УДК 633.18:575.222.78:631.52/.524
НАСЛЕДОВАНИЕ ПРИЗНАКОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЙ БАЗИС ГЕТЕРОЗИСА У ГИБРИДОВ РИСА
Ю.К. ГОНЧАРОВА
На шести сортах риса и 30 гибридных комбинациях изучали наследование признаков (скорость роста зародышевого корня и стебля, продолжительность периода фотосинтетической активности листовой поверхности, отзывчивость на уровень минерального питания, содержание хлорофилла а, b и каротиноидов), определяющих физиологический базис гетерозиса у гибридов. Показано, что результирующее проявление признака обусловлено как межгенными, так и внутрилокусными взаимодействиями, но основную роль играют аддитивные эффекты генов. Выявлен полигенный характер наследования и ненаправленное доминирование по изученным признакам. Для скорости роста зародышевого стебля отмечено сверхдоминирование, для остальных признаков — неполное доминирование большего значения показателей. Доминирование большинства признаков, повышающих адаптивность, позволяет получать комплекс благоприятных генов уже в F1.
Ключевые слова: гетерозисные гибриды, скорость роста, содержание хлорофилла, каротиноиды, продолжительность фотосинтетической деятельности, отзывчивость, минеральное питание, наследование.
Применение гетерозисных гибридов позволило значительно увеличить урожайность многих культур, причем потенциал таких гибридов растет по мере создания более урожайных сортов традиционной селекции. Так, супергибриды риса, полученные в последние годы в Китае, превосходят более ранние на 15-20 % и имеют потенциал продуктивности 12-15 т/га (1). Вопрос о физиологическом базисе гетерозиса до сих пор дискутируется, но многие морфологические и физиологические признаки, ответственные за его проявление, известны. Эффект гетерозиса у кукурузы наблюдается уже на самых ранних этапах развития: усиление экспрессии генов у гибридов по сравнению с показателями у родительских форм отмечено сразу после оплодотворения, а на 6-е сут гибридный эмбрион уже превосходит по размерам негибридные (2, 3). Более высокий уровень экспрессии был характерен для 15,3 % генов из 13 999 исследованных, у 8,7 % генов он более чем в 2 раза превышал таковой у родительских форм (4). Примерно для 4 % генов, экспрессирующихся в корнях, листьях и метелках, уровень экспрессии у гибридов и родительских форм неодинаков (5).
Анализ функций генов с повышенной экспрессией показал, что в основном это гены, вовлеченные в регуляцию транскрипции или инициацию репликации, синтез белка и РНК, деление клеток (6). Изучение размера клеток у гибридов и родительских форм выявило отсутствие достоверных различий, следовательно, увеличение гибридных эмбрионов обусловлено ускоренным делением клеток (7). При благоприятных условиях выращивания гетерозис связывают с дополнительным накоплением биомассы в расчете на единицу площади и более высоким индексом урожая, чем у сортов традиционной селекции (8). Например, у арабидопсиса в 4-й хромосоме локализован кластер из 23 генов, доминирование, сверхдоминирование или аддитивное действие которых в разные фазы развития определяет гетерозис по биомассе (сухой массе побегов) (9). Во многих работах гетерозисный эффект объясняется лучшей реутилизацией углеводов из стебля в фазу налива зерна. В странах с умеренным климатом его связывают с высокой скоростью роста и продуктивным кущением, приводящим к повышению индекса листовой поверхности в более ранние сроки (10). У гетерозисных гибридов, как правило, меньше удельная плотность поверхности листа и тоньше листовые пластины (11). Гибриды лучше выращивать на среднем и высоком фоне минерального питания, где и урожай, и гетерозис выше. В частности, при внесении минерального азота в количестве более 120 кг/га при средней урожайности 6,5 т/га стандартный гетерозис составил 25,3 %, прибавка урожая — 1,4 т/га, менее 120 кг/га — соответственно 5,2 т/га, 13,0 % и 0,5 т/га. Экономический эффект от выращивания гибридов также возрастает при высоких дозах азота (до 180 кг/га).
Следует отметить, что у гибридов урожайность выше, чем у сортов, как на высоком, так и на низком фоне минерального питания, однако на высоких фонах прибавка урожая у них значительно выше. Гетерозисный эффект увеличивается при оптимизации сроков и доз внесения удобрений. Так, применение азота в фазу цветения улучшало налив зерна, а дробное внесение (вместо 100 кг/га однократно 60 кг/га до посева и 40 кг/га в середине фазы кущения) увеличивало стандартный гетерозис на 11,0 %, тогда как для сортов традиционной селекции достоверные различия не зафиксированы. Снижение дозы азота с 200 до 125 кг/га уменьшало урожай у гибрида — на 13, у сорта — только на 5 % (12).
Гетерозис проявляется уже на ранних стадиях развития в виде повышенной скорости мобилизации и превращения запасных веществ — как правило, метаболические процессы протекают у гетерозисных гибридов интенсивнее. У Viciafaba L. из 5500 изученных локусов около 9 % показывали изменение экспрессии у гетерозисных гибридов, среди них гены, вовлеченные в контроль метаболизма углерода и азота, устойчивости к стрессам, скорости деления клеток, гормональную регуляцию, проявление митохондриальной активности (13). Быстрое развитие корневой системы у гибридов обеспечивает им преимущество перед сортами по интенсивности поглощения минеральных веществ, скорости формирования фотосинтетического аппарата. У гетерозисных гибридов кукурузы, как правило, больше число, длина и степень разветвленности зародышевых корешков (14). Показана тесная взаимосвязь морфологических признаков, характеризующих длину и массу корней и стеблей, эффективность фотосинтеза и использования удобрений, с продуктивностью растений (15-16).
Цель представляемой работы — изучение наследования признаков, определяющих скорость роста проростков риса, эффективность фотосинтеза и использования удобрений.
Методика. Объектами исследования служили шесть сортов риса (Хазар, Нарцисс, Фонтан, ВНИИР 7718, ВНИИР 7887, Лиман) и 30 комбинаций, полученных при гибридизации перечисленных сортов по полной диаллельной схеме. Скорость роста стебля и корня учитывали у 5-суточных проростков, выращенных в термостате при 29 °C. Содержание хлорофилла а, b и каротиноидов в фазу цветения определяли с помощью спектрофотометра Genesys 8 («Minoltra», Япония) после экстракции растворителями, количество пигментов в листьях растений — в этаноловой вытяжке из высечек из средней части 2-х верхних листьев (пробочное сверло диаметром 0,5 см; 20 растений образца), используя формулу Лихтенталера. Оценку продолжительности фотосинтетической деятельности листьев проводили в фазу цветения по ярусам. Это позволяет количественно охарактеризовать состояние листьев в период от начала усыхания до отмирания. Состояние листьев оценивали по шкале: 100 % — лист зеленый, признаков усыхания нет; 75 % — пожелтевшие участки составляют не более 25 % площади поверхности; 50 % — лист пожелтел примерно наполовину; 25 % — зеленая окраска сохраняется не более чем на 1/4 площади поверхности листа и 0 % — лист усох полностью.
Оценку образцов по продуктивности и отзывчивости на уровень минерального питания проводили при выращивании растений в сосудах (по 10 растений на сосуд и 20 — на вариант опыта в двух повторностях) на среднем (N120P60K60) и высоком (N240P120K120) фонах удобрений.
Результаты, полученные в скрещиваниях, обрабатывали методом диаллельного анализа по Хейману (17): по каждому признаку составляли диаллельные таблицы данных и строили графики Хеймана, позволяющие описать генетику наследования изучаемого признака, а также выделить сорта-доноры.
Результаты. На графике Хеймана парабола Wri = Vri x Vp, где Wri —ковариация между значениями признака у гибридов и их родительских форм, Vri — дисперсия значений признака у гибридов, Vp — дисперсия значений признака у родительских образцов, имеет очень важный биологический смысл: она пересекает линию регрессии (Vr, Wr) в точках, в которых находились бы родители, если бы они несли все доминантные или все рецессивные гены. В случае направленного доминирования эти точки показывают, насколько отбор позволяет сдвинуть значение показателя относительно величины, регистрируемой у родителя. Если родитель несет много доминантных генов, варианса будет небольшой, и такой сорт окажется на линии регрессии близко к началу координат. Сорт со многими рецессивными генами смещается по линии регрессии вправо вверх, так как его потомство при скрещивании с сортами, богатыми доминантными генами, имеет большую вариансу. Расположение точек сортов компактной группой в средней области линии регрессии далеко от точек ее пересечения с параболой при направленном доминировании указывает на то, что
 |
Графики Хеймана, построенные по данным диаллельного анализа наследования признаков скорость роста колеоптиля (А) и продолжительность фотосинтетической деятельности листьев (Б) у сортов риса: Vr и Wr — соответственно варианса и коварианса; а, б, в, г, д, е — соответственно сорта ВНИИР 7718, Лиман, Хазар, Нарцисс, Фонтан, ВНИИР 7887, ж, з, и, к, л — Хазар, ВНИИР 7718, Лиман, Фонтан, ВНИИР 7887, Нарцисс; 1 — Wri= Vri x Vp, где Wri — ковариация между значениями признака у гибридов и их родительских форм, Vri и Vp — дисперсия значений признака соответственно у гибридов и у родительских образцов; 2 — линия регрессии (Vr, Wr).
отбором из такой популяции можно создать генотип, обладающий всеми доминантными генами. Параметр r[(Wr + Vr)i; xi], характеризующий корреляцию между средними значениями для признака у родителей и суммой (Wr + Vr), показывает направление доминирования.
Определение скорости роста зародышевого корня и зародышевого стебля выявило полигенный характер наследования этих признаков. Корреляция между средним значением показателей у родителей и суммой Vr (дисперсия) + Wr (коварианса) была низкой, что свидетельствует о ненаправленном доминировании, следовательно, в популяции есть как доминантные, так и рецессивные гены, усиливающие проявление признаков. Оценка среднего направления доминирования показала, что оно в популяции ориентировано в сторону увеличения проявления признаков. По скорости роста зародышевого корня обнаружили неполное доминирование большего значения показателя. Расположение линии регрессии на графике Хеймана (рис., А) указывало на сверхдоминирование большего значения по признаку скорость роста зародышевого стебля. Влияние межлокусного взаимодействия (комплементарный эпистаз) оказалось характерно для наследования обоих признаков, но в отношении скорости роста зародышевого стебля было значительно слабее. В популяции генетическая дисперсия по этому признаку в основном обусловлена аддитивным действием генов. Высокая корреляция между числом зерен в метелке и скоростью роста зародышевого корешка (r = 0,98), а также между числом зерен в метелке и скоростью роста зародышевого стебля (r = 0,99) позволяет рекомендовать отбор гибридных комбинаций с высокой скоростью роста на ранних стадиях развития как метод селекции на урожайность. В связи с высокой наследуемостью (87-90 %) признаков, определяющих скорость роста проростка на начальных этапах развития, рекомендуется проводить отбор по этим признакам при создании исходного материала.
Гетерозисные гибриды характеризуются повышенными показателями фотосинтеза в период налива зерна, в связи с чем важнейшее значение для селекции высокопродуктивных сортов и гибридов имеет изучение продолжительности сохранения фотосинтетической активности у листьев (18). Как оказалось, контроль этого признака осуществляется полигенами. В популяции доминирование по признаку при наследовании было направленно в сторону увеличения показателя при низкой корреляции между его средним значением у родителей и суммой Vr(дисперсия) + Wr (коварианса) — r[(Wr + Vr)i; xi] = 0,16, что указывает на ненаправленное доминирование, следовательно, и по этому признаку в популяции есть как доминантные, так и рецессивные гены, контролирующие повышение степени его проявления. Доминирование в популяции направлено в сторону усиления экспрессии признака, а расположение линии регрессии на графике Хеймана (см. рис., Б) соответствует неполному доминированию большей продолжительности периода фотосинтетической активности листьев и отражает значительное влияние межлокусного взаимодействия (комплементарный эпистаз). У сортов Хазар, ВНИИР 7718 и Лиман имеется больше доминантных генов, детерминирующих этот признак. Общая комбинационная способность по признаку наибольшая у сортов Фонтан и ВНИИР 7887, специфическая комбинационная способность — в комбинациях ВНИИР 7718/Нарцисс, Нарцисс/Фонтан, Фонтан/Нарцисс. Сорта Фонтан, ВНИИР 7887 и Нарцисс несут в основном рецессивные гены, увеличивающие фотосинтетический потенциал листовой поверхности, и могут быть использованы в соответствующих селекционных программах.
Как известно, на низком фоне минерального питания сортовые различия по урожайности минимальны, поскольку недостаток азота служит лимитирующим фактором. На повышенном и высоком фонах сорта различались по коэффициенту хозяйственной эффективности фотосинтеза — интегральному показателю донорно-акцепторных отношений у растений, имеющему высокую корреляцию с их продуктивностью и отзывчивостью на внесение азота. Для гибридов была характерна большая отзывчивость на применение удобрений, поскольку во всех изученных комбинациях отмечалось увеличение гетерозиса на высоком фоне минерального питания. Так, на среднем фоне гетерозис по числу колосков в метелке составил: в гибридной комбинации Серпантин/Белозерный — 43,0; Курчанка/Лиман — 32,3; ВНИИР 100999/ВНИИР 10132 — 21,7; Первоцвет/Регул — 21,8; Лидер/Белозерный — 17,7; Хазар/Краснодарский 424 — 14,8 и Кубань /Нарцисс — 13,6 %. На высоком фоне значения оказались выше: Серпантин/Белозер-ный — 72,4; Курчанка/Лиман — 75,2; Первоцвет/Регул — 53,2; Лидер/Белозерный — 23,2; Хазар/Краснодарский 424 — 45,6 и Кубань/Нар-цисс — 64,3 %. Наибольшее преимущество гибридов над сортами по отзывчивости на уровень минерального питания отмечали на стадии созревания. Большинство гибридов демонстрируют гетерозис по количеству и продолжительности потребления азота после цветения (19).
По содержанию хлорофилла можно судить о степени развития фотосинтетического аппарата и физиологическом состоянии растений, об ассимиляционной деятельности и вкладе ассимилирующих органов в формирование урожая, о потенциале его формирования и возможности накапливать урожай (20-22). По заключению А.А. Ничипоровича (23), повышенное содержание хлорофилла создает пул, который может быть использован в условиях, более благоприятных для фотосинтеза, чем те, при которых фотосинтетический аппарат формировался изначально. По нашему мнению, повышение содержание хлорофилла — один из компенсационных механизмов, обеспечивающих гомеостатичность при воздействии стрессовых факторов. Изучение содержания хлорофилла a, b и каротиноидов также выявило полигенный характер наследования этих признаков. В популяции существуют как доминантные, так и рецессивные гены, обусловливающие увеличение количества указанных пигментов. Доминирование в популяции было направлено в сторону большего проявления признаков. Отмечались внутрилокусные взаимодействия (неполное доминирование большего показателя) и значительное влияние межлокусного взаимодействия (комплементарный эпистаз). Высокую корреляционную связь выявили между признаками содержание хлорофилла а и хлорофилла b (r = 0,91), хлорофилла b и каротиноидов (r = 0,81), хлорофилла а и каротиноидов (r = 0,95), что позволяет при широкомасштабных исследованиях использовать для отбора образцов с повышенным содержанием пигментов Chlorofhyll meter SPAD-502 («Minoltra», Япония) (прибор измеряет общее содержание хлорофилла без повреждения листа).
Высокая продуктивность, или гетерозис, при скрещивании проявляется в результате интеграции в одном генотипе большого числа благоприятных генов, повышающих жизнеспособность, а также нивелирования эффекта летальных аллелей и полулеталей за счет их перехода в гетерозиготное состояние у гибридов F1. Гетерозис не относится к особым в генетическом отношении событиям и представляет собой высшую ступень жизнеспособности. Наибольшая жизнеспособность свойственна гибридам с мощным адаптивным гетерозисом, у которых благодаря достаточно полной реализации генотипа уменьшается вариабельность индивидуумов по количественным признакам и повышаются средние показатели в целом по каждому гибриду (24).
Таким образом, при изучении характера наследования ряда признаков, определяющих физиологический базис гетерозиса у гибридов риса, показано, что их результирующее проявление обусловлено как межгенными, так и внутрилокусными взаимодействиями, но основную роль играют аддитивные эффекты генов. Выявлен полигенный характер наследования и ненаправленное доминирование по всем изученным признакам. Для скорости роста зародышевого стебля отмечено сверхдоминирование, для остальных признаков — неполное доминирование большего значения показателей. Основным направлением селекции риса должна стать разработка методов, позволяющих минимизировать число летальных генов, а также объединить большое число положительных генов в одном генотипе. В этой связи следует отметить, что доминирование большинства признаков, повышающих адаптивность, позволяет получать комплекс благоприятных генов уже в F1.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. Y u a n L.P. The second generation of hybrid rice in China. Sustainable rice production for food security. Proc. of the 20th Session of the International Rice Commission. Beijing, 2003: 117-121.
2. M e y e r R.C, T o r j e k O., B e c h e r M., A l t m a n n T. Heterosis of biomass production in Arabidopsis. Establishment during early development. Plant Physiol., 2004, 134: 1813-1823.
3. H o e c k e r N., K e l l e r B., P i e p h o H.P., H o c h h o l d i n g e r F. Manifestation of hete-rosis during early maize (Zea mays L.) root development. Theor. Appl. Genet., 2005, 12: 421-429.
4. M e y e r S., S c h o l t e n S. Equivalent parental contribution to early plant zygotic development. Current Biology, 2007, 17: 1686-1691.
5. B a o J., L e e S., C h e n C., Z h a n g X., Y u C., H u S. Serial analysis of gene expression study of a hybrid rice strain (LYP9) and its parental cultivars. Plant Physiol., 2005, 138: 1216-1231.
6. M e y e r S., P o s p i s i l H., S c h o l t e n S., M e l c h i n g e r A., S e l b i g J. Heterosis associated gene expression in maize embryos 6 days after fertilization exhibits additive, dominant and overdominant pattern. Trends Biochem. Sci., 2007, 20: 56-59.
7. S c h o l t e n S., L о r z H., K r a n z E. Paternal mRNA and protein synthesis coincides with male chromatin decondensation in maize zygotes. Plant J., 2002, 32: 221-231.
8. A k i t a S. Physiological bases of heterosis in rice. Proc. the Int. Symp. on hybrid rice. Los Banos (Philippines), 1988: 67-77.
9. A l t m a n n T., E b e r t B., K u s t e r e r B., J a n L., R i e w e D., S c h m i d t R., S t e i n f a t h M. Molecular and genetic analysis of biomass-heterosis in Arabidopsis thaliana. Proc. Int. Conf. on heterosis in plant «Genetic and molecular causis and optimal exploitation in breeding». Stuttgart, 2009: 29.
10. A k i t a S., B l a n c o L.C., K a t a y a m a K. Physiological mechanism of heterosis in seedling growth of indica F1 rice hybrids. Jpn. J. Crop Sci., 1990, 59(31): 548-556.
11. Y a m a u c h i M., Y o s h i d a S. Heterosis in net photosynthetic rate, leaf area, tillering, and some physiological characters of 35 F1 rice hybrids. J. Exp. Bot., 1985, 36(163): 274-278.
12. P e n g S., Y a n g J., L a s a R.S., S a n i c o A.L., V i s p e r a s R.M., S o n T.T. Physiological bases of heterosis and crop management strategies for hybrid rice in the tropics. Hybrid rice for food security, poverty alleviation, and environmental protection. Proc. Int. Conf. Hanoi, 2003: 153-173.
13. M e i t z e l T., R a d c h u k R., L i n k W., W e b e r H. Molecular physiology and genetics of seed heterosis in the model Vicia faba L. Proc. Int. Conf. on heterosis in plant «Genetic and molecular causis and optimal exploitation in breeding». Stuttgart, 2009: 32.
14. P a s c h o l d A., M a r c o n C., H o e c k e r N., H o c h h o l d i n g e r F. Molecular dissection of heterosis manifestation in maize roots. Proc. Int. Conf. on heterosis in plant «Genetic and molecular causis and optimal exploitation in breeding». Stuttgart, 2009: 30.
15. K a b a k i N. Growth and yield of japonica-indica hybid rice. Jpn. Agric. Res. Q., 1993, 27: 88-94.
16. Г о с т и м с к и й С.А., Р ы б ц о в С.А., Е ж о в а Т.А. О возможности получения гетерозисных форм гороха. С.-х. биол., 1992, 1: 64-71.
17. Д р а г а в ц е в В.А., Ц и л ь к е Р.А., Р е й т е р Б.Г. и др. Генетика признаков продуктивности яровых пшениц в Западной Сибири. Новосибирск, 1984: 230.
18. А б д у л л а е в Х.А., К а р и м о в Х.Х. Индексы фотосинтеза в селекции хлопчатника. Душанбе, 2001.
19. P e n g S. Single-leaf and canopy photosynthesis of rice. In: Redesigning rice photosynthesis to increase yield. Philippines, 2000: 213-228.
20. Т у р Н.С., К о л е с н и к о в Г.П., Б р у с А.Г. Фотосинтетическая продуктивность сортов риса в условиях засоления. Бюл. НТИ ВНИИ риса (Краснодар), 1980, 28: 20-25.
21. К у р б а н б а е в А.А. Формирование листовой поверхности растений сортов различной скороспелости. Бюл. НТИ ВНИИ риса (Краснодар),1986, 35:11-13.
22. Н и ч и п о р о в и ч А.А. Хлорофилл и фотосинтетическая продуктивность растений. В сб.: Хлорофилл. Минск, 1974: 49-62.
23. П о р о х н я А.Д. Сравнительная характеристика сортов риса по содержанию пигментов и связь фотосинтетической активности с урожаем. Бюл. НТИ ВНИИ риса (Краснодар), 1978, 24: 31-34.
24. С т р у н н и к о в В.А., С т р у н н и к о в а Л.В. Природа гетерозиса, методы его повышения и закрепления в последующих поколениях без гибридизации. Изв. АН. Серия биологическая, 2000, 6: 679-687.
INHERITANCE OF DETERMINANTS SPECIFIC FOR PHYSIOLOGICAL HETEROSIS BASIS IN RICE HYBRIDS
Yu.K. Goncharova
The inheritance of determinants (growth speed of radical and stem, duration of leaf area photosynthetic activity, sensitiveness to level of mineral nutrition, content of a, b chlorophylls and carotenoids) specific for physiological heterosis basis in hybrids was investigated in six rice varieties and 30 hybrid combinations. It was shown, that resulting determinant manifestation is determined both intergenic and intraloci interaction, but the main role belong to additive gene effects. The polygenic character of inheritance and nondirectional domination among studied determinants were revealed. The superdominance is specific for stem growth speed, but the incomplete domination of major portion of parameters — for other determinants. The domination of majority parameters increased the adaptability permit to obtain the complex of useful genes already in F1.
Key words: heterozis hybrid, speed of growth, chlorophyll content, carotenoids, duration of photosynthetic activity, response, mineral nutritiou, inheritance.
ГНУ Всероссийский НИИ риса Россельхозакадемии, |
Поступила в редакцию |
