CC BY
43
ISSN 0202-5493.МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. Вып. 2 (155-156), 2013
СВЯЗЬ МЕЖДУ ЭФФЕКТОМ ГЕТЕРОЗИСА У ГИБРИДОВ
И ГЕНЕТИЧЕСКИМИ ДИСТАНЦИЯМИ МЕЖДУ РОДИТЕЛЬСКИМИ ЛИНИЯМИ ПОДСОЛНЕЧНИКА
A.В. Усатов1,
доктор биологических наук, профессор Ф.И. Горбаченко2,
доктор сельскохозяйственных наук, профессор
К.В. Азарин1,
кандидат биологических наук
О.Ф. Горбаченко2,
кандидат сельскохозяйственных наук
B.Е. Тихобаева1, аспирант
Н.В. Маркин1, кандидат биологических наук
'Южный федеральный университет,
Россия, 344090, Ростов-на-Дону, пр. Стачки, 194/1
E-mail: usatova@mail.ru
2ГНУ Донская опытная станция им. Л.А. Жданова ВНИИМК Россельхозакадемии e-mail:gnudos@mail.ru
Исследовали эффект гетерозиса у гибридов Fb генетическое разнообразие родительских линий на основе SSR маркеров, а также связь генетических дистанций и комбинационной способности подсолнечника. Десять элитных инбредных линий (3 Rf-линии и 7 ЦМС-линии) и их гибриды были исследованы по высоте растений, урожайности, массе 1000 семян, масличности и лузжистости семянок. Полевые испытания проводили в течение 5-6 лет. Генетическое расстояние между родительскими линиями подсолнечника варьировало от 0,45 до 0,74. Обнаружена достоверная положительная корреляция между эффектом гетерозиса по урожаю семянок у гибридов (r = 0,79, р < 0,05) и генетическими дистанциями между родительскими линиями.
A.V. Usatov, F.I. Gorbachenko, K.V. Azarin, O.F. Gorbachenko, V.E. Tikhobaeva, N.V. Markin. The relation between the heterosis effect of hybrids and genetic distance of sunflower parental lines.
The present research studies the heterosis effect of F1 hybrids, genetic diversity of parental lines on the basis of SSR markers, as well as the relation of genetic distance and combining ability of sunflower. Ten sunflower elite inbred lines (3 Rf-lines and 7 CMS-lines) and their hybrids were studied for plant height, produc-
tivity, thousand-seed weight, oil content and huskiness of seeds. Field tests were carried out during 5-6 years. The genetic distance between sunflower parental lines ranged from 0.45 to 0.74. The significant positive correlation was found between the heterosis effect for seed yield of hybrids (r = 0.79, p < 0.05) and the genetic distances between parental lines.
Ключевые слова: подсолнечник, гибрид, гетерозис, SSR маркеры, генетические дистанции
УДК 575.12:633.854.78
Введение. В литературе приведен ряд гипотез о механизмах гетерозиса, но ни одна из них не дает полного представления о молекулярно-генетической природе этого эффекта [10]. С введением ДНК-маркеров в практику биологических исследований, появились новые возможности исследования природы гетерозиса в селекционном процессе, в частности для подбора родительских форм с высокой комбинационной способностью [10]. Возможность применения молекулярных маркеров для прогнозирования эффекта гетерозиса у гибридов, исходя из уровня генетического разнообразия родительских линий, была продемонстрирована на рисе [16], пшенице [9], рапсе [11] и кукурузе (Shieh and Thseng, 2002). Однако зачастую результаты, полученные различными авторами, неоднозначны в отношении связи между генетическими дистанциями и эффектом гетерозиса [12; 6; 14; 7]. В данной работе были исследованы уровень гетерозиса у гибридов F1, генетическое разнообразие родительских линий, основанное на SSR маркерах, а также связь генетических дистанций между родительскими генотипами и специфической комбинационной способностью у подсолнечника.
Материалы и методы. В конкурсных испытаниях в течение 5-6 лет изучали 7 гетерозисных гибридов, а также их родительские линии (селекционный материал Донской опытной станции им. Л.А. Жданова ВНИИМК). Исследовали следующие показатели: высоту растений (см); уро-
жайность семянок (ц/га); массу 1000 семянок (г); масличность (%) и лузжистость семянок (%). Уровень гетерозиса у гибридов по каждому признаку рассчитывали по формуле:
ГРС = ((Уг - (Уп+Ум)/2)/(Уп+Ум)/2 х 100 %,
где Уг - признак гибрида;
Уп - отцовский признак;
Ум - материнский признак.
Геномную ДНК выделяли из молодых листьев подсолнечника по методу Р. Бума c нашими модификациями [1]. При проведении ПЦР использовали 12 SSR прай-меров: Ha 432, Ha 514, Ha 1442, Ha 1608, Ha1287, IUB6, ORS6, ORS 509, IUB4, HNCA1, OSU-1, HNCA2. Данные прай-меры были отобраны нами ранее [2]. По матрице состояний с помощью компьютерной программы WinBoot (Yap and Nelson, 1996) рассчитывали генетические дистанции между родительскими линиями (коэффициент Жаккарда).
Индекс полиморфного информационного содержания (PIC) SSR маркеров вычисляли по формуле:
Pici = 1 -
где Р - частота j паттерна для локуса i и суммирование распространяется на n паттернов.
Статистическую обработку экспериментальных данных проводили с помощью программы Excel пакета Microsoft Office, корреляционный анализ - по Спирмену (Доспехов, 1985).
Результаты и обсуждение. В таблице 1 суммированы значения коэффициента гетерозиса (ГРС, %) семи гибридных комбинаций относительно среднего значения признаков родительских форм.
Для получения первых шести гибридов из таблицы 1 использовали две отцовские линии: ВД 541 RF (первая группа - гибриды Донской 151, Партнер, Донской 22) и ВД 62 RF (вторая группа - гибриды Гарант, Престиж, Донской 1448), в то время как материнская форма у каждого гибрида была уникальна. В связи с чем данные гибридные комбинации представляют
Таблица 1
Эффект гетерозиса у гибридов относительно среднего значения признака родительских форм, %
Год Урожайность Масличность Лузжистость Масса 1000 семянок Высота растения
Донской 151 (ВД 151 А х ВД 541 RF)
2004 378,26 -3,33 5,85 54,91 17,27
2005 211,56 17,87 -3,98 7,11 32,42
2006 242,37 -3,93 12,75 18,25 29,19
2007 220,39 7,37 -10,45 22,97 23,76
2011 196,15 -5,20 10,82 18,93 32,98
Среднее 249,75 2,56 3,00 24,43 27,12
Партнер (ЭД 1443 А х ВД 541 RF)
2004 267,38 -2,99 3,23 42,92 27,27
2005 464,58 18,89 -6,76 30,71 50,74
2006 204,48 0,88 4,02 27,90 46,60
2007 339,08 6,11 -5,25 25,62 25,58
2011 141,13 0,92 0,17 30,96 25,13
Среднее 283,33 4,76 -0,92 31,62 35,06
Донской 22 (ВД 22 А х ВД 541 RF)
2004 227,59 -12,23 17,14 40,64 4,66
2005 235,48 11,39 -5,10 6,28 41,62
2006 141,07 -10,01 13,97 18,22 31,18
2007 288,35 3,07 1,38 27,98 29,41
2008 183,33 -2,19 4,10 22,08 20,23
2011 170,27 -1,86 12,85 36,48 31,47
Среднее 207,68 -1,97 7,39 25,28 26,43
Гарант (ЭД 931 А х ВД 62 RF)
2004 195,18 6,17 -10,45 23,99 37,78
2005 298,32 19,20 -3,83 17,39 49,78
2006 107,56 0,85 -6,06 0,81 68,84
2007 103,76 9,01 -5,86 22,24 27,45
2008 115,58 15,06 -9,38 19,46 33,33
2011 133,95 18,62 -8,15 38,32 37,02
Среднее 159,06 11,48 -7,29 20,37 42,37
Престиж (ЭД 169 А х ВД 62 RF)
2004 202,70 13,23 -18,56 26,21 37,85
2005 184,77 45,35 -25,16 -5,88 42,19
2006 121,64 16,56 -10,53 -11,51 49,40
2007 104,67 21,68 -14,34 1,97 30,10
2008 106,56 25,27 -18,70 17,03 39,73
2011 189,10 31,77 -22,54 20,10 20,08
Среднее 151,57 25,64 -18,30 7,99 36,56
Донской 1448 (ВД 1448 А х ВД 62 RF)
2004 152,00 5,53 -25,83 34,57 29,45
2005 156,95 18,80 -8,67 -1,61 46,99
2006 52,84 5,77 -5,26 -0,61 43,97
2007 115,96 10,44 -10,05 7,69 36,84
2008 72,53 9,20 -9,82 10,65 29,66
2011 172,96 17,80 -10,88 19,74 26,21
Среднее 120,54 11,26 -11,75 11,74 35,52
Сигнал (ЭД 236 А х ВД 110 RF)
2004 160,64 -3,04 8,05 31,48 17,89
2005 373,17 13,72 -7,50 20,70 48,47
2006 112,86 2,96 -3,27 7,48 30,40
2007 178,32 8,04 -1,05 21,14 22,39
2011 229,31 14,59 -2,07 48,00 23,81
Среднее 210,86 7,25 -1,17 25,76 28,59
удобную генетическую модель, позволяющую оценить вклад материнского организма в эффект гетерозиса. Гибрид Сиг-Сигнал в данном случае можно отнести к третьей так называемой внешней группе контроля.
Скрещивание нескольких материнских форм с определенными отцовскими линиями привело в к гетерозису по селекционным признакам в различной степени (табл. 1). В первой группе гибридных комбинаций наибольший эффект был получен по признаку урожайности у гибрида Партнер (283 % превышения над средним значением родительских форм), а наименьший - у гибрида Донской 22 (207 %). Во второй - наименьшим эффектом гетерозиса по урожайности отличался гибрид Донской 1448 (120 %), в то время как гибриды Гарант и Престиж имеют более высокие значения (150-160 % превышения над средним значением родительских форм). Схожие результаты показаны для высоты растений и массы 1000 семян. Как и по урожайности, в первой и во второй группе наибольший эффект гетерозиса по данным признакам продемонстрировали гибриды Партнер и Гарант соответственно. В общем, гибриды из первой группы проявляют больший эффект гетерозиса по всем исследованным признакам, за исключением высоты растений, по которому большего эффекта достигли гибриды второй группы. Этот факт можно объяснить наличием у гибридов в группе единой генетической основы, определяемой отцовской формой. Гибрид Сигнал, относящийся к третьей группе, исходя из уровня гетерозиса по исследованным признакам, занимает промежуточное положение.
Изучаемые гибриды и родительские линии подсолнечника были генотипиро-ваны по системе ББЯ маркеров. Для каждой формы определены специфические, хорошо воспроизводимые индивидуальные ЗБЯ-спектры, различающиеся числом ампликонов и их подвижностью на элек-трофореграммах. При исследовании по 12-и микросателлитным маркерам данной
группы генотипов было выявлено 42 ал-леля. Число аллелей варьировало от 2 до 8 на локус. Размер детектируемых ДНК-фрагментов был от 110 до 900 пар нук-леотидов. Для анализа данных амплификации микросателитной ДНК был определен индекс полиморфного информационного содержания (PIC). Индекс полиморфного содержания, отражающий информативность маркеров, варьировал от 0,1 для праймера IUB 4 до 0,9 для праймера Ha 1287. Среднее значение индекса полиморфного информационного содержания для изученной группы генотипов составило 0,48.
На основании полученных данных SSR-анализа были рассчитаны генетические дистанции, отражающие генетическое расстояние между изученными генотипами родительских линий гибридов подсолнечника.
Как видно из таблицы 2, по данной системе маркеров был обнаружен высокий уровень генетического разнообразия между ЦМС- и Rf-линиями подсолнечника. В целом гибриды из первой группы, как и в случае эффекта гетерозиса по урожайности, демонстрируют большие значения генетического разнообразия родительских линий по сравнению с гибридами из второй группы.
Таблица 2
Генетические дистанции между родительскими линиями подсолнечника, рассчитанные по результатам SSR-анализа
№ Отцовская линия Материнская линия Генетическая дистанция Гибрид
1 ВД 541 RF ВД 151 0,72 Донской 151
2 ЭД 1443 0,64 Партнер
3 ВД 22 0,57 Донской 22
4 ВД 62 RF ЭД 931 0,55 Гарант
5 ЭД 169 0,57 Престиж
6 ВД 1448 0,45 Донской 1448
7 ВД 110 RF ЭД 236 0,74 Сигнал
В таблице 3 суммированы результаты корреляционного анализа между генетическими дистанциями и уровнем гетерозиса по исследованным селекционным признакам.
Таблица 3
Коэффициент корреляции (по Спирмену) между генетическими дистанциями и ГРС по исследованным признакам
Гене- Уро Мас- Луз- Масса Вы-
тичес- жай- лич- жис- 1000 сота
кая дис- ность, ность, тость, семян, расте-
танция % % % % ния,
%
Генети-
ческая 1 0,79s -0,43 0,47 0,65 -0,56
дистан-
ция
*p<0,05
Проведенный анализ показал достоверную положительную корреляцию (r = 0,79, p<0,05) между урожайностью гибридов и генетическим расстоянием между родительскими линиями. По остальным признакам корреляция между уровнем гетерозиса и генетическими дистанциями не выявлена (табл. 3).
На сегодняшний день многочисленные исследования, сфокусированные на определении взаимосвязи генетических дистанций между исходными родительскими линиями и уровнем гетерозиса у гибридов Fi, не позволяют сделать однозначный вывод. Так, в ранних работах на кукурузе было показано, что данные генетических дистанций, основанные на RFLPs маркерах, хорошо коррелируют с данными родословных при распределении линий по гетеро-зисным группам [15]. Сходные результаты получены для кукурузы и по RAPD спектрам (Shieh and Thseng, 2002). Значительная корреляция урожайности семян и высоты растений гибридов с генетическими дистанциями, вычисленными по AFLP, продемонстрирована на подсолнечнике [5]. В более поздних исследованиях показана возможность использовать генетические дистанции между родительскими линиями для прогнозирования эффекта гетерозиса у гибридов F1 пшеницы [9] и моркови [8].
С другой стороны, в исследованиях, проведенных на горчице и люцерне, продемонстрировано отсутствие корреляции
гетерозиса с генетическими дистанциями, рассчитанными на основе полиморфизма ДНК (ББЯ, ЯЛРБ, ЛБЬР-маркеры) [12; 14]. Низкая корреляция между генетическими дистанциями и эффектом гетерозиса также показана на кукурузе, перце, сое, пшенице, рапсе [3; 4; 11; 6; 12].
Такое противоречие в результатах можно объяснить как различиями молекулярных маркеров, затрагивающих различные участки геномов, так и использованием различного селекционного материала, представляющего уникальные модели исследования. В свою очередь, в результате нашего исследования, проведенного на высокогетерозис-ных гибридах подсолнечника с помощью ББЯ маркеров, была обнаружена достоверная корреляция между эффектом гетерозиса по урожайности и генетическими дистанциями. Достоверная корреляция с другими исследованными селекционными признаками не выявлена.
Несомненно, данные о зависимости между генетическими дистанциями родительских линий и эффектом гетерозиса по урожайности у гибридов подсолнечника, полученные в этом исследовании, не могут быть универсальны. Они требуют более широкого анализа. Однако полученные результаты представляют ценность для формирования новых подходов в селекции. На сегодняшний день такие подходы, предшествующие полевым испытаниям и сфокусированные на разработке моделей, повышающих точность прогноза эффекта гетерозиса в различных схемах скрещивания, активно развиваются [13].
Таким образом, можно заключить, что изученная маркерная система имеет высокий дискриминационный потенциал для идентификации линий культурного подсолнечника, а данные о зависимости генетических дистанций и урожайности могут быть использованы в дальнейшем для планирования эффективных скрещиваний в селекции подсолнечника на Дон-
ской опытной станции им. Л.А. Жданова ВНИИМК.
Исследование выполнено в рамках темы Министерства образования и науки РФ (№ 4.5642.2011) и при финансовой поддержке ФЦП Министерства образования и науки РФ (госконтракт № 16.740.11.0485).
Список литературы
1. Маркин Н.В., Азарин К.В., Лотник В.С., Горбаченко О.Ф., Гаврилова В.А., Усатов А.В. Анализ полиморфизма хло-ропластной ДНК культурного и дикорастущего подсолнечника Helianthus petiolaris // Масличные культуры: Науч-тех. бюл. ВНИИМК. -2011. - Вып. 2 (148-149). - С. 105-108.
2. Усатов А.В., Маркин Н.В., Горбаченко М.А., Федорова М.А., Тихобаева
B.Е., Горбаченко О.Ф., Азарин К.В. SSR-анализ геномной ДНК ЦМС-линий // Масличные культуры: Науч.-тех. бюл. ВНИИМК. - 2011. - Вып. 1 (146-147). -
C. 15-20.
3. Barbosa-Neto J.F., Sorrells M.E., Cisar G. Prediction of heterosis in wheat using coefficient of parentage and RFLP-based estimates of genetic relationship // Genome, National Research Council Canada Genome, Conseil national de recherches Canada, 1996. - Vol. 39. - P. 1142-1149.
4. Cerna F.J., Cianzio S.R., Rafalski A., Tingey S., Dyer D. Relationship between seed yield heterosis and molecular marker hetero-zygosity in soybean // TAG Theoretical and Applied Genetics. - 1997. - Vol. 95. - P. 460-467.
5. Cheres M.T., Miller J.F., Crane J.M., and Knapp S.J. Genetic distance as a predictor of heterosis and hybrid performance within and between heterotic groups in sunflower // TAG Theoretical and Applied Genetics. - 2000. - Vol. 100. - P. 889-894.
6. Geleta L.F., Labuschagne M.T. and Viljoen C.D. Relationship between heterosis and genetic distance based on morphological traits and AFLP markers in pepper // Plant Breeding. - 2004. - Vol. 123. - P. 467-473.
7. Gvodzenovic S., Pankovic-Saftic D., Jocic S., Radic V. Correlation between heterosis and genetic distance based on SSR markers in sunflower (Helianthus annuus L.) // Journal of Agricultural Sciences. - 2009. -Vol. 54. - P. 1-10.
8. Jagosz B. The relationship between heterosis and genetic distances based on RAPD and AFLP markers in carrot // Plant Breeding. - 2011. - Vol. 130. - P. 574-579.
9. KrystkowiakK., Adamski T., SurmaM., and Kaczmarek Z. Relationship between phenotypic and genetic diversity of parental genotypes and the specific combining ability and heterosis effects in wheat (<i>Triticum aestivum</i> L.) // Euphytica. - 2009. - Vol. 165. - P. 419-434.
10. Lariepe A., Mangin B., Jasson S. [and others] The Genetic Basis of Heterosis: Mul-tiparental Quantitative Trait Loci Mapping Reveals Contrasted Levels of Apparent Overdominance Among Traits of Agronomical Interest in Maize (Zea mays L.) // Genetics. - 2012. - Vol. 190. - P. 795-811.
11. Liu R., Qian W., and Meng J. Association of RFLP markers and biomass heter-osis in trigenomic hybrids of oilseed rape (Brassica napus x B. campestris) // TAG. Theoretical and applied genetics. Theoretische und angewandte Genetik. - 2002. -Vol. 105. - P. 1050-1057.
12. Riday H., Brummer E.C., Cambell T.A. and Luth D. Comparison of genetic and morphological distance with heterosis between Medicago sativa and subsp. Falcate // Euphytica. - 2003. - Vol. 131. - P. 37-45.
13. Steinfath M., Gartner T., Lisec J., Meyer R.C., Altmann T., Willmitzer L., and Selbig J. Prediction of hybrid biomass in Ar-abidopsis thaliana by selected parental SNP and metabolic markers // TAG. Theoretical and applied genetics. Theoretische und angewandte Genetik. - 2010. - Vol. 120. - P. 239-247.
14. Teklewold A., Becker H.C. Comparison of phenotypic and molecular distances to predict heterosis and F1 performance in Ethiopian mustard (Brassica carinata A. Braun) // TAG. Theoretical and applied ge-
ISSN 0202-5493.МАСЛИЧНЫЕ КУЛЬТУРЫ. Научно-технический бюллетень Всероссийского научно-исследовательского института масличных культур. Вып. 2 (155-156), 2013
netics. Theoretische und angewandte Genetik. - 2006. - Vol. 112. - P. 752-759.
15. Williams C.G., Goodman M.M., and Stuber C.W. Comparative recombination distances among Zea mays L. inbreds, wide crosses and interspecific hybrids // Genetics.
- 1995. - Vol. 141. - P. 1573-1581.
16. Xiao J., Li J., Yuan L., and Tanksley S.D. Dominance is the major genetic basis of heterosis in rice as revealed by QTL analysis using molecular markers // Genetics. - 1995.
- Vol. 140. - P. 745-754.
