CC BY
0Научно - производственный журнал «Зернобобовые и крупяные культуры» № 4 (52) 2024 г. DOI: 10.24412/2309-348X-2024-4-46-50 УДК: 633.12:631.527
ПОЛИМЕРНЫЕ ГЕНЫ, РЕГУЛИРУЮЩИЕ ИЗМЕНЧИВОСТЬ ДЛИНЫ ПЕСТИКА ДЛИННОСТОЛБЧАТОЙ ФОРМЫ FAGOPYRUM ESCULENTUM MOENCH.
Н.Н. ФЕСЕНКО, кандидат биологических наук E-mail: [email protected]
ФГБНУ ФНЦ ЗЕРНОБОБОВЫХ И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР
Аннотация. В статье представлен детальный анализ наследования двух Гк-форм (гомостилия с коротким пестиком и короткими тычинками) Fagopyrum esculentum, тип цветка которых контролируется полимерными генами. Качественный анализ расщеплений был дополнен количественным (метод Н.А.Соболева). Выявлено 4 гена-модификатора: длинностолбчатая (Д) форма несет плюс-аллели всех четырех генов; Гк-фенотип определяется гомозиготой по как минимум двум минус-аллелям. Два из этих генов-модификаторов сцеплены с рецессивным аллелем s. Эти полимерные гены формируют генетический фон для локуса гетеростилии. Минус-аллели присутствуют в популяциях в небольшой концентрации, и получают селективное преимущество только в случае вынужденного самоопыления или скрещиваний между растениями с одинаковым типом цветка.
Ключевые слова: гречиха, гетеростилия, гомостилия, Fagopyrum esculentum.
Для цитирования: Фесенко Н.Н. Полимерные гены, регулирующие изменчивость длины пестика длинностолбчатой формы Fagopyrum Esculentum Moench. Зернобобовые и крупяные культуры. 2024; 4(52):46-50. DOI: 10.24412/2309-348X-2024-4-46-50
POLIMERIC GENES REGULATING STYLE LENGTH VARIABILITY WITHIN PIN MORPH OF COMMON BUCKWHEAT FAGOPYRUM ESCULENTUM MOENCH.
N.N. Fesenko
FSBSI FEDERAL SCIENTIFIC CENTER OF LEGUMES AND GROAT CROPS
Abstract: The article presents a detailed analysis of the inheritance of two SH-morphs (homostyly with the short pistil and short stamens) ofFagopyrum esculentum, the flower type of which is controlled by polymeric genes. The qualitative analysis of the segregations was supplemented by a quantitative one (by N.A. Sobolev's approach). Four modifier genes were identified: the long-styled (pin) morph carries plus-alleles of all four genes; a HS-phenotype is determined by minus-alleles at least in two loci. Two of these modifier genes are linked to the recessive allele s. These polymeric genes form a genetic background for the heterostyly locus (S). Minus alleles are present in populations in small doses and get a selective advantage under conditions of forced self-pollination or crossing between plants of the same flower type.
Keywords: buckwheat, heterostyly, homostyly, Fagopyrum esculentum.
Гречиха обыкновенная (Fagopyrum esculentum Moench.) перекрестноопылитель с гетероморфной системой несовместимости (гетеростилией): популяции состоят из растений с длинностолбчатыми (длинный пестик, короткие тычинки, мелкая пыльца) и короткостолбчатыми (короткий пестик, длинные тычинки, крупная пыльца) цветками, результативные скрещивания в норме возможны только между разными формами, т.е. Д х К или К х Д. Самоопыление или скрещивания в пределах одной формы, как правило, малоэффективны. Способность к результативному самоопылению обычно связана с
мутациями, определяющими гомостильный тип цветка (пестик и тычинки сопоставимой длины). Возникновение таких форм может быть связано как с мутациями в локусе гетеростилии, так и с изменениями генетического фона.
Массовое самоопыление гречихи позволило выделить две гомостильные линии полигенной природы с короткими пестиком и тычинками (Гк): форма 'Pennline 10' (в нашей классификации - Гк2) [1] и форма Гк1 [2]. В комбинации Гк х Д обе формы наследуются сходным образом: обе рецессивны к Д-типу в F1, в F2 в обоих случаях наблюдается расщепление по двум генам [3-4]. Однако есть и различия. Так, гены, укорачивающие пестик Гк1, проявляются и в F1 Гк1 х Д: гибриды F1 имеют укороченный Д-пестик. Гибриды F1 Гк1 х Гк2 имели полудлинностолбчатый тип цветка (частично восстановлен дикий тип), т.е. гены, укорачивающие пестик форм Гк1 и Гк2, неаллельны [3-4].
Обе линии самофертильны, но между ними есть различия. Очень короткий пестик Гк1 одинаково совместим с крупной (thrum) и мелкой (pin) пыльцой (универсальная совместимость) [5]. Пыльца Гк1 мелкая, типичная для Д-типа (таблица 2). Ее совместимость также типична для пыльцы Д-типа. Пестик формы Гк2 длиннее, чем у Гк1, и его совместимость с крупной пыльцой короткостолбчатой (К) формы была в 2 раза выше, чем с мелкой пыльцой Д-формы [5]. Пыльца Гк2 была в (28,1 : 20,4) =1,38 раза крупнее, чем у стандартных длинностолбчатых растений сорта Богатырь, но мельче в (48,7 : 28,1)=1,73 раза, чем пыльца стандартных короткостолбчатых растений. Пыльца почти такого же размера была обнаружена у одного из пяти исследованных растений длинностолбчатой популяции Полесская. Поскольку «увеличенный» размер позволяет пыльце преодолевать длинный пестик, этот признак должен был быть подхвачен естественным отбором в условиях самоопыления или иллегитимного опыления длинностолбчатых растений [5]. Увеличенный размер пыльцы линии Гк2 частично наследуется гибридами F1 с ее участием, что является причиной высокой самосовместимости таких гибридов с длинностолбчатыми цветками. Средняя завязываемость семян при самоопылении Д-растений F1 в наших полевых опытах составила 425±75 (lim=22.. .946) в комбинации Гк2 х Д, и 353±86 (lim=20.. .782) - в скрещивании К х Гк2. Завязываемость семян при самоопылении короткостолбчатых гибридов F1 (комбинация К х Гк2) была в 7-8 раз меньше: 55±13 (lim=6.. .106) [5]. Таким образом, линия Гк2 является эффективным донором самофертильности для длинностолбчатых гибридов. Ее автор получил на ее основе ряд линий, различающихся по комбинационной способности [1].
Цель исследований - детальный анализ наследования рецессивной (по отношению к длинностолбчатому (Д) типу) полигенной гомостилии форм Гк1 и Гк2.
Материал и методы Растительный материал
«Рецессивные» гомостильные линии с короткими пестиком и тычинками (Гк = короткая гомостилия):
- линия Гк1 была выделена в I2 при самоопылении растений сорта Богатырь [2]. Она имеет примерно одинаковую (короткую) длину пестика и тычинок;
- линия Гк2 была выделена при повторном самоопылении длинностолбчатых растений [1]; автор назвал ее «гомоморфной», так как рыльца ее пестика находятся немного выше уровня тычинок.
Гомостильная форма Гд1 с длинными тычинками и пестиков, выделенная Ф.Е. Замяткиным [6].
Генетический анализ расщепления по количественному признаку
Средние значения признака у родительских форм (Р1 и Р2) и гибридов (F1 и F2) определяли экспериментально. Меры доминирования и эпистаза, а также приблизительное число генов, участвующих в расщеплении, рассчитывали по следующей схеме [7]:
Ха - средняя арифметическая родителей, Ха =0,5(Pi+P2);
Ci - сумма компонентов генетических взаимодействий в Fi, Ci=Fi-Xa;
С2 - сумма компонентов генетических взаимодействий в F2, C2=F2-Xa;
di - компонента доминирования в Fi, di=4C2-Ci;
ё2 - компонента доминирования в Б2, ё2=0,5ё1; й - компонента эпистаза в Б1, й=2С1-4С2; Г2 - компонента эпистаза в Б2, £г=0,2511;
а7 - полуразность между родительскими формами (в идеальном случае, когда все минус-аллели сосредоточены у Р2 , эта величина равна аддитивной компоненте а), а7 =0,5(Р1-Р2); Б - мера доминантности, Б=ё1/а/; Е - мера эпистаза, Е=й/а7;
N - приблизительное число генов, участвующих в расщеплении,
N = а'(а' + |ё2| + |£г|)/2 о^,
где G2g - генетическая дисперсия в Б2.
о^ = о2Б2 - о2е ; о2е = о2Б1, ог (о2р1 + о2р2) : 2, или Б 22х(Су2р1+ су2р2+ су2б1):3, где Су -коэффициент вариации, Су= о : X.
Результаты и обсуждение
Количественные характеристики цветков родительских форм и гибридов представлены в таблице 1.
Таблица 1
Фенотипы родительских форм и гибридов по длине пестика и тычинок
Родительская форма, гибрид Поколение Длина пестика Длина тычинок внутреннего круга Длина тычинок внешнего круга
п X п X п X
Д 50 2,58±0,02 85 1,59±0,02 127 1,45±0,02
Гк1 50 1,49±0,02 85 1,65±0,01 128 1,48±0,02
Гк2 50 1,91±0,02 88 1,69±0,01 132 1,45±0,01
Гк1 х Гк2 Б1 50 2,20±0,02 88 1,65±0,02 143 1,45±0,01
Б2 389 2,10±0,01 346 1,70±0,01 533 1,46±0,01
Гк1 х Д Б1 60 2,36±0,02 176 1,63±0,01 225 1,57±0,01
Б2 116 2,26±0,03 330 1,70±0,01 417 1,55±0,01
Гк2 х Д Б1 50 2,64±0,03 84 1,76±0,02 134 1,60±0,01
Б2 296 2,31±0,01 341 1,59±0,01 525 1,46±0,01
Анализ полигенного расщепления проведен по признаку «длина пестика» на гибридах исследуемых форм с нормальной длинностолбчатой формой и между собой. Его результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2
Результаты генетического анализа количественных различий по длине пестика
Комбинация Длина пестика (средняя), мм Б Е о2& мм2 Число генов
Р1 Р2 Б1 Б2
Гк1 х Д 1,49 2,58 2,36 2,26 1,06 -0,46 0,032 4
Гк2 х Д 1,91 2,58 2,64 2,31 -0,40 1,58 0,025 4
Гк1 х Гк2 1,49 1,91 2,20 2,10 5,24 -2,86 0,037 3
Р - родительские формы, Б - гибриды, Б - мера доминантности, Е - мера эпистаза, о^ -генотипическая дисперсия.
Различия в длине пестика между гомостильными линиями Гк1 и Гк2, а также длинностолбчатой (Д) формой, определяются полимерными генами. Показаны различные способы генетических взаимодействий в комбинациях Гк1 х Д и Гк2 х Д (таблица 4). Следовательно, полимерные гены, укорачивающие пестик линии Гк1, иные, чем у линии Гк2. Более того, в комбинации Гк1 х Гк2 у гибридов F1 наблюдалось частичное восстановление дикого типа (длинный пестик и Д-тип цветка). Это также указывает на то, что
взаимодействующие гены неаллельны. Но почему количественный анализ комбинации Гк1 х Гк2 показал преобладание аллельных взаимодействий (сверхдоминирование)? Это ошибка? Нет. Статистический эффект сверхдоминирования здесь явно указывает на локализацию комплементарных генов в гомологичных хромосомах: благодаря сцеплению вместо отдельных полимерных генов-модификаторов (т1, т2 и т.д.) в расщеплении участвует группа сцепления (суперген).
Сцепление полимерных генов-модификаторов с локусом гетеростилии (Б).
Линия Гд1 [6] имеет морфотип цветка Гд (длинная гомостилия), который определяется мутантным аллелем S-локуса: направление доминирования: К > Гд > Д [4]. Это глубоко инбредная линия с мелкими цветками. Гибриды F1 в комбинациях Д х Гд1, Гк1 х Гд1 и Гк2 х Гд1 были гомостильными (Гд - тип). В F2 всех скрещиваний наблюдалось расщепление 3 (длинные тычинки) : 1 (короткие тычинки). Расщепление перекрывалось с расщеплением по длине пестика, которое было хорошо заметно в скрещивании Гк1 х Гд1, менее заметно в скрещивании Гк2 х Гд1, и практически незаметно в комбинации Д х Гд1. Сцепление полимерных генов-модификаторов с S-локусом оценивалось путем сравнения средних значений длины столбика двух «качественных» классов, т.е. растений с длинными и короткими тычинками (табл. 3).
Таблица 3
Сравнительный анализ длины пестика растений с короткими (генотип жж) и длинными
тычинками в гибридной популяции
Гибриды Длина пестика, мм, Х±т X1-X2 t P
Растения с длинными тычинками (X1) Растения с короткими тычинками (X2)
F2 Гк1 х Гд1 1,99±0,02 1,83±0,04 0,16 3,57 0,001
F3 Гк1 х Гд1 2,03±0,03 1,72±0,04 0,31 6,20 0,001
F2 Гк2 х Гд1 2,27±0,01 2,17±0,02 0,10 4,47 0,001
F2 Гд1 х Гк2 2,28±0,01 2,21±0,02 0,07 3,13 0,05
F2 Д х Гд1 2,46±0,03 2,55±0,04 -0,09 1,80 0,1
В комбинациях Гк1 х Гд1 и Гк2 х Гд1 различия были высоко значимыми (таблица 3). Таким образом, обе изученные Гк-линии несут полимерные гены, укорачивающие пестик, сцепленные с рецессивным аллелем s (признак - короткие тычинки).
Эта группа сцепления имеет структуру s/m1/m2: одна из Гк-линий несет супераллель s/m1-/m2+, другая линия - супераллель s/m1+/m2-, стандартные Д-растения - супераллель s/m1+/m2+. Следовательно, генотип F1 (Гк1 х Гк2) гетерозиготен ss/m1-m1+/m2+m2-, что обеспечивает статистический эффект сверхдоминирования при количественном анализе. Другим эффектом расщепления по этому супергену является увеличение генетической дисперсии в F2 Гк1 х Гк2 по сравнению с комбинациями Гк1 х Д и Гк2 х Д (таблица 2).
Заключение
У гречихи выявлено четыре сильных модификатора, влияющих на длину пестика рецессивной гомозиготы ss, два из которых сцеплены с рецессивным аллелем s. Не мутантные плюс-аллели этих генов определяют развитие длинностолбчатого (Д) морфотипа у гомозиготы ss. Мутантные минус-аллели определяют фенотип рецессивных (по отношению к длинностолбчатости) гомостильных форм с короткими тычинками и пестиком.
Литература
1. Marshall H.G. Isolation of self-fertile homomorphic forms in buckwheat Fagopyrum sagittatum Gilib. Crop Science. - 1969. - V. 9. - Р. 651-653.
2. Фесенко Н.В., Антонов В.В. Новая гомостильная форма гречихи. Бюлл. ВНИИЗБК. - 1973. - Вып. 5. — С. 12-14.
3. Фесенко Н.Н. О природе короткостолбчатых гомостильных форм у гречихи. Бюл. ВНИИЗБК. - 1978. - Вып.23. - С.14-17.
4. Fesenko N.N. The system of buckwheat reproduction: three types of flower homostyly inheritance. Proc. 4th Intl. Symp. Buckwheat at Orel. -1989. -V. 1. - P. 193-201.
5. Fesenko N.N. Morphological factor in the system of compatibility- incompatibility of Fagopyrum esculentum Moench. Proc. 6th Intl. Symp. Buckwheat at Ina. - 1995. - V. 1. - P. 463-468.
6. Замяткин Ф.Е. Самоопыляющаяся гречиха. В кн.: Селекция генетика и биология гречихи. Орел, 1971. С.103-111.
7. Соболев Н.А. Генетический анализ количественных признаков. Цитология и генетика. -1976. - Т. 10. - С. 424-436.
References
1. Marshall H.G. Isolation of self-fertile homomorphic forms in buckwheat Fagopyrum sagittatum Gilib. Crop Science, 1969, V. 9, pp. 651-653.
2. Fesenko N.V., Antonov V.V. A new homostylous morph of buckwheat. Bull. VNIIZBK, 1973, V. 5, pp. 12-14. (In Russian)
3. Fesenko N.N. On the nature of short-styled homostylous forms of buckwheat. Bull. VNIIZBK, 1978, V. 23, pp. 14-17. (in Russian)
4. Fesenko N.N. The system of buckwheat reproduction: three types of flower homostyly inheritance. Proc. 4th Intl. Symp. Buckwheat at Orel, 1989, V. 1, pp. 193-201.
5. Fesenko N.N. Morphological factor in the system of compatibility- incompatibility of Fagopyrum esculentum Moench. Proc. 6th Intl. Symp. Buckwheat at Ina, 1995. vol. 1: 463-468.
6. Zamyatkin F.E. Self-pollinated buckwheat. In: Selektsiya, genetika I biologiya grechikhi. Orel, 1971. pp.103-111. (in Russian)
7. Sobolev N.A., Genetic analyses of quantitative traits. Cytology and Genetics, 1976, V. 10, pp. 424436. (in Russian)
