CC BY
41
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2011, № 1
УДК 635.649:[631.524.7+631.524.84]:575.113.2
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ПРОЯВЛЕНИЯ ГЕТЕРОЗИСА У ОВОЩНОГО ПЕРЦА Capsicum annuum L. В ЗАВИСИМОСТИ ОТ СТЕПЕНИ ИДЕНТИЧНОСТИ КЛЮЧЕВЫХ АЛЛЕЛЕЙ ХОЗЯЙСТВЕННО ЦЕННЫХ ПРИЗНАКОВ
О.О. ТИМИНА1, А-C. РЯБОВА2
С использованием родительских форм овощного перца Capsicum annuum L. (сорта До-брыня Никитич, Колобок, Прометей, а также линии Л 48 и Л 49) регрессионно-кластерным анализом выявляли коррелированность степени идентичности эффектов переопределенных аллелей ценных селекционных признаков и эффекта гетерозиса. Показано, что для прогноза гетерозиса в условиях пленочной необогреваемой теплицы по модулю товарного урожая ключевое значение имеет степень идентичности аллелей в трех кластерах: длина плода—индекс плода, гниль плодов и продолжительность I фенофазы—число камер в плоде, в условиях открытого грунта — идентичность в кластерах длина плода—индекс плода, средняя масса плода—товарная масса плода. При прогнозировании гетерозиса по указанному модулю для обоих вариантов условий выращивания важна коррелированность с характером и степенью идентичности аллелей в кластерах длина плода—ин-декс плода и продолжительность II фенофазы—продолжительность III фенофазы.
Ключевые слова: количественные признаки, регрессионно-кластерный анализ, генные сети, гетерозис, овощной перец.
Keywords: quantitative traits, regression cluster analysis, gene net, heterosis, vegetable pepper.
Генетические механизмы проявления гетерозиса окончательно не установлены, и в настоящее время наиболее признаны две гипотезы, объясняющие этот феномен (1-3). В соответствии с первой эффект гетерозиса проявляется как результат взаимодействия между неаллельными доминантными генами, согласно второй — вследствие сверхдоминирования гетерозиготы при взаимодействии аллелей одного локуса. Установление механизмов гетерозиса прежде всего предполагает идентификацию ключевых аллелей хозяйственно ценных признаков. В настоящее время для идентификации полигенных признаков наиболее перспективным считается метод QTL (4, 5). В том числе подобные исследования проводятся на перце (6), а американская фирма «DNA LandMarks» совместно с учеными Корнельского университета (США) представила первую полную генетическую карту генома перца (http://www.sign.comell.edu/cview/map.pl?map_version_id=58). Она основана на серии общих генов, распределенных как у видов семейства пасленовых (томата, картофеля, баклажана), так и модельного растения Ara-bidopsis thaliana (L.) Heynh (7, 8). Однако эта карта еще не апробирована на практике, для конкретных полигенов требуются определенные уточнения и подтверждения (хотя бы потому, что у ряда полигенов отмечаются нежелательные сцепления) (6). Кроме того, известна другая точка зрения (912), согласно которой природу организации количественных признаков до сих пор нельзя считать выявленной. Поэтому актуальными остаются различные подходы для изучения полигенов. В соответствии с теорией эколого-генетического контроля количественных признаков (9-11, 13) введено понятие модуля как элементарной единицы описания организации системы количественного признака. Он состоит из трех взаимосвязанных признаков: результирующего и двух компонентных. Согласно этой теории, идентификация количественных признаков невозможна в силу их экологической подвижности. Однако нами разработан и используется регрессионнокластерный анализ генотипов, позволяющий дифференцировать доминантные аллели, контролирующие выраженность конкретных признаков, по их норме реакции (14-16).
Задачей настоящего исследования была оценка проявления гетеро-
66
зиса у овощного перца в зависимости от характера и степени идентичности эффектов переопределенных аллелей хозяйственно ценных признаков с целью уточнения его закономерностей и механизмов.
Методика. На основе пяти генотипов перца (сорта Добрыня Никитич, Колобок, Прометей, линии Л 48 и Л 49) выполняли диаллельные скрещивания по схеме [хр(р+1)] (необогреваемые пленочные теплицы, центральная часть Приднестровского региона, 2004 год). В следующем сезоне (2005 год) растения родительских форм и гибридов Fi выращивали согласно общепринятым рекомендациям для культуры. В соответствии со схемой рендо-мизированных блоков 50-суточную рассаду высаживали (в двух повторностях по 10 растений в каждом варианте) в открытый грунт и необогреваемую пленочную теплицу. Регрессионно-кластерный анализ и оценку степени идентичности переопределенных аллелей проводили, как описано (16).
Эффект гетерозиса (по сравнению со средними родительских линий) по каждому признаку определяли по Х. Даскалову с соавт. (1). Для оценки коррелированности между эффектом гетерозиса и найденными параметрами идентичности эффектов переопределенных аллелей для каждых условий среды, а также ее частичной визуализации использовали пакет Correlation matrices Statistica 6.0. Для полной визуализации взаимодействия эффекта гетерозиса и степени идентичности аллелей построили граф генной сети для тех генов, взаимодействия между которыми согласно полученной матрице лежат в пределах 20 % от экстремальных значений по всей матрице. Матрицей служила таблица коррелированности эффекта гетерозиса количественных признаков и степени идентичности эффектов переопределенных аллелей в обоих вариантах условий выращивания (необогреваемая теплица и открытый грунт). Для построения графа применили алгоритм dot из пакета Graphviz (http://www.graphviz.org/) (сплошные линии соответствуют положительным корреляциям, пунктирные — отрицательным значениям).
Результаты. З а щ и щ е н н ы й г р у н т. Мы уточнили характер проявления гетерозиса в модуле товарный урожай у используемых генотипов (табл. 1).
1. Эффект гетерозиса (%) по показателям в модуле товарный урожай у овощного перца Capsicum annuum L. в условиях необогреваемой пленочной теплицы и открытого грунта (по данным диаллельных скрещиваний, г. Тирасполь, 2005 год)
Комбинация скрещивания сортов и линий Защищенный грунт Открытый грунт
1 2 3 4 5 6 8 1 1 2 3 4 5 1 6 | 7 1 8
Л 48 х Прометей 125 122 97 99 108 113 88 125 151 90 78 95 105 110 84 133
Колобок х Прометей 97 84 111 108 92 85 95 98 87 121 86 100 77 79 82 90
Л 49 х Прометей 159 124 128 105 108 100 95 112 77 95 99 97 100 101 84 97
Добрыня Никитич х Прометей 148 88 128 106 114 108 101 110 131 96 102 97 98 102 91 121
Колобок х Л 48 127 104 105 114 85 77 93 106 127 91 111 112 96 83 82 106
Л 49 х Л 48 213 173 107 107 104 101 99 141 195 113 111 102 117 115 87 120
Л 49 х Колобок 217 131 161 123 86 67 108 113 81 90 96 105 84 77 98 100
Добрыня Никитич х Колобок 228 116 166 129 110 85 109 131 95 73 106 109 90 82 85 126
Добрыня Никитич х Л 49 337 206 136 117 108 91 112 154 88 86 78 92 103 110 83 160
Добрыня Никитич х Л 48 168 121 118 105 115 114 96 109 115 71 112 103 121 116 97 101
П р и м е ч а н и е. 1 — товарный урожай, 2 — число плодов с растения, 3 — масса товарного плода, 4 —
диаметр плода, 5 — длина плода, 6 — индекс плода, 7 — толщина стенки плода, 8 — высота куста.
По данным литературы, у Capsicum annuum отмечается сильный эффект гетерозиса по признакам длина вегетационного периода, величина урожая, устойчивость к болезням, число плодов и семян, высота растения и др. (1, 17). Наши исследования (см. табл. 1) подтверждают эти данные (прежде всего в отношении признаков товарный урожай, а также число плодов на растении, высота растения и масса плода). Однако следует учесть, что товарный урожай с растения — это результирующий признак, который опре-
67
деляется по вкладам других (9-11) и у овощного перца представляет собой произведение числа товарных плодов с растения на массу одного плода. В свою очередь, величина массы плода — результирующая произведения удельной массы на объем плода, а объем обусловлен толщиной стенки перикарпия, длиной и диаметром плода и т.д. То есть существует вероятность, что число ключевых генов, определяющих результирующий признак, невелико. В то же время не исключено, что специфичные гены урожайности и массы плода, возможно, виртуальные и не будут найдены. Для модуля урожая важнейшими реальными признаками становятся толщина стенки, длина и диаметр плода, число и удельная масса товарных плодов (и соответственно, кодирующие их аллели). Анализ проявления гетерозиса по изучаемым признакам выявил значимую положительную корреляцию длины и индекса плода с диаметром (г = 0,83) и отрицательную — с толщиной плода (г = -0,77). Как следствие, одновременно наблюдалась положительная корреляция между гетерозисом по товарному урожаю, диаметру и массе плода, числу плодов и высоте куста. Результаты, полученные для условий пленочной необогреваемой теплицы, свидетельствуют о наличии не только прямых, но и опосредованных взаимосвязей между показателями, сочетание которых и обусловливает конечный эффект.
2. Идентичность (%) эффектов ключевых аллелей ряда хозяйственно ценных признаков в кластерах у овощного перца Capsicum annuum L. в зависимости от условий выращивания (по данным диаллельных скрещиваний, г. Тирасполь, 2005 год)
Комбинация скрещи-
Защищенный грунт
Открытый грунт
вания сортов и линий i 1 2 3 4 | 5 1 6 1 7 8 9 1 1 2 1 3 4 5 1 6 7 1 8 1 9
Л 48 х Прометей 50 0 0 0 0 0 0 0 100 50 0 0 0 100 0 0 50 0
Колобок х Прометей 0 66,6 0 0 0 0 50 50 100 0 0 0 100 0 100 0 50 0
Л 49 х Прометей 50 33,3 0 0 0 0 0 0 100 50 0 0 0 0 100 0 100 100
Добрыня Никитич х Прометей 0 100 100 0 0 50 0 50 50 0 0 0 0 0 100 0 100 100
Колобок х Л 48 0 33,3 0 0 0 100 0 0 100 0 0 100 0 0 0 0 0 100
Л 49 х Л 48 100 66,6 0 0 0 100 100 0 100 100 0 0 0 0 0 0 50 0
Л 49 х Колобок 0 66,6 0 0 0 0 50 50 100 0 0 0 100 0 100 0 50 0
Л 49 х Л 48 100 66,6 0 0 0 100 100 0 100 100 0 0 0 0 0 0 50 0
Л 49 х Колобок 0 66,6 0 0 0 0 50 50 100 0 0 0 100 0 100 0 50 0
Добрыня Никитич х Колобок 0 66,6 0 0 100 50 0 0 50 0 0 0 0 0 100 50 50 0
Добрыня Никитич х Л 49 50 33,3 0 0 0 50 0 0 50 0 100 100 0 0 100 50 100 100
П р и м е ч а н и е. 1-9 — соответственно кластеры длина плода—индекс плода; общий урожай— товарный урожай—число плодов с растения; диаметр плода; высота куста; гниль плодов; средняя масса плода—товарная масса плода; продолжительность II фенофазы—продолжительность III фенофазы; тол-
щина стенки плода—вертициллезное увядание; продолжительность I фенофазы—число камер в плоде.
Сравнив показатели идентичности эффектов переопределенных аллелей хозяйственно ценных признаков (табл. 2) и эффект гетерозиса (см. табл. 1) для обоих условий, обнаружили значимую положительную корреляцию (г = 0,67) между степенью идентичности в кластере длина плода— индекс плода и гетерозисом по числу плодов с растения, между идентичностью в кластере гниль плодов и гетерозисом по признаку диаметр плода, а также отрицательную — между идентичностью в кластере продолжительность I фенофазы—число камер в плоде и гетерозисом по признаку длина плода (табл. 3). Остальные показатели идентичности взаимосвязаны с гетерозисом косвенно (через другие показатели). При этом, учитывая прямые и косвенные взаимосвязи, можно заключить, что у генотипов с увеличением степени идентичности эффектов переопределенных аллелей в кластере длина плода—индекс плода повышается гетерозис по числу плодов, высоте куста, величине товарного урожая, длине и индексу плода, но снижается — по диаметру, толщине стенки и массе плода. В то же время чем выше
68
3. Коррелятивные взаимодействия (r) эффекта гетерозиса и показателей идентичности ключевых аллелей ряда количественных признаков у 10 гибридных комбинаций Fj овощного перца Capsicum annuum L. в условиях необогреваемой пленочной теплицы и открытого грунта (по данным диаллельных скрещиваний, г. Тирасполь, 2005 год)
П fi 1 2 14 1 5 6 L? Js J 9 1 10 1 11 1 12 1 13 1 14 115 116 1 17 1 18 | 19 20 | 21 | 22 23 24 1 25 | 26 27 28 1 29 1 30 1 31 | 32 33 1 34
1 i -0,39 -0,30 -0,30 -0,30 0,00 0,56 -0,45 0,12 0,41 -0,48 0,56 -0,18 0,28 0,67* -0,42 0,57 0,82* 0,20 -0,08 -0,30 0,20 -0,49 -0,26 0,20 -0,12 0,80* -0,41 0,83* -0,05 0,56 0,13 -0,08 0,29
2 -0,39 1 0,58 0,22 0,22 0,28 -0,14 0,60 -0,09 -0,15 0,37 -0,36 0,45 0,05 -0,22 0,41 -0,07 -0,10 -0,15 -0,22 0,22 -0,51 0,58 0,19 0,22 0,09 -0,49 0,13 -0,43 0,07 -0,01 0,43 0,37 -0,10
3 -0,30 0,58 1 -0,11 -0,11 0,00 -0,21 0,67* -0,41 0,35 -0,20 0,31 0,06 -0,17 -0,37 0,03 -0,20 -0,20 -0,11 -0,17 -0,11 -0,11 0,27 -0,22 0,44 0,41 -0,03 -0,23 0,10 0,22 0,15 0,08 0,13 0,09
4 -0,30 0,22 -0,11 1 -0,11 0,43 -0,21 -0,17 0,27 -0,53 0,44 -0,60 0,38 0,18 0,04 0,53 -0,14 -0,20 -0,11 -0,17 -0,11 -0,11 0,27 0,51 -0,11 -0,27 -0,39 0,21 -0,46 0,63 -0,32 -0,06 0,02 -0,26
5 -0,30 0,22 -0,11 -0,11 1 0,00 -0,21 -0,17 -0,41 0,22 0,67* -0,20 0,42 0,23 -0,10 0,61 0,22 -0,20 -0,11 -0,17 -0,11 -0,11 0,27 0,51 -0,11 -0,27 -0,24 0,44 -0,35 -0,13 -0,18 -0,45 0,20 0,18
6 -0,00 0,28 0,00 0,43 0,00 1 0,16 -0,32 -0,00 -0,40 0,47 -0,46 0,38 0,34 0,29 0,22 0,19 0,00 0,00 0,32 -0,43 -0,43 -0,26 0,28 -0,43 -0,00 0,15 0,58 -0,13 0,39 0,32 -0,11 0,58 0,04
7 0,56 -0,14 -0,21 -0,21 -0,21 0,16 1 -0,00 0,00 0,18 -0,34 0,37 -0,22 -0,09 0,13 -0,38 -0,01 0,37 -0,21 -0,31 0,21 -0,21 -0,51 -0,41 -0,21 -0,51 0,55 0,08 0,45 0,29 0,47 0,22 0,38 -0,28
8 -0,45 0,60 0,67* -0,17 -0,17 -0,32 0,00 1 -0,10 0,00 -0,24 0,08 -0,11 -0,45 -0,58 -0,14 -0,48 -0,30 -0,17 -0,25 0,67* -0,17 0,41 -0,33 0,25 0,10 -0,45 -0,23 -0,24 -0,07 -0,08 0,54 -0,02 -0,25
9 0,12 -0,09 -0,41 0,27 -0,41 0,00 0,00 -0,10 1 -0,67* -0,27 -0,30 -0,54 -0,47 -0,14 -0,42 -0,30 0,49 -0,41 -0,10 0,27 0,27 -0,25 -0,36 -0,41 -0,17 -0,25 0,13 -0,27 -0,24 0,17 0,62 -0,20 -0,47
10 0,41 -0,15 0,35 -0,53 0,22 -0,40 0,18 -0,00 -0,67* 1 -0,31 0,83* 0,06 0,22 0,17 0,02 0,35 0,17 0,16 -0,31 -0,35 0,16 -0,00 -0,10 0,61 0,06 0,60 -0,50 0,72* 0,10 0,17 -0,39 -0,07 0,42
11 -0,48 0,37 -0,20 0,44 0,67* 0,47 -0,34 -0,24 -0,27 -0,31 1 -0,77* 0,80* 0,55 0,16 0,84* 0,25 -0,46 0,22 0,24 -0,12 -0,46 0,47 0,87* -0,16 -0,07 -0,47 0,52 -0,62 0,09 -0,45 -0,36 0,31 0,15
12 0,56 -0,36 0,31 -0,60 -0,20 -0,46 0,37 0,08 -0,30 0,83* -0,77* 1 -0,45 -0,19 0,01 -0,50 0,10 0,39 -0,07 -0,34 -0,20 0,42 -0,39 -0,57 0,38 -0,01 0,72* -0,54 0,85* 0,05 0,47 -0,11 -0,21 0,21
13 -0,18 0,45 0,06 0,38 0,42 0,38 -0,22 -0,11 -0,54 0,06 0,80* -0,45 1 0,85* 0,49 0,84* 0,53 -0,35 0,56 0,20 -0,21 -0,52 0,62 0,89* 0,36 0,07 -0,22 0,01 -0,19 0,23 -0,39 -0,29 0,22 0,43
14 0,28 0,05 -0,17 0,18 0,23 0,34 -0,09 -0,45 -0,47 0,22 0,55 -0,19 0,85* 1 0,86* 0,56 0,84* -0,04 0,78* 0,38 -0,43 -0,29 0,29 0,78* 0,39 0,13 0,19 -0,21 0,23 0,09 -0,16 -0,35 0,03 0,69*
15 0,67* -0,22 -0,37 0,04 -0,10 0,29 0,13 -0,58 -0,14 0,17 0,16 0,01 0,49 0,86* 1 0,11 0,89* 0,36 0,75* 0,40 -0,41 -0,05 -0,07 0,45 0,28 0,08 0,46 -0,36 0,51 -0,06 0,15 -0,11 -0,13 0,67*
16 -0,42 0,41 0,03 0,53 0,61 0,22 -0,38 -0,14 -0,42 0,02 0,84* -0,50 0,84* 0,56 0,11 1 0,18 -0,44 0,16 -0,12 -0,22 -0,43 0,70* 0,85* 0,27 -0,05 -0,40 0,21 -0,44 0,36 -0,60 -0,45 0,25 0,09
17 0,57 -0,07 -0,20 -0,14 0,22 0,19 -0,01 -0,48 -0,30 0,35 0,25 0,10 0,53 0,84* 0,89* 0,18 1 0,36 0,68* 0,30 -0,44 0,10 -0,02 0,50 0,30 0,03 0,39 -0,34 0,47 -0,21 0,26 -0,17 -0,22 0,86*
18 0,82* -0,10 -0,20 -0,20 -0,20 0,00 0,37 -0,30 0,49 0,17 -0,46 0,39 -0,35 -0,04 0,36 -0,44 0,36 1 -0,20 -0,30 -0,20 0,30 -0,43 -0,39 0,05 -0,18 0,50 -0,22 0,52 -0,19 0,68* 0,42 -0,08 0,06
19 0,20 -0,15 -0,11 -0,11 -0,11 0,00 -0,21 -0,17 -0,41 0,16 0,22 -0,07 0,56 0,78* 0,75* 0,16 0,68* -0,20 1 0,67* -0,11 -0,11 0,27 0,51 0,44 0,41 0,10 -0,51 0,28 -0,25 -0,25 -0,15 -0,30 0,75*
20 -0,08 -0,22 -0,17 -0,17 -0,17 0,32 -0,31 -0,25 -0,10 -0,31 0,24 -0,34 0,20 0,38 0,40 -0,12 0,30 -0,30 0,67* 1 -0,17 -0,17 -0,10 0,22 -0,17 0,61 0,02 0,07 -0,03 -0,42 -0,10 -0,14 -0,01 0,44
21 -0,30 0,22 -0,11 -0,11 -0,11 -0,43 0,21 0,67* 0,27 -0,35 -0,12 -0,20 -0,21 -0,43 -0,41 -0,22 -0,44 -0,20 -0,11 -0,17 1 -0,11 0,27 -0,22 -0,11 -0,27 -0,57 -0,07 -0,42 -0,31 -0,26 0,65* -0,16 -0,42
22 0,20 -0,51 -0,11 -0,11 -0,11 -0,43 -0,21 -0,17 0,27 0,16 -0,46 0,42 -0,52 -0,29 -0,05 -0,43 0,10 0,30 -0,11 -0,17 -0,11 1 -0,41 -0,22 -0,11 -0,27 0,15 -0,35 0,28 -0,19 0,34 -0,06 -0,83* 0,29
23 -0,49 0,58 0,27 0,27 0,27 -0,26 -0,51 0,41 -0,25 0,00 0,47 -0,39 0,62 0,29 -0,07 0,70* -0,02 -0,43 0,27 -0,10 0,27 -0,41 1, 0,53 0,61 0,25 -0,67* -0,25 -0,47 -0,03 -0,74* 0,08 -0,03 0,02
24 -0,26 0,19 -0,22 0,51 0,51 0,28 -0,41 -0,33 -0,36 -0,10 0,87* -0,57 0,89* 0,78* 0,45 0,85* 0,50 -0,39 0,51 0,22 -0,22 -0,22 0,53 1 0,15 -0,09 -0,34 0,09 -0,35 0,16 -0,49 -0,43 -0,05 0,44
25 0,20 0,22 0,44 -0,11 -0,11 -0,43 -0,21 0,25 -0,41 0,61 -0,16 0,38 0,36 0,39 0,28 0,27 0,30 0,05 0,44 -0,17 -0,11 -0,11 0,61 0,15 1 0,41 0,09 -0,79* 0,39 0,04 -0,28 0,01 -0,19 0,34
26 -0,12 0,09 0,41 -0,27 -0,27 0,00 -0,51 0,10 -0,17 0,06 -0,07 -0,01 0,07 0,13 0,08 -0,05 0,03 -0,18 0,41 0,61 -0,27 -0,27 0,25 -0,09 0,41 1 0,01 -0,23 0,08 -0,33 -0,21 -0,03 0,11 0,23
27 0,80* -0,49 -0,03 -0,39 -0,24 0,15 0,55 -0,45 -0,25 0,60 -0,47 0,72* -0,22 0,19 0,46 -0,40 0,39 0,50 0,10 0,02 -0,57 0,15 -0,67* -0,34 0,09 0,01 1 -0,20 0,91* 0,21 0,60 -0,29 0,14 0,29
28 -0,41 0,13 -0,23 0,21 0,44 0,58 0,08 -0,23 0,13 -0,50 0,52 -0,54 0,01 -0,21 -0,36 0,21 -0,34 -0,22 -0,51 0,07 -0,07 -0,35 -0,25 0,09 -0,79* -0,23 -0,20 1 -0,58 0,14 0,03 -0,21 0,64* -0,45
29 0,83* -0,43 0,10 -0,46 -0,35 -0,13 0,45 -0,24 -0,27 0,72* -0,62 0,85* -0,19 0,23 0,51 -0,44 0,47 0,52 0,28 -0,03 -0,42 0,28 -0,47 -0,35 0,39 0,08 0,91* -0,58 1 0,09 0,53 -0,13 -0,15 0,44
30 -0,05 0,07 0,22 0,63 -0,13 0,39 0,29 -0,07 -0,24 0,10 0,09 0,05 0,23 0,09 -0,06 0,36 -0,21 -0,19 -0,25 -0,42 -0,31 -0,19 -0,03 0,16 0,04 -0,33 0,21 0,14 0,09 1 -0,04 -0,36 0,32 -0,28
31 0,56 -0,01 0,15 -0,32 -0,18 0,32 0,47 -0,08 0,17 0,17 -0,45 0,47 -0,39 -0,16 0,15 -0,60 0,26 0,68* -0,25 -0,10 -0,26 0,34 -0,74* -0,49 -0,28 -0,21 0,60 0,03 0,53 -0,04 1 0,26 0,03 0,21
32 0,13 0,43 0,08 -0,06 -0,45 -0,11 0,22 0,54 0,62 -0,39 -0,36 -0,11 -0,29 -0,35 -0,11 -0,45 -0,17 0,42 -0,15 -0,14 0,65* -0,06 0,08 -0,43 0,01 -0,03 -0,29 -0,21 -0,13 -0,36 0,26 1 -0,10 -0,29
33 -0,08 0,37 0,13 0,02 0,20 0,58 0,38 -0,02 -0,20 -0,07 0,31 -0,21 0,22 0,03 -0,13 0,25 -0,22 -0,08 -0,30 -0,01 -0,16 -0,83* -0,03 -0,05 -0,19 0,11 0,14 0,64* -0,15 0,32 0,03 -0,10 1 -0,43
34 0,29 -0,10 0,09 -0,26 0,18 0,04 -0,28 -0,25 -0,47 0,42 0,15 0,21 0,43 0,69* 0,67* 0,09 0,86* 0,06 0,75* 0,44 -0,42 0,29 0,02 0,44 0,34 0,23 0,29 -0,45 0,44 -0,28 0,21 -0,29 -0,43 1
П р и м 1 г ч а н и е. П - переменная (обозначения переменных см. на рисунке 1).
* Значимо при p < 0,05.
а\
\о
70
Рис. 1. Визуализация взаимодействий ключевых аллелей хозяйственно ценных признаков и эффектов гетерозиса у овощного перца Capsicum annuum L. (по данным диаллельных скрещиваний, г. Тирасполь, 2005 год).
Показатели идентичности аллелей в кластерах в условиях защищенного (1-9) и открытого грунта (18-26): 1, 18 — длина плода—индекс плода; 2, 19 — общий урожай—товарный урожай—число плодов с растения; 3, 20 — диаметр плода; 4, 21 — высота куста; 5, 22 — гниль плодов; 6, 23 — средняя масса плода— товарная масса плода; 7, 24 — продолжительность II фенофазы—продолжительность III фенофазы; 8, 25 — толщина стенки плода—вертициллезное увядание; 9, 26 — продолжительность I фенофазы— число камер в плоде.
Эффект гетерозиса в условиях защищенного (10-17) и открытого грунта (27-34) по следующим признакам: 10, 27 — длина плода; 11, 28 — диаметр плода; 12, 29 — индекс плода; 13, 30 — тол-
щина стенки плода; 14, 31 — товарный урожай; 15, 32 — число плодов с растения; 16, 33 — масса плода; 17, 34 — высота куста.
идентичность эффекта переопредленных аллелей по признакам продолжительность I фенофазы—число камер в плоде, тем ниже гетерозис по компонентным признакам урожая: длине плода, толщине стенки, товарному урожаю, массе плода, диаметру и индексу плода, числу плодов, высоте куста. С уменьшением идентичности в кластере гниль плодов в той или иной степени понижается гетерозис по признакам диаметр, масса, длина и толщина стенки плода, товарный урожай, но имеется тенденция к его возрастанию по признакам индекс плода и число плодов.
Рис. 2. Визуализация взаимосвязи эффекта гетерозиса по признакам товарный урожай (Z) и число плодов на растении (Y) с идентичностью аллелей в кластере длина плода—индекс плода (Х) у генотипов овощного перца Capsicum annuum L. в условиях защищенного грунта (по данным диаллельных скрещиваний, г. Тирасполь, 2005 год).
Выполненный анализ показал достаточно сложные генные взаимодействия, необходимые для реализации одного конечного результата — формирования урожая. Поэтому, на наш взгляд, более корректно определение модуля количественного признака как функциональной единицы. Кроме того, этот показатель гораздо удобнее рассматривать на основе генной сети, то есть группы координированно работающих генов, которые отвечают за выполнение определенной функции (18, 19). Генная сеть, узлами которой служат как скоррелированные количественные признаки, так и степень идентичности эффектов переопределенных аллелей, представлена на рисунке 1. Тогда легко прослеживается взаимосвязь структурных и временных модулей количественных признаков (9, 10), работающих на определенную функцию. Интересно отметить, что не выявлено ни одного значимого прямого взаимодействия между показателями идентичности аллелей в кластерах общий урожай—товарный урожай—число плодов, средняя масса плода—товарная масса плода и эффектом гетерозиса. Возможно, объяснение в том, что урожай и масса плода — сложные результирующие признаки, которые определяются наличием отрицательных и положительных обратных связей, стабилизирующих параметры генной сети на неком уровне или, напротив, отклоняющие их от исходного значения, обеспечивая переход к новому функциональному состоянию. Принимая во внимание вклад каждого компонента генной сети, следует отметить, что ключевое значение для прогноза гетерозиса по урожайности в условиях пленочной теплицы имеет наличие и степень идентичности аллелей в кластерах длина плода—индекс плода, гниль плода, продолжительность I фенофазы—число камер в плоде (визуализация взаимосвязи отдельных элементов узла генной сети приведена на рис. 2). С возрастанием показателя идентичности аллелей в кластере длина плода—индекс плода одновременно возрастает эффект гетерозиса: криволинейно (то есть до определенного предела) — по товарному урожаю и числу плодов с растения и прямолинейно — по высоте куста. Криволинейность указывает на значительный вклад генотипического фона в эффект гетерозиса по товарному урожаю и подтверждает наличие генных взаимодействий.
О т к р ы т ы й г р у н т. Смена комфортных условий выращивания на более жесткие в большинстве случаев дифференцировала проявле-
71
ние гетерозиса у гибридных комбинаций по изучаемым признакам (табл. 2), при том что по ряду признаков он проявлялся стабильно, значимо и положительно. Например, при смене условий положительно коррелировал гетерозис по признакам длина плода и индекс плода (г = 0,91), диаметр и масса плода (г = 0,64) (хотя абсолютные значения соответствующих показателей изменились).
Наши исследования подтвердили положения теории эколого-генетического контроля количественных признаков (9-11), согласно которой в зависимости от условий среды происходит не только изменение выраженности признаков, но и их переопределение за счет изменения генного набора, детерминирующего признак (включение новых и выключение ранее работавших генов). В модуле урожайности коррелированность составляющих его признаков при изменении условий выращивания изменилась. Отмечалось снижение корреляции между гетерозисом по урожаю и по признаку число плодов (г = 0,26), а также между диаметром и толщиной стенки (г = 0,14), толщиной стенки и массой плода (г = 0,32), урожаем и высотой куста (г = 0,21). Более того, происходило не только кардинальное снижение проявления, но и переопределение знака коррелированности между показателями урожай с куста и толщина стенки (г = -0,04), между высотой куста и числом плодов с растения (г = -0,29). Снижением выраженности признаков и сменой одних доминирующих групп на другие формирующие модуль урожая группы инициировались координированные модификации в сопряженных признаках (масса плода), происходили изменения (по типу прямых и обратных связей) в генной сети модуля урожая, и в результате функционально ответ организма переопределялся адекватно воздействию среды. В открытом грунте, то есть в более жестких условиях по сравнению с защищенным грунтом, четче прослеживалась взаимосвязь между идентичностью аллелей ряда признаков и эффектом гетерозиса. Так, отрицательно коррелировал гетерозис по длине плода с идентичностью аллелей в кластере средняя масса плода—товарная масса плода (г = -0,67) и гетерозис по диаметру плода с идентичностью аллелей кластера вертицеллез-ное увядание в условиях монокультуры—толщина стенки плода (г = -0,79). Положительно коррелировал гетерозис по числу плодов с идентичностью аллелей кластера высота растений (г = 0,65) и гетерозис по высоте куста с идентичностью аллелей в кластере общий урожай—товарный урожай—число плодов (г = 0,75). Гетерозис по товарному урожаю положительно коррелировал с идентичностью аллелей в кластере длина плода—индекс плода (г = 0,68) и отрицательно — с идентичностью аллелей в кластере средняя масса плода—товарная масса плода (г = -0,74).
Таким образом, при смене условий выращивания (с защищенного на открытый грунт) мы наблюдали, во-первых, изменение проявления гетерозиса по признакам (однозначное усиление или уменьшение со значимого до тенденции), во-вторых, переопределение самого эффекта с положительной величины на отрицательную или наоборот. Следовательно, чтобы спрогнозировать результат, нужно рассматривать не отдельные признаки, а функцию в целом. Это возможно при функциональном модульном подходе к анализу количественных признаков. Отрицательные и положительные связи, визуализированные в генной сети, наглядно демонстрируют вероятное конечное проявление эффекта гетерозиса, стабилизируя либо отклоняя показатели признаков от их исходного значения, что обеспечивает переход к измененному функциональному состоянию (см. рис. 2, 3).
В связи с полученными данными возникает вопрос, можно ли спрогнозировать гетерозис по урожаю для обоих условий выращивания и создать
72
универсальный гибрид на основании использованных нами генотипов.
А
Б
Г
Рис. 3. Прогноз эффекта гетерозиса по признаку товарный урожай с растения в условиях открытого грунта (А, X1; Б, Х2; В, Z3; Г, X4) и пленочной теплицы (А, Y1; Б, Z1; В, Y3; Г, Y4) с
учетом степени идентичности аллелей в кластерах продолжительность II фенофазы—продолжительность III фенофазы в открытом (А, Z1) и защищенном грунте (Б, Y2), а также длина плода—индекс плода в открытом (В, Х3) и защищенном (Г, Z4) грунте у генотипов овощного перца Capsicum annuum L. (по данным диаллельных скрещиваний, г. Тирасполь, 2005 год).
Анализ (см. рис. 1, 3) выявил у этой группы генотипов представляющую интерес для практической селекции замкнутую коррелятивную последовательность признаков, которая, вероятно, позволит добиться проявления гетерозиса по товарному урожаю в обоих условиях. Последовательность составляют гетерозис по товарному урожаю в открытом грунте идентичность аллелей кластера длина плода—индекс плода в открытом грунте идентичность аллелей кластера длина плода—индекс плода в защищенном грунте гетерозис по числу плодов с растения в защищенном грунте гетерозис по товарному урожаю в защищенном грунте идентичность аллелей кластера продолжительность II фенофазы—продолжительность III фенофазы гетерозис по товарному урожаю в открытом грунте. Поскольку признаки (и их аллели) скоррелированы в цепочку, конечный эффект зависит от характера изменения (усиления или ослабления) любого компонента. Исходя из такого состава генной цепочки, увеличение гетерозиса по товарному урожаю одновременно в открытом и защищенном грунте положительно и значимо коррелирует с идентичностью аллелей в кластере длина плода—индекс плода и однонаправленно, но с возрастанием абсолютной величины для условий открытого грунта — с идентичностью аллелей в кластере продолжительность II фенофазы—продолжительность III фенофазы. Визуализацию элементов некоторых узлов этой генной цепочки иллюстрирует рисунок 3, отображающий прогноз эффекта гетерозиса по товарному урожаю в двух условиях выращивания с учетом ха-
73
рактера его криволинейных и прямолинейных взаимосвязей с идентичностью аллелей в кластерах длина плода—индекс плода и продолжительность II фенофазы—продолжительность III фенофазы. Эти данные свидетельствуют, что эффект гетерозиса по модулю товарный урожай в обоих вариантах имеет одинаковую направленность корреляции со степенью идентичности эффекта у маркерных переопределенных аллелей, следовательно, можно прогнозировать получение универсального гибрида для открытого и защищенного грунта.
На наш взгляд, полученные результаты означают, что ключевую роль в эффекте гетерозиса играет взаимодействие аллелей одного локуса, а изменение внешних условий через обратные связи и опосредованные генные взаимодействия включает работу новых аллелей и генных цепочек, вызывая переопределение эффекта. Таким образом, проявление гетерозиса — сложная функциональная реакция генотипа на дифференцирующее воздействие среды, обусловленная как взаимодействием аллелей одного локуса, так и моделирующей ролью кооперированных генных эффектов.
Следует отметить, что переопределение генов, выявляемое при изменении условий среды, предполагает наличие генов-регуляторов (возможно, триггеров или переключателей). Подобная регуляция количественных генов предложена в качестве модели для низших грибов (12). Но, по нашему мнению, регуляторы включают и выключают не просто отдельные гены или группы генов хозяйственно ценных признаков, что согласуется с теориями функционирования полигенов (10, 12), но и запускают либо блокируют работу организованной и скоординированной последовательности генов, определяющей конкретную функцию в конкретных условиях. Возможно, у растений этот тип регуляции полигенного функционирования является тривиальным. Например, у C. annuum такой же триггерный контроль с участием четырех генов-переключателей показан нами ранее при смене гаметофитного развития на спорофитное (14). Вероятно, именно наличием подобных регуляторов (возможно, триггеров) объясняется тот факт, что при молекулярных исследованиях риса выявлено 12 постоянно регистрируемых локусов количественных признаков вне зависимости от меняющихся условий среды (цит. по 10).
Итак, уточнен состав аллелей, составляющих модуль товарного урожая, а также характер и степень переопределения этих аллелей при изменении условий среды. Показано наличие и характер корреляций между вариабельностью эффекта гетерозиса по урожаю и степенью функциональной идентичности аллелей генов, кодирующих соответствующие признаки. Полученные результаты подтверждают и уточняют гипотезу о модульной организации количественных признаков растений и на ее основе дополняют имеющиеся представления о возможном регулировании полигенных систем. С этих позиций эффект гетерозиса можно рассматривать как частное проявление функций генных сетей.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Д а с к а л о в Х., М и х о в А., М и н к о в И. и др. Гетерозис и его использование в овощеводстве. М., 1978.
2. К а р т е л ь Н.А., М а к е е в а Е.Н., М е з е н к о А.М. Генетика: Энциклопедический словарь. Минск, 1999: 98-99.
3. K r i e g e r U., L i p p m a n Z.B., Z a m i r D. The flowering gene Single Flower Fruss drives heterosis for yield in tomato. Nature Genetics, 2010, 42: 459-463.
4. П о т о к и н а Е.К., Ч е с н о к о в Ю.В. Современные методы геномного анализа в исследованиях генетики количественных признаков. С.-х. биол., 2005, 3: 3-18.
5. Ч е с н о к о в Ю.В. Идентификация QTL и скрининг генетических ресурсов растений.
74
Мат. I Межд. науч.-практ. конф. «Современные тенденции в селекции и семеноводстве овощных культур. Традиции и перспективы». М., 2008: 416-425.
6. B a r c h i L., L e f e b v r e V., S i g n o r e t P., S a g e - P a 1 1 o i x A.M., L a n t e-r i S., P a l l o i x A. Horticultural traits mapping and their association with resistance traits in pepper genome. Consequences for multi-trait breeding using marker assisted selection. In: Progress in research on capsicum & eggplant /K. Niemirowicz-Szczytt (ed.). Warsaw, Poland, 2007: 169-180.
7. P i c k C. Completion of a genetic map of pepper. The Sol. News Letter, 2009, 22: 1-2.
8. W u F., E a n n e t t a N.T., X u Y., D u r r e t t R., M a z o u r e k M., J a h n M.M., T a n k s l e y S.D. A Cosll genetic map of the pepper genome provides a detailed picture of synteny with tomato and new insights into resent chromosome evolution in the genus Capsicum. Theor. Appl. Genet., 2009, 118: 1279-1293.
9. D r a g a v t s e v V.A. Algorithms of an ecology-genetical survey of the genofond and methods of creating the varieties of crop plants for yield, resistance and quality. St. Petersburg, 2002.
10. Д р а г а в ц е в В.А. К проблеме генетического анализа полигенных количественных признаков растений. СПб, 2003.
11. К о ч е р и н а Н.В., Д р а г а в ц е в В.А. Введение в теорию эколого-генетической организации полигенных признаков растений и теорию селекционных индексов. СПб, 2008.
12. L i t v i n O., C a u s t o n H.C., B o - J u e n C h e n, P e e r D. Modularity and interaction in the genetics of gene expression. www.pnas.org/cgi/doi/10.1073/pnas.0810208106, 1-6.
13. Ч е с н о к о в Ю.В., П о ч е п н я Н.В., Б е р н е р А., Л о в а с с е р У., Г о н ч ар о в а Э.А., Д р а г а в ц е в В.А. Эколого-генетическая организация количественных признаков растений и картирование локусов, определяющих агрономически важные признаки у мягкой пшеницы. ДАН, 2008, 418(5): 693-696.
14. T i m i n a O.O., T s y k a l i u k R.A., O r l o v P.A. The identification of genotypes quantitative characters by regressive cluster an alysis. Capsicum and Eggplant Newsletter, 2004, 23: 37-40.
15. Т и м и н а О.О. Идентификация доноров раннеспелости овощного перца Capsicum annuum L. регрессионно-кластерным анализом. Овочiвництво i баштанництво, 2005, 51: 264-281.
16. Т и м и н а О.О., Р я б о в а А.С. Идентификация ключевых аллелей хозяйственно ценных признаков у овощного перца Capsicum annuum L. регрессионно-кластерным анализом. С.-х. биол., 2009, 1: 40-50.
17. P a n d e y J., S i n g h J., V e r m a A., S i n g h A.K., R a i M., K u m a r S. Heterosis studies in CMS hybrids of chilli (Capsicum annuum L.) for yield and quality parameters. In: Progress in research on capsicum & eggplant /K. Niemirowicz-Szczytt (ed.). Warsaw, Poland, 2007: 211-220.
18. К о л ч а н о в Н.А., А н а н ь к о Е.А., К о л п а к о в Ф.А., П о д к о л о д н а я О.А., И г н а т ь е в а Е.В., Г о р я ч к о в с к а я Т.Н., С т е п а н е н к о И.Л. Генные сети. Молекулярная биология, 2000, 34(4): 533-544.
19. А н а н ь к о Е.А. Разработка технологии реконструкции и компьютерного анализа генных сетей и ее применение в биологических исследованиях. Канд. дис. Новосибирск, 2008.
Приднестровский государственный университет, Поступила в редакцию
НИЛ Биоинформатика, 20 мая 2009 года
3300 Приднестровье, г. Тирасполь, ул. 25 Октября, 128, корп. В, e-mail: [email protected];
Институт систем информатики им. А.П. Ершова СО РАН,
630090 г. Новосибирск, просп. Академика Лаврентьева, 6, e-mail: [email protected]
FEATURE OF HETEROSIS IN Capsicum annuum L. IN CONNECTION WITH DEGREE OF IDENTITY OF KEY ALLELES OF ECONOMIC VALUABLE DETERMINANTS
O.O. Timina1, A.S. Ryabova2 S u m m a r y
With the use of parental forms of Capsicum annuum L. (Dobrynya Nikitich, Kolobok, Prometei varieties and also L 48 and L 49 lines) by the regression-cluster analysis the authors revealed the correlation between degree of identity of key alleles of economic valuable determinants and effect of heterosis. It was shown, that for the prognosis of heterosis in the conditions of the film nonheated greenhouse on module of marketable crop the degree of identity alleles in three clusters: fruit’s length-fruit’s index, fruit’s rot and duration of I phenophase-number of cameras in fruit; in the conditions of open ground — identity in the clusters: fruit’s length-fruit’s index, average fruit’s mass-marketable fruit’s mass have key significance. For the forecast of heterosis on mentioned module for both variants of growing the correlation between character and degree of identity of alleles in clusters: fruit’s length-fruit’s index and duration of II phenophase—duration of III phenophase is important.
75
