Наследование ветвистости у подсолнечника

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«КУБАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

(ФГБОУ ВПО «КубГУ»)

Кафедра генетики, микробиологии и биотехнологии ДИПЛОМНАЯ РАБОТА Наследование ветвистости у подсолнечника Работу выполнила В. В. Иванова Научный руководитель д-р биол. наук, доц.

В.В. Тюрин Краснодар 2013

РЕФЕРАТ Работа представлена на 29 страницах текста. Содержит 7 таблиц, 5 рисунков. Библиография наименований на русском языке.

Объект исследования: Helianthus annuus L.

Цель исследования: генетический анализ признака «ветвистости стебля».

Материал: 16 семей гибридов F1, F2, BC (F1ЧP1), BC (F1ЧP2), полученных от скрещивания двух селекционных линий с неветвящимся стеблем и двух гибридных форм с рецессивным типом ветвления.

Методы: использование стерильных аналогов материнских линий, искусственные скрещивания, инцухт для статистической обработки две модернизации критерия ч2 (Пирсона) с целью сравнения эмпирического отношения расщепления с теоретически ожидаемым или двух эмпирических.

Установлено, что ветвистость стебля у подсолнечника масличного контролируется двумя несцепленными изоэпистатическими генами (обозначены В, С). Ветвящаяся селекционная линия ВК678А имеет генотип BBсс, линия ВА93АBbbс, ветвящиеся гибридные формы IF1Авангард и IF Темп — bbcc. Предложен путь преобразования генотипа ВА93 (BbCc) в ВА93 (BBCC, BbCC, BBCc) не дающую расщепления по ветвистости в F1.

Область использования результатов — генетические основы селекции подсолнечника.

СОДЕРЖАНИЕ Введение

1. Становление подсолнечника как сельскохозяйственной культуры и современные направления его селекции (обзор литературы

1.1 Краткая история подсолнечника Helianthus аnnuus как сельскохозяйственной культуры

1.2 Основные направления современной селекции подсолнечника

2. Материал и методы исследования

3. Анализ наследования ветвистости стебля подсолнечника

3.1 Конкретизация задачи исследования

3.2Анализ наследования признаков гибридами F1

3.3 Раздельный по селекционным линиям генетический анализ поколений гибридов F2 и беккроссов на доминантную и рецессивную родительские формы Заключение Библиографический список подсолнечник селекция гибрид беккросс

ВВЕДЕНИЕ

Генетический анализ позволяет установить число и способ взаимодействия генов, контролирующих признак, и, таким образом, количественно строго описать его наследование. Важнейшим результатом генетического анализа становится возможность прогнозировать обусловленную расщеплением изменчивость признака в потомстве от скрещивания конкретных фенотипически различающихся форм.

Неудивительно, поэтому, что первоначально становление генетики, как теоретической основы селекции связывали именно с генетическим анализом, позволяющим построить селекцию как планомерное конструирование желательных генотипов. Удивительно другое — игнорирование с самого начала очевидного обстоятельства, что успех менделеевского генотипического анализа однозначно обусловлен исследованием признаков с дискретной изменчивостью (качественных, альтернативных). Большинство признаков, слагающих продуктивность, к этой категории не относятся. Уже в 1940 г. Н. И. Вавилов в «Критическом обзоре современного состояния генетической теории селекции растений и животных» [Вавилов, 1957] предостерегал от поиска «генов продуктивности», деликатно называя соответствующие изыскания «наивной генетикой», и тем самым способствовал естественной переориентации генетической теории селекции в область генетико-физиологических, генетико-эволюционных, популяционных, а в настоящее время эколого-генетических исследований.

Теперь роль генетического анализа в селекции строго ограничена признаками с дискретной изменчивостью, но после его применения остались еще достаточно широкими, поскольку среди селекционно-значимых такие признаки не являются редкими. К их числу у подсолнечника принадлежит и альтернативная пара «ветвистый — неветвистый стебель». Только первый из признаков (однокорзиночные формы) соответствует габитусу культурных сортов масличного подсолнечника. Ветвление стебля характерно для дикорастущих видов подсолнечника или форм, полученных от межвидовых гибридов. Оно используется только в селекции декоративных форм.

Для получения гетерозисных гибридов в селекции масличного подсолнечника используют отцовские формы с рецессивным признаком «ветвящийся стебель», а в качестве материнских — селекционные однокорзиночные линии, а точнее их аналоги с цитоплазматической мужской стерильностью. Крайне негативным последствием таких скрещиваний оказывается появление гибридов, с ветвящимся стеблем уже начиная с F1 с обычно низкой, но иногда и значительной частотой.

Для выяснения причины появления ветвистых форм необходим генетический анализ, проведение которого и стало задачей данной работы. Требовалось:

— доказать (или отвергнуть) саму возможность связать наблюдаемый результат с расщеплением в потомстве селекционных инцухт-линий, которые всегда считаются гомозиготными;

— определить число и способ взаимодействия генов, контролирующих признак.

1. СТАНОВЛЕНИЕ ПОДСОЛНЕЧНИКА КАК СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ КУЛЬТУРЫ И СОВРЕМЕННЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЕГО СЕЛЕКЦИИ (ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ)

1.1 Краткая история подсолнечника Helianthus аnnuus как сельскохозяйственной культуры Подсолнечник относится к семейству астровых Asteraсеае L. (Сложноцветных Compositae L.), полиморфному роду Helianthus. В различных классификациях к этому роду относят от 50 до 264 видов.

В полевой культуре используют два вида: однолетний диплоидный — (Heliaпthus аnnuus L. ssр cultus), (2n =34) и многолетний гексаплоидный — (Helianthus tuberosus L.), (2n=102).В соответствии с новой классификацией диплоидный однолетний вид Н. аnnuus включает три подвида, которые ранее выделяли как самостоятельные виды: Н. аnnuus, Н. Iеnticularis, H. petiolaris [Жуковский, 1971].

Подсолнечник имеет мощный, облиственный, зеленый, травянистый, в нижней части одревесневший стебель, заканчивающийся соцветием. Поверхность стебля шероховатая, опушена многоклеточными волосками, защищающими растение от перегрева и испарения влаги. Благодаря этому подсолнечник устойчив к воздушной засухе. Длина стебля варьирует от 50 см у скороспелых до 200 см у среднеспелых сортов масленичной группы и до 450 см у растений силосных сортов.

Первые планомерные исследования и научная селекция подсолнечника в России были начаты в 1912 году на опытном поле «Круглик» в Екатеринодаре (ныне г. Краснадар) В. С. Пустовойтом (1886−1972гг.). Позднее на его базе был создан Всероссийский научно-исследовательский институт масличных культур — (ВНИИМК).

В селекции подсолнечника в настоящее время отбирают растения с нехрупким у основания главным корнем, с большим числом разветвлений в пахотном слое. У возделываемых сортов стебель должен быть прямостоячим, не поникающим после цветения, не склонным к ветвистости и надламыванию, одинаковой длины у всех растений. Ветвистые формы с рецессивным типом наследования часто используются в качестве отцовских растений в селекции на гетерозис. Короткостебельность должна сочетаться с увеличением диаметра стебля, что способствует снижению суточных дефицитов оводненности и повышению интенсивности деления клеток, запасающих жир. Для экономного расходования влаги растения идеального типа должны формировать ценозы с индексами площади листьев 2 га на 1 га посева и с меньшей зависимостью от влагообеспеченности.

Листья у подсолнечника простые, черешковые, без прилистников, расположены на стебле спирально, и только самые нижние (2-З пары) располагаются супротивно. Число листьев в основном определяется наследственными особенностями растений и тесно связано со свойственной сорту продолжительностью вегетации. Растения сортов среднеспелой группы имеют обычно 27−30 листьев. Длина и ширина их меняется по-ярусно: от нескольких сантиметров до полуметра. Пластинки цельные цельнокрайние у самых нижних и с зубчатыми или крупнопильчатыми краями у всех остальных листьев. Жилкование веерообразное или нормальное [Дьяков, Перестова, 1975].

Соцветие подсолнечника — корзинка, укрытая на периферии многорядной листовой оберткой. По краям соцветия располагаются бесполые язычковые цветки, к центру концентрическими кругами обоеполые трубчатые цветки. Пять тычинок со сросшимися в виде трубок пыльниками и свободными нитями окружают столбик пестика. Пыльники вскрываются продольными щелями внутрь трубочки. Пестик имеет двухлопастное, покрытое ворсинками рыльце, цилиндрический столбик и нижнюю одногнездовую завязь с одной семяпочкой. В центре корзинки должен быть резерв завязей для увеличения продуктивности в более благоприятных условиях возделывания.

Подсолнечник — перекрестноопыляющееся энтомофильное растение. Опылители — пчелы, шмели и некоторые другие насекомые. Определенное значение имеет ветроопыление, хотя пыльцевые зерна относительно крупные и легко слипаются. Перекрестному опылению способствуют разновременное созревание тычинок и пестика (протерандрия), расположение пыльников и рыльца пестика на разных уровнях (пестик, находящийся выше, затрудняет самоопыление), а также генетическая система самонесовместимости, при которой подавляется рост пыльцевых трубок собственных пыльцевых зерен в столбике пестика. Тем не менее, во многих исследованиях отмечаются, что при самоопылении растений в различных популяциях подсолнечника наблюдаются колебания от полной стерильности до высокой степени завязывания семян [Коновалов, 1990]. Максимальное число цветков, закладывающихся в корзинке, может достигать 8 тысяч. Но в подавляющем большинстве случаев корзинка имеет 1,2 — 4,0 тысяч цветков. Диаметр корзинки зависит от условий произрастания и варьирует от 10 до 26 см [Дьяков, Перестова, 1975].

Плод — семянка с кожистым околоплодником (лузгой), не срастающимся с семенем (ядром). От 70% до 90% внутренней полости околоплодника занимает семя (ядро семянки). Форма семянок сжатояйцевидная, с закругленными концами и ребрами. Окраска варьирует от черного цвета через серые и коричневые оттенки, полосатые и до белой.

Вегетационный период подсолнечника длится 80−140 суток. Подсолнечник — культура теплои влаголюбивая.

Родиной подсолнечника считается южная часть Северной Америки. В Европу его привезли испанцы в 1510 году для декоративных целей. В Россию он попал в XVIII вв. из Голландии тоже в качестве декоративного растения, а семянки иногда использовались в качестве лакомства.

Первое упоминание о возможности добывания масла из него относится к 1769 г. В 1835 году крепостной крестьянин из села Алексеевка Воронежской губернии Бокарев Д. С. впервые получил масло из семянок подсолнечника, который выращивался у него на огороде. Затем посевы этой культуры стали постепенно распространяться в Воронежской и Саратовской губерниях, на Украине, Северном Кавказе и в Сибири. Поэтому можно считать, что второй родиной нового в мировом земледелии масличного растения стала Россия. В 1860 г. В нашей стране были начаты работы по селекции масличных сортов подсолнечника. Таким образом, культурный подсолнечник (Helianthus Cultus Wenzl) можно считать отечественной культурой. В её создании большую роль сыграли выдающиеся селекционеры Е. М. Плачек, Л. А. Жданов, В. С. Пустовойт и др. Именно в нашей стране имеется самое большое биоразнообразие форм, сортов и гибридов культурного подсолнечника [Малюга, Квашин, Загорулько, 2011]

1.2 Основные направления современной селекции подсолнечника Работа по созданию высокоолеиновых сортов и гибридов подсолнечника, масло которых по жирно-кислотному составу и питательной ценности аналогично оливковому и может использоваться в качестве полноценного заменителя последнего в масложировой, консервной и медецинской промышленности является одним из приоритетных направлений исследований ВНИИМК.

Разработка методов анализа жирно-кислотного состава, позволяющих проводить оценку отдельных семянок (и даже частей семядолей) и исследования по генетике данного признака [Демурин, 1999] значительно упростили задачу по созданию линий подсолнечника с высоким содержанием олеиновой кислоты в масле. Этому же способствовала предварительная наработка селекционного материала, сочетающего наличие данного признака с комплексом хозяйственных признаков. Таким образом, во ВНИИМК были созданы и внедрены в производство высокоолеиновые гибриды Краснодарский 885, Кубанский 341 и Кубанский 941 [Гончаров, 2006].

В последние годы наблюдается принципиально новый этап в селекции растений на качество масла, заключающийся в преодолении межвидовых барьеров в наследственной изменчивости по составу липидов семян. Селекционная стратегия в данном случае заключается в создании сортов и гибридов с новыми типами масла, определяемыми характером его использования. При этом возможен отбор генотипов как на экстремальные проявления признака, т. е. минимум или максимум, так и на оптимальное содержание вещества. Очевидно, что для каждого типа масла существуют параметры качества. Качество масла, т. е. его пищевые, биологические и технологические свойства, зависит от состава и молекулярного положения жирных кислот, а так же от наличия в нём различных сопутствующих соединений.

Одной из важных проблем улучшения качества масла является повышение его устойчивости к окислению (оксистабильности) с целью предотвращения накопления токсичных продуктов прогоркания при его хранении и использовании. В результате многолетнего отбора в 1993 году во ВНИИМК был создан сорт Фаворит с повышенной в 3−4 раза устойчивостью к гидролитическому распаду масла в семенах [Суровикин, Бородин, 1995]. Исследование причин этого явления, включая определение активности фермента липазы в семенах [Демурин, Попов, Левуцкая, 2003] и изучение морфобиологических признаков корзинки и семянок указывают на его сложный генетический контроль, в связи с высокой корреляцией кислотного числа масла и степени поражения семянок фитопатогенами [Демурин, 2006]. В целом биохимическая генетика липидов, совместно с селекцией на качество масла, позволят создавать сорта и гибриды подсолнечника с новыми типами масел, максимально соответствующими требованиям пищевой, медицинской и других отраслей промышленности [Демурин, 2006].

Одним из наиболее вредоносных и распространенных в мире заболеваний подсолнечника является ложная мучнистая роса, вызываемая облигатным грибным паразитом Plasmopara halstedii (Farl.) Berl et de Toni. Болезнь поражает подсолнечник в большинстве стран мира — практически везде, где он выращивается. В Краснодарском крае подсолнечник начал заметно поражаться ложной мучнистой росой, начиная с 1950 года. Однако проблема создания устойчивых сортов и гибридов оказалась гораздо сложнее, вследствие появления новых физиологических рас патогена, которых идентифицировано к настоящему времени в мире около 17 [Антонова, 2003]. С созданием за рубежом линий-дифференциаторов подсолнечника стало возможным идентифицировать расы Plasmopara halstedii. Когда эти линии стали доступны и в России, была начата идентификация рас патогенна в Белгородской области и Краснодарском крае. Таким образом, в регионах Северного Кавказа в 2004;2005 годах во ВНИИМК выявлено 7 рас возбудителя ложной мучнистой росы подсолнечника, среди которых расы высокой вирулентности. Полученные данные свидетельствуют о происходящих изменениях в популяции Plasmopara halstedii, поражающей культуру в регионе. Поэтому чрезвычайно важен постоянный контроль над расовым составом патогенна, это — необходимое условие для успешной селекции и рационального размещения устойчивых сортов и гибридов подсолнечника [Ивебор, Антонова, Арасланова, 2005].

Одним из основных напрвлений селекции подсолнечника во ВНИИМК является генетический контроль эректоидности листа. Создание признаковой коллекции подсолнечника по габитусу растения с эректоидным типом листьев основывается на включении в неё линий с максимальным спектром изменчивости по данному признаку. Известно три идентифицированных гена эректоидности листьев подсолнечника. Один из них доминантный ген Er (erectoid leaf) [Демурин, 1986] и два рецессивных гена er1 и er2 [Ведмедева, 2001; Пимахин, 1996]. Межгенное взаимодействие осуществляется по типу доминантного эпистаза гена Er над er1 и er2, а так же рецессивного эпистаза er2 над er1 [Демурин, 2005].

Селекционная ценность набора изученных эректоидных линий, как доноров признака, основывается на принадлежности генов к одному или разным локусам, т. е. информации об их аллельности, на различии в фенотипическом проявлении неидентичных генов, что дает возможность выбора генов с максимальным соответствием целям селекции и, наконец, количеством генов, контролирующих признак, что определяет выбор метода передачи генов в селекционный материал [Толмачева, Демурин, 2008].

2. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Экспериментальная часть работы выполнена в лаборатории генетики Всероссийского НИИ масличных культур (ВНИИМК) в ходе учебной и учебно-исследовательской практик. Личный вклад автора в участии в проведении опылений, учете расщепления в поколениях гибридов и, главным образом, генетическом анализе наследования признака «ветвистость стебля» подсолнечника.

Известно, что отдельно взятое скрещивание отвечает только на вопрос о числе генов, по которым различаются использованные родительские формы. Генетика признака, то есть система его генетического контроля, может быть изучена лишь по итогам анализа некоторого комплекса специально спланированных скрещиваний. Даже если наблюдаемое разнообразие гибридов по изученному признаку обязано их различию по аллелям одного гена (так называемое могогибридное скрещивание), полный генетический анализ требует постановки четырех скрещиваний:

Р1 Ч Р2 — родительские материнские и отцовские формы;

F1 — самоопыление для получения F2 ;

F1 Ч P1 — возвратное (беккросс) скрещивание гибридов F1 с материнской формой;

F1 Ч P2 — то же с отцовской.

Итоги 16 скрещиваний четырех родительских форм: ВА93А (-), ВК678А (-), IF1 Авангард (+), IF1 Темп (-) — организованны в четыре аналогичные схемы. Знак (-) после названия форм соответствует фенотипу «неветвящиеся», знак (+) — «ветвящиеся».

В качестве материнских родительских форм во всех скрещиваниях были использованы ВК678А или ВА93А — селекционные однокорзиночные (неветвящиеся) линии. Буква в конце названия линий означает, что во избежание самоопыления использованы их мужские стерильные аналоги.

Отцовские ветвящиеся формы были получены в ходе селекционной работы с трехлинейным гибридом Авангард и простым гибридом Темп. Для обоих характерно, что в F1, полученным с их участием, с низкой частотой (около 1%-2%) обнаруживаются растения с ветвистым стеблем. Последние были изолированы и самоопылены. В потомстве от инцухтирования все растения были ветвистыми, что выявлялось при их высеве на следующий год в полевых условиях. Полученные формы (обозначаемые IF1) и стали отцовскими родителями изучаемых в работе гибридов.

Поскольку по характеру ветвления стебля они не различались, было выбрано по три типичных особи, смесь пыльцы которых и была нанесена на рыльца двух растений каждой однокорзиночной линии. Так были получены анализируемые далее гибридные потомства первого поколения. Следует отметить методическую особенность важную при построении математических моделей расщепления в F2 и обоих беккроссов: в самоопыление для получения F2 вовлекались все растения F1. При проведении беккроссов смесь пыльцы гибридов F1 наносили на рыльца доминантной и рецессивной родительских форм.

(-)ВК678А Ч IF₁ Авангард (+)

[67(-):28(+)] F₂ F₁ [17(-):1(+)] IF₁ Авангард ВС [37(-):35(+)]

ВК678А ВС [36(-):0(+)]

Рисунок 1. Схема скрещиваний с участием ВК678А и IF1 Авангард Здесь и последующих аналогичных схемах стрелка указывает на потомство от беккросса.

(-)ВК678А Ч IF₁ Темп (+)

[61(-):22(+)] F₂ F₁ [18(-):0(+)] IF₁ Темп ВС [20(-):29(+)]

ВК678А ВС [48(-):0(+)]

Рисунок 2. Схема скрещиваний с участием ВК678А и IF₁ Темп

(-)ВА93АЧIF₁ Авангард (+)

[68(-):27(+)] F₂ F1 [13(-):3(+)] IF₁ Авангард ВС [10(-):17(+)]

ВА93А ВС [46(-):2(+)]

Рисунок 3. Схема скрещиваний с участием форм ВА93А и IF1 Авангард

(-) ВА93АЧIF1 Темп

[71(-):43(+)] F₂ F₁ [12(-):6(+)] IF₁ Темп ВС [28(-):30(+)]

ВА93А ВС [31(-):9(+)]

Рисунок 4. Схема скрещиваний с участием форм ВА93А и IF1 Темп В систематическом анализе отношений скрещиваний решаем 2 задачи:

— соответствия, то есть отсутствие достоверных различий, эмпирического отношения расщепления и теоретически ожидаемого на основе генетической модели. Последняя представлена соотношением частот классов расщепления и, поэтому, называется также математической (М.М.);

— однородности (или неоднородности) двух эмпирических отношений расщепления. Нуль-гипотеза H0 состоит в предположении об отсутствии различий между сравниваемыми отношениями. В связи с этим в качестве теоретически ожидаемой частоты каждого из классов используется сумма его эмпирических частот по двум изучаемым отношениям, умноженная на поправочный коэффициент — долю данного расщепления от общего объёма выборок гибрида (в тексте работы рассмотрен конкретный пример).

Формула критерия ч2 = ч20,5(0,1)

где ч2 — фактическое значение критерия;

ч20,5(0,1) — стандартное значение критерия для 5%-го или 1%-го уровня значимости;

ni ;- эмпирическая и теоритически ожидаемая частоты i-го класса расщепления.

Формулы определения числа степеней свободы различны:

df=(k-1) и df=(k-1) (r-1),

где df — число степеней свободы;

kчисло классов расщепления;

r — число сопоставляемых расщеплений.

В качестве критического уровня значимости определен 1%-ый, поскольку в решаемых задачах он соответствует не повышенному. А обычному уровню надежности и статистического вывода [Терентьев, Ростова, 1977].

При ч2? ч201 нуль-гипотеза отвергалась, при ч2<�ч201 — принималась.

3. АНАЛИЗ НАСЛЕДОВАНИЯ ВЕТВИСТОСТИ СТЕБЛЯ ПОДСОЛНЕЧНИКА

3.1 Конкретизация задачи исследования Предварительный генетический анализ четырех приведенных схем скрещивания (см. рис. 1−4), выполненный сотрудниками лаборатории ВНИИМК (канд. биол. наук О.М. Борисенко), привел к заключению о моногенном наследии признака. Действительно, для такого заключения есть наблюдаемые основания. Два наиболее весомые состоят в следующем:

— признак «ветвящийся стебель» (+) рецессивен, «неветвящийся» (-) — доминантен, о чем свидетельствует безусловное численное преобладание (-)-форм в F2 гибридов всех комбинаций скрещивания;

— возвратное скрещивание гибридов F1 рецессивной родительской формой является. Таким образом, анализирующим, и ожидаемое здесь расщепление 1(+):1(-) неизменно реализуется во всех четырех схемах (табл. 1)

Таблица 1. — Генетический анализ расщеплений в потомстве от анализирующих скрещиваний гибридов F1 с рецессивной родительской формой.

Однако в исследованных расщеплениях зафиксированы и отклонения от моногенной схемы наследования. Это, в частности, появление ветвящихся форм (+) в F1 скрещивания ВА93А Ч Авангард (или Темп), несоответствие формуле 3:1 в F2 тех же скрещиваний и наличие отдельных (+)-гибридов в беккроссах F1 на доминантную родительскую форму. Где их не следовало ожидать.

Для объяснения противоречий выдвинуто дополнительное предположение о генетической нестабильности соответствующего локуса (далее обозначаемого символом В). С позиций генетики нестабильность можно связать с эффектом мобильных генетических элементов или с так называемой «варьирующей пенетрантностью», под которой подразумевается варьирование соотношения классов расщепления в зависимости от генетической среды — генов-модификаторов [Тимофеев-Рессовский, 1925; Четвериков, 1925; цит. по Инге-Вечтомов, 2010]. Другими словами, дополнение вполне правомерно, но выдвинуто оно несколько преждевременно.

Весь опыт генетического анализа свидетельствует о его эффективности при условии следования традиционной схеме: «от проверки самых простых (моногенных) гипотез о природе расщепления к все более сложным». При этом очередная гипотеза выдвигается тогда, когда возможности предыдущей для объяснения наблюдаемых расщеплений исчерпаны.

В данном случае еще не следовало выходить за рамки традиционного менделевского анализа и допустить существование еще одного гена (далее обозначен С), контролирующего расщепление по ветвистости стебля подсолнечника. Оценка дигенной гипотезы и составила задачу работы в конкретной её формулировке.

3.2Анализ наследования признаков гибридами F1

Уже в первом поколении гибридов обнаруживаются принципиальные различия результатов скрещивания отцовских (+) форм IF1 Авангард или IF1 Темп с материнскими (-) линиями ВК678А и ВА93А (см. рис. 1−4). В двух скрещиваниях с участием линии ВК678А в F1 зафиксированы соотношения частот гибридов [17(-):1(+)] и [18(-):0(+)]. В соответствующих скрещиваниях с участием ВА93А — соотношения [13:3] и [12:6].

Вторая пара соотношений с положительным результатом сопоставлена на предмет однородности (табл. 2)

Таблица 2 — Оценка однородности расщепления частот (-) и (+) гибридов в F1 скрещиваний ВК678А Ч IF1 Авангард (Темп)

Примечания:

1. Здесь и в последующих аналогичных таблицах П.К. — поправочный коэффициент, обеспечивающий сравнение распределений разного объёма;

2. рН0 — вероятность нуль-гипотезы об отсутствии достоверных различий межу эмпирическими распределениями.

Расщепления в F1 с участием линии ВК678А [17(-):1(+)] и [18(-):0(+)] статистически не могли быть сопоставлены: не выполнялось требование к применению критерия ч2, согласно которому наименьшая теоретически ожидаемая частота при двух классах расщепления не может быть меньше чем 4 [Урбах, 1964]. В данном случае она составила бы только 2,1. Однако при относительно малых выборках гибридов столь незначительному расхождению распределения [17(-):1(+)] и [18(-):0(+)] едва ли следует придавать значение. «Появление» одного (+)-гибрида в 2-х скрещиваниях, вероятнее всего, результат ошибки эксперимента.

Сопоставление суммарных распределений по двум парам скрещиваний распределений (табл. 3) окончательно убеждает в принципиальном различии семей, полученных от разных материнских (-) линий.

Таблица 3 — Оценка однородности расщеплений частот (-) и (+) гибридов F1, полученных в потомстве линий ВК678А и ВА93А.

Полученный результат позволяет считать, что гибриды F1 от скрещивания ВК678А Ч IF1 Авангард (Темп) единообразны и имеют (-)-фенотип, а в потомстве ВА93АЧАвангард (Темп) имеет место расщепление 25(-):9(+). Такое расщепление статистически безупречно отвечает математической модели 3:1. Теоретически ожидаемое отношение [25,5:2,5] дает при скрещивании с 25:9 величину ч2 = 0,04; рН0 >> 0,05.

В случае дигенного наследования модель 3:1 соответствует анализирующему скрещиванию дигетерозиготы по изоэпистатическим генам, т. е когда функции взаимодействующих генов идентичны. С этих позиций предполагаемые генотипы родительских форм следующие: ВК678А — ВВсс, ВА93А — BbCc, IF1 Авангард и IF1 Темп — bbcc. Соответствующие схемы скрещиваний представлены на рисунке 5.

ВК678А Ч IF₁ Авангард (Темп) ВА93А Ч IF₁ Авангард (Темп)

ВВсс bbcc ВbCс bbcc

(-) (+) (-) (+)

F₂ BbCc (-) F₁ [1BbCc: 1Bbcc: 1bbCc: 1bbcc]

(-) (-) (-) (+)

Модель 1(-):0(+) Модель 3(-):1 (+)

Рисунок 5. Схема скрещиваний селекционных линий с неветвящимся стеблем и ветвящихся форм IF1 Авангард (Темп) Следствием принципиальных различий гибридов F1 в комбинациях скрещиваний ВК678А Ч IF1 Авангард (Темп) и ВА93А Ч IF1 Авангард (Темп) могут стать различия расщеплений и в двух поколениях гибридов, полученных с их участием. В практическом плане это указывает на необходимость раздельного генетического анализа схем скрещивания, где материнскими формами выступали эти две различные селекционные линии.

Генетический анализ гибридов F1 привел, таким образом, к двум заключениям:

— предполагаемые генотипы селекционных линий ВК678А и ВА93А по двум изоэпистатическим генам (обозначены В и С), контролирующим ветвистость стебля, следующие: BBcc и BbCc, соответственно;

— генетический анализ соответствующих систем скрещиваний (1,2 и 3,4 на рис. 1) следует проводить раздельно.

3.3 Раздельный по селекционным линиям генетический анализ поколений гибридов F2 и беккроссов на доминантную и рецессивную родительские формы С целью систематизации материала по большому числу поставленных скрещиваний (см. рис.1−4) сначала выполнена оценка аналогичных пар расщеплений с участием двух различных рецессивных (+) — форм: IF1 Авангард и IF1 Темп, — на их однородность и возможность объединения (табл. 4)

Из результатов табл. 4 следует, что во всех парах аналогичных поколений гибридов с участием (+)-формы IF1 Авангард и IF1 Темп отношения расщепления правомерно объединить. В этом убедительно доказательство сходства генотипов Авангарда и Темпа по генам ветвистости стебля — bbcc.

Когда генотипы родительских форм предварительно определены, генетический анализ переходит в свою основную и завершающую фазу. Она состоит в прогнозировании математических моделей. И, соответственно, теоретически ожидаемых отношений расщепления с последующим их сравнением с эмпирическими. В случае отсутствия статистически достоверных различий между этими отношениями модель считается адекватной, а проверяемая генетическая гипотеза — верной.

При изучении гибридов с участием линии ВК678 никаких проблем на этом этапе не возникло. Действительно, при скрещивании ВК678 (генотип BBcc) с рецессивной отцовской формой (bbcc) гибриды F1(Bbcc) фенотипически единообразны и имеют неветвящийся стебель. Гибриды F2, полученные самоопылением F1 расщепляются на три генотипических класса 1BBcc:2Bbcc:1bbcc, а фенотипически (-) на два: 3В-сс:1bbcc. Суммарное эмпирическое отношение расщепления [128(-):50(+)] (см. табл.4) обнаруживает хорошее соответствие ожидаемому [133,5:44,5]; ч2= 0,91; рН0>0,05. Моногенное расщепление 3:1 подтверждается. В беккроссе на доминантную родительскую форму ВК678 расщепления не ожидается: BbccЧBBcc, и действительно, не происходит. Эмпирическое расщепление [84(-):0(+)]. В беккроссе на рецессивную родительскую форму прогнозируется расщепление 1:1 (bbccЧBbcc).Эмпирическое [57(-):64(+)] и ожидаемое [60,5:60,5] отношения статистически не различимы (ч2=0,53; рН0>0,05).

Таблица 4 — Оценка однородности расщеплений в скрещиваниях с учетом отцовских (+)-форм IF1 Авангард и IF1 Темп

Анализ схемы скрещивания с участием линии ВА93 оказался несколько сложнее в связи с её дигетерозиготностью (BbCc) и наличием расщепления уже в F1 на 4 генотипические класса [1BbCc:1Bbcc:1bbCc:1bbcc]. Потребовалось специальное конструирование модели расщепления при самоопыление генетически гетерогенного F1, а так же гаметной серии смеси его пыльцы, которая использовалась при постановке беккроссов.

Первую математическую модель строили на двух исходных посылках:

— генетически различные гибриды F1, на стадии семянки неразличимы, и поэтому, подвергаются самоопылению с той же вероятностью, с какой они представлены в расщеплении, т. е равновероятно;

— вклад в F2 каждого растения F1 не зависит от его генотипа, и, поэтому, соответствующие каждому из генотипов модели расщепления следует привести к единому объему (сумме коэффициентов).

Таблица 5 — Конструирование общей математической модели расщепления в F2 скрещивания ВА93АЧАвангард (Темп)

Общая модель: 39(-):25(+)

Вычисленному на основе общей модели теоретическому отношению [127,4(-):81,2(+)] хорошо соответствует фактически наблюдаемое в F2 расщепление [139(-):70(+)]; ч2=2,70; рН0>0,05.

При конструировании гаметного состава смеси пыльцы гибридов F1, предполагалось, что способность к пыльцеобразованию независима от генотипа. Гаметные серии так же приводили к единому объему (табл. 6)

Таблица 6 — Конструирование гаметной серии смеси пыльцы гибридов F1 от скрещивания ВА93А Ч IF1 (Авангард, Темп)

Когда смесь пыльцы такого состава наносится на рыльца дигетерозиготной линии (Bc ВА93ЧF1) возникают 48 комбинаций гамет (табл. 7)

Таблица 7 — решетка Пеннета для прогноза потомства ВА93ЧF1

Математическая модель расщепления 55(-):9(+).

Полученная математическая модель [55(-):9(+)] адекватна. Соответствующее ей теоретически ожидаемое отношение расщепления [75,6(-):12,4(+)] статистически неотличимо от эмпирического [77(-):11(+)]; ч2=0,18; рН0>>0,05. Таким образом, дигенная модель вновь подтверждается.

Полностью подтвердился и прогноз на ожидаемое расщепление во втором бэккроссе F1 на рецессивную родительскую форму (IF2 Авангард или IF2 (Темп). Как и ожидалось в анализируемом скрещивании расщепление среди гибридов повторило соотношение в серии гамет генетически гетерогенного F1 [1BC:3Bc:3bC:9bc] (см. табл. 6). При изоэпистатичности генов В и С ожидаемое расщепление по фенотипу 7(-): 9(+). Теоретически ожидаемое расщепление [75,6:12,4] практически совпало с эмпирическим [77:11]; ч2=0,18; рН0>0,05.

Таким образом, вся совокупность данных о расщеплении в 8 скрещиваниях с участием линии ВА93А находится в согласии с проверяемой гипотезой о ее дигетерозиготности по генам, контролирующим склонность к ветвистости стебля подсолнечника.

Остается вопрос о генетических рекомендациях по предотвращению ветвящихся форм в любом поколении от скрещиваний типа ВА93АЧIF1 (Авангард, Темп).

Самое простое заключается, конечно, в отказе от использования дигетерозиготных селекционных линий, но оно ведет к сокращению числа линий, обладающих хорошей комбинационной способностью. Другое решении состоит в превращении дигетерозигот BbCc в моногетерозиготы ВВСс, BbCC или даже гомозиготы ВВСС.

Такое решение потребует двух поколений индивидуального инцухта неветвящихся гибридов F1: 1BbCc: 1BbCC: 1BBCc, — и одного скрещивания оставляемых на каждом этапе работы генотипов с IF1 (Авангард, Темп).

В первом поколении индухта по расщеплению [15(-):1(+)] распознаются дигетерозиготы. Обладающие доминантными аллелями обоих генов — BbCc. Два другие генотипа изымаются по расщеплению [3(-):1(+)]. Во втором поколении индухта выбираются по отсутствии расщепления 5 генотпов: 1BBCC, 2BBCc, 2bbCC, 1BBcc, 1bbCC. В потомстве от их скрещивания с IF1 (Авангард, Темп) — bbcc отбраковываются две гомозиготы BBcc и bbCc по расщеплению [1(-):1(+)]. Искомые генотипы 1 BBCC, 2 BbCC и 2BBCc в смеси образуют гаметную серию [4BC: 1Вс: 1bС] при перекрестном опылении исключающую появление ветвящихся растений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В селекции подсолнечника масличного перспективные гетерозисные гибриды часто получают путем скрещивания селекционных неветвящихся (однокорзиночных) инцухт-линий и форм с рецессивно наследуемой ветвистостью стебля. Вопреки ожидаемому единообразию гибридов F1 в части скрещиваний среди них появляются, хотя и с низкой частотой, ветвящиеся растения. Явление нежелательное, поскольку весь опыт возделывания культурного подсолнечника свидетельствует о безусловном хозяйственном преимуществе однокорзиночных форм.

Среди возможных генетических причин неоднородности гибридов по фенотипу расщепление представляется наименее вероятным. Оно возможно лишь при гетерозиготности селекционных инцухт-линий, которые по самому способу их получения представляют собой материал с высокой степенью гомозиготности.

И, тем не менее, проведенный в данной работе генетический анализ указывает именно на расщепление в потомстве некоторых линий, как основной источник фенотической гетерогенности их гибридов.

По итогам классического генетического анализа четырёх полных схем скрещивания показано:

признак вествистости стебля у подсолнечника контролируется двумя несцепленными диаллельными генами (обозначены В, С); способ их взаимодействия — изоэпистаз, при котором фенотипические эффекты обоих генов одинаковы;

генотипы родительских форм: ВК678А — ВВсс, ВА93А — BbCc, IF1 Авангард и IF1 Темп — aabb;

в системе скрещиваний с участием селекционной линии ВК678А реализуется типичная моногенная схема наследования;

в F1 гибридов с участием гетерозиготной линии ВА93А происходит расщепление на четыре генотипические класса: BbCc, Bbcc, bbCc, bbcc, — из которых три первые определяют фенотип «неветвящийся стебель» (-), а четвёртый — «ветвящийся» (+);

в связи с дигетерозиготностью селекционной линии ВА93А и изоэпистатическим взаимодействием генов, рассчитанные математические модели расщепления для всех скрещиваний с её участием оказались необычными: F1 — [ 3(-):1(+)]; F2 — [ 39(-):25(+)]; беккрос F1 Ч Р (+) — [7(-):9(+)]; беккрос F1 Ч Р (-) — [55(-):9(+)].

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Дьяков А. Б. Морфология и анатомия подсолнечника / А. Б. Дьяков, Т. А. Перестова подсолнечник, монография / /Под ред. Пустовойта В. С. — М: Колос, 1975. — С. 21−29.

Ведмедева Е. В. Новые маркерные морфологические признаки подсолнечника / Е. В. Ведмедева, В. В. Толмачев // Науч. — техн. бюл. ВНИИМК. — Краснодар, 2001. — Вып. 124. — С.31−33.

Демурин Я. Н. Наследование некоторых маркерных признаков подсолнечника / Я. Н. Демурин, В. В. Толмачев // Вопросы прикладной физиологии и генетики масличных культур. — Краснодар, 1986. — С. 14−19.

Демурин Я. Н. Идентификация генов эректоидности листа у подсолнечника / Я. Н. Демурин, Н. Н. Толмачева // Масличные культуры: Науч. — техн. бюл. ВНИИМК. — Краснодар, 2005. — вып. 2(133). — С.7−11.

Пимахин В. Ф. Генетический контроль эректоидного типа листьев у подсолнечника. Наследование признака «расстояние от стебля до основания листовой пластинки» / В. Ф. Пимахин, С. П. Кудряшов, Ю. В. Лобачев // Вопросы генетики, селекции и семеноводства с.-х. культур в Поволжье.- Саратов, 1996. — С.87−96.

Демурин Я. Н. Генетический анализ и селекционное использование признаков состава жирных кислот и токоферолов в семенах подсолнечника // Автореф. дис. докт. биол. наук. — Санкт-Петербург, 1999. — 36с.

Суровикин В.Н., Бородин С. Г. Новый сорт подсолнечника Фаворит / Науч. — техн. бюл. ВНИИМК. — Краснодар, 1995. — Вып. 116. — С.25−26.

Демурин Я. Н., Попов П. С., Левуцкая А. Н. Устойчивость масла к гидролитическому распаду в семенах подсолнечника // Наука Кубани. — 2003. — № 1. — С.83−87.

Антонова Т. С. Селекция подсолнечника на иммунитет / История научных исследований во ВНИИМК. — Краснодар. — 2003. — С.253−272.

Ивебор М.В., Антонова Т. С., Арасланова Н. М. Новые расы Plasmopara halstedii — возбудителя ложной мучнистой росы подсолнечника — на Северном кавказе / Наука Кубани. — 2005. -№ 2.

Демурин Я. Н. Генетика липидов семян подсолнечника / Масличные культуры: Науч. — техн. бюл. ВНИИМК. — Краснодар, 2006. С.97−103.

Я.Н. Демурин, Н. Н. Толмачева Генетический контроль эректоидности листа у линии подсолнечника Л1389 / Масличные культуры: Науч. — техн. бюл. ВНИИМК. — Краснодар, 2008. — С.12−14.

Терентьев П.В., Ростова Н. С. Практикум по биометрии / Изд.-во АГУ. — 1977. — 152с.

Инге-Вечтомов С. Г. Генетика с основами селекции: учебник для студентов высших учебных заведений / С.Г. Инге-Вечтомов — 2-е издание. — СПб.: Изд.-во Н.-Л. — 720с.

Жуковский П. М. Культурные растения и их сородичи / Жуковский П. М. — Л., Изд-во «Колос», 1971. — 751с.

Урбах В. Ю. Статистическая обработка данных в биологии, сельском хозяйстве и медицине / Урбах В. Ю. — М., 1964. 415с.

Малюга Н.Г., Квашин А. А., Загорулько А. В Подсонечник. Биология и агротехника выращивания на юге России / Краснодар, 2011. — С.9−10.