Генетический контроль окраски язычковых цветков подсолнечника

МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ

В. В. Толмачёв,

кандидат биологических наук

Научно-технический бюллетень

Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур 2006, вып. 1

Запорожский филиал европейского университета

ГЕНЕТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ОКРАСКИ ЯЗЫЧКОВЫХ ЦВЕТКОВ ПОДСОЛНЕЧНИКА

УДК 633.854.78:575.113

Подсолнечник сейчас одна из самых востребованных культур в ряде стран, в том числе и в Российской Федерации. В семеноводстве уже известно несколько примеров использования окраски язычковых цветков в качестве маркерного признака. Однако генетика этого признака изучена недостаточно.

Наследования различия окраски язычковых цветков подсолнечника выявляются и изучаются с начала ХХ века. По сообщению G. N. Fick [1] ещё в начале 1912 г. Соксеге11 указывал, что наряду с широко распространенной обычной желтой окраской язычковых цветков у подсолнечника существует изменчивость от красно-вишнёвой до почти белой окраски. Одновременно с развитием гетерозисной селекции была проведена большая часть исследований по изучению генетического контроля окраски язычковых цветков.

Первооткрыватель цитоплазматической мужской стерильности у подсолнечника Ьее!егд Р. [2] впервые установил ген оранжевой окраски язычковых цветков (ген о). Чешские исследователи Шкалоуд В., Ковачик А. [3] впервые публикуют результаты изучения наследования лимонной окраски (синоним "сернисто-желтая", "бело-желтая" окраска) язычковых цветков, контролируемой одним рецессивным геном, который Р1ск в. N. [4] в одновременно проведенном генанализе этого признака обозначил как ген I(синоним ген /а). Р1ек в. N. [1] сообщает о рецессивном эпистазе лимонной окраски по отношению к оранжевой, что повлекло дискуссию о моно- или дигенном контроле признака лимонной окраски в работах Махачека И. [5], Ковачека А., Шкалоуда В. [6].

Отсутствие генетической коллекции подсолнечника с идентифицированными генами морфологических признаков (в том числе признаков окраски язычковых цветков), принятой и используемой в качестве эталона научными учреждениями, хотя бы в Российской Федерации, приводит к такому показательному факту, что через 30 лет после описания идентичных генов /и /а, Константинова Е. А. [7] в своей работе, выполненной в НИИСХ Юго-Востока (г. Саратов), по изучению генетического контроля окраски язычковых цветков использует символы / и /а для обозначения разных генов окраски.

Ранее нами был установлен моногенный рецессивный контроль светло-желтой окраски язычковых цветков (ген /), а также абрикосовой окраски язычковых цветков (ген

Целью работы явилось полномасштабное изучение коллекций подсолнечника по признаку окраски язычковых цветков, изучение генетического контроля этого признака, идентификация генов и выяснение типов взаимодействия генов, контролирующих окраску язычковых цветков подсолнечника.

Материалы и методы. Материал в исследованиях включал в себя образцы коллекций Всероссийского института растениеводства им. Н. И. Вавилова (г. Санкт-Петербург), Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур им. В. С. Пустовойта (г. Краснодар), Института масличных культур (г. Запорожье) с различными окрасками язычковых цветков.

Посев производился ручными сажалками по схеме 70 х 70 см. Линии высевались на 1-6-рядковых делянках в 2 срока, гибриды первого поколения - на однорядковых делянках, а гибриды второго поколения - на 10-рядковых делянках площадью 35 м2.

В фазе цветения подсолнечника проводилась гибридизация. Скрещивания проводились по методике Плотникова А. И. [9]. Генетический анализ потомств проводился по методике Тихомировой М. М. [10]. Самоопылению на каждой делянке подвергалось 46 растений. Для этого использовались пергаментные изоляторы размером 500 х 400 мм.

ар) [8].

Результаты и обсуждение. При скрининге по морфологическим признакам подсолнечника в питомниках самоопыленных линий лаборатории селекции подсолнечника Института масличных культур УААН (г. Запорожье) был выделен образец с промежуточной окраской язычковых цветков по отношению к генетически изученным светло-желтой (ген /У) и лимонной (ген /) окраскам. Происхождение образца достоверно не установлено, на его основе получена линия КГ108.

Мутантный фенотип можно охарактеризовать как светло-желто-лимонную окраску, которую для терминологического удобства мы предлагаем обозначить как сернистую окраску. В своём проявлении мутация отличается стабильностью, высокой экспрессивностью, легко идентифицируется.

Нами проведен гибридологический анализ признака сернистая окраска язычковых цветков. При скрещивании линии КГ108 и линии ВА1 (светло-желтая окраска язычковых цветков) в потомстве Р1 растения обладали желтой окраской язычковых цветков. В потомстве Р2 наблюдалось расщепление в отношении 9:3:3:1 на следующие фенотипы: желтая, светло-желтая, сернистая, сернисто-светло-желтые язычковые цветки (я. ц.) (табл. 1).

Таблица 1 - Наследование сернистой

Потомство Фенотип Fi Расщепление в F2 по признаку пигментации язычковых цветков Всего Значение х2

желтые светло- желтые сернистые сернисто- светло- желтые

636/96 Желтые 95 32 37 7 171 2,24

640/96 Желтые 107 37 44 11 199 1,58

Всего 202 69 81 18 370

Ожидаемое отношение 9 3 3 1

Теоретически ожидаемое расщепление 209 69 69 23 370

Примечание. х2=3,41< X205(k=3)=7,84

В потомствах, полученных от анализирующего скрещивания, в комбинации (ВА1 х КГ108) х КГ108 наблюдалось расщепление по окраске язычковых цветков на 2 фенотипических класса: желтые и сернистые в отношении 1:1 (табл. 2).

Таблица 2 - Наследование сернистой пигментации язычковых цветков в анализирующем скрещивании

Потомство Фенотип F1 Пигментация язычковых цветков Всего Значение х2

желтые сернистые

638/96 Желтые 93 81 174 0,02

641/96 Желтые 103 103 206 0,00

Всего 186 184 370 0,01

Ожидаемое отношение 1 1

Теоретически ожидаемое расщепление 185 185 370

Примечание. x205(k=i)=3,84

Из результатов гибридологического анализа следует, что сернистый тип пигментации язычковых цветков подсолнечника линии КГ108 контролируется одним рецессивным геном, который мы предлагаем обозначить как su (от английского "sulphur"- сера).

При анализе Р2 в комбинации скрещивания линий СЛ2349 (лимонные язычковые цветки) и КГ108 (сернистые язычковые цветки) установлено также независимое наследование признаков лимонной и сернистой пигментации язычковых цветков. Растения с генотипом БиБиИ, выщепляющиеся в отношении 15:1, обладали окраской отличной от обеих родительских линий, которую можно охарактеризовать как светло-лимонную ("сернисто-лимонную").

Из потомств второго поколения, полученных от ряда скрещиваний, были выделены источники, совмещающие в себе по два гена окраски. Так из комбинации ВА1 х КГ108 была получена линия, совмещающая два рецессивных гена, обусловливающих светло-желтую и сернистую окраску язычковых цветков. Эта линия была названа КГ110, и её генотип по окраске язычковых цветков можно представить как 1у1уБиБи. Подобным же образом были получены линии, совмещающие рецессивные гены абрикосовой и светло-желтой окраски язычковых цветков, обладающие светло-абрикосовыми язычковыми цветками, и имеющие генотип 1у1уарар. В последствии на базе светло-абрикосовой линии КГ109 был создан сорт декоративного подсолнечника Нежность, занесенный в реестр сортов Украины с 2003 г.

При работе с окрасками язычковых цветков были выяснены все типы межаллель-ных взаимодействий генов, контролирующих основные типы окраски язычковых цветков подсолнечника (табл. 3). Из всех изученных аллелей только аллель лимонной окраски язычковых цветков эпистатирует над аллелем, обусловливающим светло-желтую окраску язычковых цветков подсолнечника. Во всех остальных комбинациях обнаруживается комплементарность аллелей.

Таблица 3 - Наследование и взаимодействие генов основных типов неантоциановой пигментации язычковых цветков подсолнечника

Название, фенотип и генотип родительских форм Расщепление в Р2 по классам (статистически достоверное) в соотношении: 9:3:3:1 Межгенное взаимодей- ствие

ВА1х ВК268 светло-желтые х оранжевые 1у1уОО у /.у/./со Желтые /.у/уОо Желтые /.у-О- Светло- желтые /у/уО- Оранже- вые /.у-оо Светло- желто- оранже- вые /у/уоо Комплемен- тарное

ВА1 х КПЗ светло-желтые X абрикосовые \ytyApAp у /_у/_уарар Желтые /.у/уА- рар Желтые /.у-Ар- Светло- желтые /у/уАр- Абрикосовые /.у-арар Светло- абрикосо- вые /у/уарар Комплемен- тарное

ВА1 х КГ 108 светло-желтые X сернистые /у/уБиБи У 1-У1-У5и5и Желтые /.у/уБи- Би Желтые /.у-Би- Светло- желтые /у/уБи- Серни- стые /.у-БиБи Светло- сернисто- желтые /у/уБиБи Комплемен- тарное

ВА1 х С/12349 светло-желтые х лимонные \ylyLL х 1_у1.у// Желтые /.у/уИ Желтые /у/- Светло- желтые /у/уБи- Лимон- ные /.у-// Лимонные /у/уН Эпистаз

С/12349 х ВИР130 лимонные х оранжевые //00 х Иоо Желтые иОо Желтые /.-О- Лимон- ные /Ю- Оранжевые /--оо Лимонно- оранже- вые /оо Комплемен- тарное

С/12349 х КПЗ лимонные X абрикосовые 1 /АрАру иарар Желтые ИОо Желтые /.-Ар Лимон- ные ИАр- Абрикосовые /--арар Лимонно- абрикосо- вые //арар Комплемен- тарное

С/12349 х КГ 108 лимонные х сернистые НБиБи У 1.1-5и5и Желтые ЦБиБи Желтые /.-Би- Лимон- ные ИБи- Серни- стые /.-БиБиБ Сернисто- лимонные /БиБи Комплемен- тарное

Представленная схема основных окрасок язычковых цветков вносит значительную ясность в понимание генетической структуры этого признака, но в данном исследо-12

вании мы оставили за рамками исследования окраску антоциановой природы, в которой можно предположить также участие нескольких генов.

Кроме вышеперечисленных окрасок, представленных в признаковой и генетической коллекциях подсолнечника, нами был обнаружен ещё один интересный тип окраски, который обусловлен появлением белеющего кончика у язычковых цветков подсолнечника. Этот признак был впервые отмечен в расщеплениях от скрещивания линии ВА1 и образца коллекции ВИР К3159. Из потомств второго поколения были выделены растения с этим признаком, которые затем инцухтировали. Признак хорошо наследовался в потомстве, проявлялся во все годы наблюдения. Признак проявляется уже на второй день цветения, а в дальнейшем осветление кончиков язычковых цветков продолжается ещё несколько дней и достигает четкого, визуально фиксируемого проявления.

Для изучения наследования источник этого признака был скрещен с двумя линиями, имеющими нормальное желтое окрашивание язычковых цветков. Результаты расщепления по фенотипу в потомствах Р2 от этого скрещивания приведены в табл. 4.

Таблица 4 - Наследование признака белого кончика язычковых цветков подсолнечника

Комбинация скрещивания Фенотип F1 Расщепление в F2 по признаку равномерности окрашивания язычковых цветков Всего Значение х2

равномерно желтые с белым кончиком желтые

3/1102 х КГ120-1 Равномерно желтые 74 26 100 0,053

ВК678 х КГ120-2 Равномерно желтые 104 36 140 0,003

Ожидаемое отношение 3 1

Примечание. х205(к=1)=3,84

Результаты расщепления свидетельствуют, что этот признак наследуется рецессивно и имеет моногенную природу. Ген, контролирующий признак белый кончик язычковых цветков, предлагаем обозначить fwt (от английского "flower white tip" - белый кончик цветка).

При отборе растений в F2 и их самоопылении были получены образцы с белым кончиком на желтом и оранжевом фонах основной окраски язычкового цветка подсолнечника. При вовлечении их в скрещивания было установлено независимое наследование гена белого кончика язычкового цветка и гена оранжевой окраски язычковых цветков подсолнечника. Полученные данные представлены в табл. 5.

Таблица 5 - Независимое наследование признака оранжевая окраска язычковых цветков и белого кончика язычковых цветков подсолнечника в F2 в дигибридном скрещивании линий ЗЛ102

Потомства Фенотип F1 Расщепление в F2 по признаку пигментации язычковых цветков Всего Значение х2

желтые желтые с белым кончиком оранжевые оранжевые с белым кончиком

395/05 Желтые 50 18 24 8 100 2,68

Ожидаемое отношение 9 3 3 1

Теоретически ожидаемое расщепление 56,25 18,75 18,75 6,25 100

Примечание. х2=2,68< х205(к=з)=7,84

В потомствах Р2 были выделены растения, обладающие признаками светлокоричневого окрашивания листа (ген /Ь) и признаком белеющего кончика язычкового цветка (ген Яу£), на основе которых была создана дигомозиготная линия КГ120-2. При вовлечении их в скрещивания были получены расщепления, свидетельствующие о независимом наследовании этих двух признаков (табл. 6.).

Это очень интересно с той точки зрения, что ген, обусловливающий светлокоричневое окрашивание листа, проявляется и на других частях растения: семядолях, листочках обертки, тыльной стороны корзинки. Окрашивание вызывается флавоноида-ми, придающими оранжевый цвет вакуолям, и можно было предположить наличие генетической и физиологической связи между флавоноидной окраской вегетативных частей растения и язычковых цветков подсолнечника.

Таблица 6 - Независимое наследование признаков белый кончик язычковых цветков подсолнечника и светло-коричневая окраска листьев в Р2 в дигибридном скрещивании линий ВК678

Потомства Фенотип Р1 Расщепление в Р2 по признаку пигментации язычковых цветков Всего Значение х2

желтые язычковые цветки язычковые цветки желтые с белым кончиком

зеленый лист светло- коричневый лист зеленый лист светло- коричневый лист

391/05 Желтые я. ц., зеленый лист 176 40 50 19 285 5,20

Ожидаемое отношение 9 3 3 1

Теоретически ожидаемое расщепле- ние 160,3 53,4 53,4 17,8 285

Примечание: х2=5,20< Х205(к=3)=7,84

Кроме того, были проведены скрещивания образца коллекции ВИР К3159 - источника гена /Ь- с линией со светло-желтыми язычковыми цветками (ген /у). Результаты представлены в табл. 7.

Таблица 7 - Независимое наследование светло-желтого окрашивания язычковых цветков подсолнечника и светло-коричневой окраски листьев в Р2 в дигибридном скрещивании линий ВА1

Потомство Фенотип р! Расщепление в Р2 по признаку пигментации язычковых цветков Всего Значе- ние х2

желтые язычковые цветки светло-желтые язычковые цветки

зеле- ный лист светлокоричневый лист зеле- ный лист светлокоричневый лист

62/00 Желтые я. ц., зеленый лист 304 94 103 42 555 2,73

Ожидаемое отношение 9 3 3 1

Теоретически ожидаемое расщепление 312,1 104,1 104,1 34,7 555

Примечание: Х2=2,73< Х205(к=3)=7,84 14

Из результатов, приведенных в табл. 7, можно сделать вывод о независимом наследовании этих двух признаков. В результате был выделен образец со светло-желтыми язычковыми цветками и светло-коричневым окрашиванием листа. С использованием этого образца получена линия КГ118 с генотипом lylylblb.

Заключение. 1. Обнаружен новый тип пигментации язычковых цветков подсол-

нечника - сернистая (лимонно-желтая) пигментация. Признак контролируется одним рецессивным геном, который предлагаем обозначить как su (от английского "sulphur" -сера).

2. Изучено взаимодействие генов, обусловливающих шесть основных окрасок язычковых цветков подсолнечника: желтую, светло-желтую, абрикосовую, оранжевую, сернистую, лимонную. Установлено, что аллель лимонной окраски язычковых цветков эпистатирует над аллелем, обусловливающим светло-желтую окраску язычковых цветков подсолнечника. Во всех остальных аллельных комбинациях обнаруживается комплемен-тарность аллелей.

3. Обнаружен признак белый кончик язычковых (язычковых) цветков подсолнечника. Установлено, что признак контролируется одним рецессивным геном, который предлагаем обозначить fwt (от английского "flower white tip" - белый кончик цветка).

4. Признак белый кончик язычковых цветков подсолнечника наследуется независимо от признаков оранжевого окрашивания язычковых цветков и светло-коричневого окрашивания листьев.

Литература

1. Fick G. N. Breeding and genetics // Sunflower science and technology. - Madison, Wisconsin, USA, 1978 - P. 279-339.

2. Lederq P. Heredite de quelques caracteres qualitatifs chez le tournesol. Ann.Amelior. Plant. - 1968. - 18. - Р. 307-315.

3. Ska/oud V., KovacikA. Inheritance of some weakly known phenotypic manifestations of morphological traits in sunflower (Heianthus annuus L.). Scientia Agriculturae Bo-hemoslovaca. - 1975. - 7(XXIV). - Р. 11-17.

4. FickG. N. Genetics of floral color and morphology in sunflowers // The Journal of Heredity. - 1976. - Vol. 67, 1 4, July-August. - P. 227-230.

5. Machacek C (research Institute for Crop Production, Praha-Ruzyne); Study of the Inheritance of the Color of Ligulae Flowers in Helianthus annuus L. Sbor. UVTIZ-Genet. A Slecht., 16, 1980. - P. 15-19.

6. КоvacikA., Ska/oud V. Collection of sunflower marker genes available for genetic studies // Helia. - 1980. - N. 3. - P. 296-299.

7. Константинова Е. А. Генетический контроль и селекционная ценность окраски язычковых цветков у подсолнечника // Автореф. на соиск. уч. ст. к. б. н. - Саратов, 2004. - 18 с.

8. Толмачёв В. В. Наследование и взаимодействие генов неантациановой пигментации язычковых цветков подсолнечника // Науково-техн. бюл. Інституту олійних культур УААН. - 1998. - Вип. 3.- С. 75-81.

9. Плотников А. И. Биология цветения подсолнечника // Подсолнечник. - Краснодар, 1940. - С. 44-87.

10. Тихомирова М. М. Генетический анализ. - Л.: Из-во ЛГУ, 1990. - 280 с.