacak yüksek sıcaklık stresi ıslah çalışmalarına ışık tutacaktır.
Moleküller aşamasında Güneydoğu Anadolu Bölgesinin farklı illerinden toplanan yerel makarnalık buğdaylar agronomik bakımından varyasyonlar ortaya konulmuştur. Çalışmada, SNP markör tekniği kullanılarak GWAS analizi yapılmıştır. Markör ve fenotip ilişkisini ortaya koyabilmek için, karışık linear model (MLM) yöntemi kullanılmıştır. Tarla aşamasında çalışılan 31 özellik ile ilişkili normal ekim döneminde Log10(P-Değeri)>2.5'a göre oldukça önemli 253 adet SNP markör tespit edilirken, geç ekim döneminde Log10(P-Değeri)>2.5'a göre oldukça önemli 285 adet SNP markör tespit edilmiştir. İklimlendirme odası aşamasında çalışılan 14 özellik ile ilişkili optimum koşullarda Log10(P-Değeri)>2.5'a göre oldukça önemli 90 adet SNP markör tespit edilirken, yüksek sıcaklık stresi koşullarında Log10(P-Değeri)>2.5'a göre oldukça önemli 79 adet SNP markör tespit edilmiştir. Elde edilen SNP markörleri farklı lokasyonlarda birden fazla üretim sezonunda denenerek doğrulandıktan sonra sıcaklık stresine dayanıklı makarnalık buğday çeşidi geliştirmeye yönelik ıslah programlarında seleksiyon aşamasında kullanılması mümkün olacaktır.
 
Anahtar Kelimeler: Yerel Makarnalık Buğday, Yüksek Sıcaklık Stresi, Seleksiyon Kriteri, SNP, QTL

Abstract:
Southeast Anatolia Region has a climate that is highly suitable for durum wheat production. However, due to biotic and abiotic stress factors occurring in the region, significant reductions in yield and quality are observed. Among these stressors, high-temperature stress plays a crucial role. Especially, high-temperature stress occurring at the end of the flowering period and the beginning of grain filling leads to significant yield losses. In this study, some practical, easy-to-measure physiological, morphological, and yield-related parameters that could be used in breeding programs for developing heat stress tolerance in durum wheat were investigated. The study involved 90 local durum wheat genotypes and 4 standard varieties for potential use in durum wheat breeding programs in the region. The study was conducted in two stages; field stage and controlled environment stage. In the field stage, heat stress was induced under late sowing conditions. In the controlled environment stage, high temperature was applied at the beginning of the grain filling period. The field stage was carried out for two years according to an augmented experimental design under normal sowing and late sowing conditions with temperature stress. In the climate chamber stage, the study was conducted at the GAP International Agricultural Research and Training Center under optimum conditions and conditions with induced high temperature stress.
During the field stage of the study, compared to normal conditions, the following changes were observed under late sowing conditions: NDVI (Normalized Difference Vegetation Index) during the milk ripening stage exhibited a 3-14% decrease. SPAD values during the flowering period decreased by 5-8%, and during the milk ripening period, they decreased by 3-6%. The number of days to heading decreased by 44-37%. Flag leaf area decreased by 17-18%. Peduncle length decreased by 19-16%. The duration of flag leaf greenness decreased by 18-19%. The duration of grain filling decreased by 19-18%. Plant height decreased by 8%. The duration of physiological maturity decreased by 38-33%. Spike length decreased by 17-15%. The number of spikelets per spike decreased by 22-19%. The number of grains per spike decreased by 44-19%. Thousand grain weight decreased by 9-11%. Semolina color (b-value) decreased by 11-6%. Grain yield decreased by 41-23%.
In the climate chamber stage, under high-temperature stress conditions compared to optimum conditions, the following reductions were observed; flag leaf greenness duration decreased by 20%. Physiological maturity duration decreased by 7%. Spike length decreased by 10%. Upper stem length decreased by 18%. Grain filling duration decreased by 23%. The number of spikelets per spike decreased by 12%. The number of grains per spike decreased by 39%. Thousand grain weight decreased by 33%. Among the studied traits, it is believed that low canopy temperature, SPAD values, early heading, flag leaf erectness, flag leaf greenness duration, flag leaf color, waxiness, and grain filling duration could serve as selection criteria for developing wheat varieties tolerant to high-temperature stress in the region. Additionally, the local durum wheat genotypes identified as tolerant to high temperatures in this study will provide valuable insights for wheat breeding programs aimed at improving tolerance to high-temperature stress in the region. 
At the molecular level, local durum wheat varieties collected from different provinces in the Southeast Anatolia Region have exhibited variations in agronomic traits. In this study, Genome-Wide Association Analysis (GWAS) was conducted using SNP marker technology. To elucidate the relationship between markers and phenotypes, the Mixed Linear Model (MLM) method was employed. During the field stage, 253 significant SNP markers were identified for 31 traits associated with normal sowing conditions based on a Log10(P-value)> 2.5 threshold. In the late sowing period, 285 significant SNP markers were detected using the same threshold.
In the controlled environment stage, under optimum conditions, 90 significant SNP markers were identified for 14 traits based on a Log10(P-value)> 2.5 threshold. Under high-temperature stress conditions, 79 significant SNP markers were similarly detected. Once these SNP markers are validated across multiple production seasons in different locations, they can be utilized during the selection phase of breeding programs aimed at developing heat-tolerant durum wheat varieties.
 
Key words: Durum wheat landraces, high temperature stress, selection criteria, SNP, QTL