Генетический контроль пигментации семянки подсолнечника и его использование в селекции

Признаки окраски и панцирности семянок подсолнечника характеризуются высокой стабильностью в проявлении и наследуются как качественные, что обусловливает высокую пригодность их использования при определении различий между сортами или родительскими формами гибридов подсолнечника.

У подсолнечника различия по морфологическим признакам листа, стебля, корзинки между сортами, гибридами и, в ряде случаев, родительскими формами выражены не чётко. В связи с этим зачастую отсутствует возможность по морфо-типу точно определить сорт, гибрид или линию. Однако в процессе апробации семенных посевов определяют размер, окраску и панцирность семянок.

Окраска семянки подсолнечника определяется сочетанием пигментации в трёх анатомических слоях околоплодника: эпидермиса, гиподермы и фитомела-новом (панцирном) слое.

Внешний слой - эпидермис может быть полностью пигментирован (разные оттенки черного и бурого цветов), или иметь пигментированные (тёмные) полосы, чередующиеся с непигментированными (прозрачными) полосами, или может быть не пигментирован (прозрачен). По результатам изучения генетического контроля окраски эпидермиса В.В. Толмачевым и Т.А. Перестовой (1997) установлено, что отсутствие пигментации в эпидермисе, пигментация в виде полос и сплошная пигментация эпидермиса контролируются тремя аллелями одного гена.

Доминантный ген, контролирующий белую окраску гиподермы семянки, ранее описанный в исследованиях G.N. Fick (1979) и Р. Leclercq (1979) как доминантный ген-ингибитор темно-серой или коричнево-серой пигментации, локализован с использованием RFLP-маркеров на молекулярно-генетической карте подсолнечника (Leon etc, 1996) [5].

Гиподерма может иметь пурпурную окраску разной интенсивности, обусловленную присутствием антоциана, синтез которого контролируется двумя комплементарными генами: геном Т, определяющим наличие антоциана в различных органах растения, в том числе в перикарпии, и геном Ть рецессивная аллель которого в гомозиготном состоянии ингибирует синтез антоциана в гиподерме [1, 2].

Наличие фитомеланового (панцирного) слоя, анатомически локализованного между склеренхимой и гиподермой, контролируется одним доминантным геном [3]. Фитомелановый слой обусловливает устойчивость семян подсолнечника к повреждению гусеницей подсолнечной огнёвки (Homoeosoma nebulella Hb.).

Использование признака окраски семян подсолнечника в качестве апроба-ционного признака требует выделения разновидностей окраски семянки с учётом знания генетики пигментации отдельных структурных слоёв перикарпия.

Материал и методы исследований. Наследование окраски семянок подсолнечника с учётом локализации пигментов в слоях околоплодника изучалось в схеме скрещивания инбредных линий: RHA-274 (семянки чёрные, панцирные), RHA-298 (семянки темные, непанцирные), ЛВО-7 (семянки серополосатые, панцирные), К-562 (семянки серополосатые, панцирные), ВИР-160 (семянки бурополосатые, непанцирные), LD-847 (семянки белополосатые, панцирные), LD-3514 (семянки бурополосатые, непанцирные), LD-61 (семянки бурополосатые, непанцирные), LD-72 (семянки серые, непанцирные), К-1675 (семянки белополосатые, панцирные).

Принудительное самоопыление и гибридизацию осуществляли по методу А.И. Плотникова [4]. Пигментацию эпидермиса околоплодника определяли визуально и с помощью анатомического метода на временных препаратах. Пигментацию гиподермы определяли после снятия эпидермиса. Наличие фитомеланового (панцирного) слоя определяли после удаления двух верхних слоёв околоплодника - эпидермиса и гиподермы. Гибридологический анализ осуществляли на основе изучения расщеплений в Ғ2.

Результаты и обсуждение. По окраске семянок в соответствии с классификацией ВИР выделяют десять типов (разновидностей) подсолнечника, которые различаются по основной пигментации, наличию и окраске полос. Сорта и гибриды подсолнечника имеют преимущественно семянки VII типа (серополосатые) -темно-серой окраски с серыми (свинцово-грифельными) полосами и IX типа (угольно-черные) - без полосатой пигментации эпидермиса. При этом панцирный (фитомелановый) слой присутствует в семянках как обязательное условие устойчивости к личинкам моли.

У родительских форм гибридов наблюдаются большие различия в окраске семянок.

Среди отцовских форм, к примеру, встречаются линии с непанцирными семянками. Встречаются коллекционные линии бурополосатой (IV тип), белопо-лосой (VI тип) разновидностей, и, значительно реже, белой (I тип), а также серосеребристой (II тип) разновидностей.

Вышеперечисленные разновидности семянок, с точки зрения генетики, можно охарактеризовать как отдельные фенотипические классы (фены) признака окраски семян подсолнечника.

Использование окраски семянки в качестве апробационного признака предполагает четкое, однозначное представление о константности признака и границах его изменчивости, что в свою очередь требует знания генетической структуры признака. Остановимся на анализе гибридологическим методом различий белополосатой, серополосатой и бурополосатой разновидностей семянок.

В первом скрещивании использовали линию LD-847 (белополосатая, панцирная семянка) и линию К-562 (серополосатая, панцирная семянка). Потомство Ғі имело белополосатые семянки с панцирным слоем. В проанализированных по-томствах F2 наблюдали расщепление на два фенотипических класса: белополосые и серополосатые семянки с панцирным слоем в соотношении 3:1 (табл. 1). Исходя из результатов расщепления в Ғ2, можно сделать вывод о контроле различий в окраске семянок одним геном, доминантный аллель которого определяет белополосатую, а рецессивный аллель - серополосатую окраски семянки. Также отметим наличие панцирного слоя у семян с данными типами окраски.

Таблица 1 - Наследование окраски семянки в Ғ₂ в комбинации скрещивания линий К-562 (серополосатая, панцирная) и LD-847(белополосатая, панцирная)

Потомства	Окраска семянки		Всего	X2
	белополосатая	серополосатая
Фенотип Fi	Ғ1
584-1	112	37	149	0,00
585-2	93	27	120	0,40
586-3	90	36	126	0,86
Всего	295	100	395	0,02

Примечание: Х2=0,02 <Х205!к='?,=^,^

Во втором скрещивании использовали линию ЛВО-7 (серополосатая, панцирная семянка) и линию LD-3514 (бурополосатая, непанцирная семянка). Потомство Fj обладало серополосатыми, панцирными семянками. В проанализированных потомствах Ғ2 наблюдали расщепление на 2 фенотипических класса идентичных родительским линиям: серополосатые, панцирные семянки и бурополосатые, беспанцирные семянки в соотношении 3:1 (табл. 2). Из результатов расщепления в Ғ2 следует вывод о контроле различий между данными генами окраски одним доминантным геном, который определяет образование панцирного (фитомеланового) слоя семянки. Таким образом, бурополосатая окраска семян линии LD-3514, а также целого ряда линий аналогичного фенотипа, является результатом сочетания полосатой (темной и белой) пигментации эпидермиса и желтовато-коричневой (цвет "слоновой кости") окраски склеренхимы семянки.

Таблица 2 - Наследование окраски семянки в Ғ₂ в комбинации скрещивания линий ЛВО-7 (серополосатая, панцирная) и LD-3514 (бурополосатая, непанцирная)

Потомства	Окраска семянки		Всего	X2
	серополосатая	бурополосатая
Фенотип F]	Ғ,
757	122	44	166	0,20
758	125	45	170	0,20
759	129	41	170	0,07
Всего	376	130	506	0,13

Примечание: Х²=0,13<Х²_05(к=1)=3,84

Результаты гибридологического анализа скрещивания линии К-1675 (белополосатая, панцирная) и LD-61 (бурополосатая, непанцирная) подтверждают заключение о контроле различий между разновидностями подсолнечника с бело-, серо- и бурополосатыми семянками двумя генами: первый из них - известный ген панцирности, второй ген, определяющий белую окраску гиподермы (табл. 3).

Аналогичные результаты были получены при гибридологическом анализе потомства F2 в другом дигибридном скрещивании линий К-1907 (белополосатые, непанцирные семянки) и К-562 (серополосатые, панцирные семянки).

Угольно-черная разновидность окраски семянок (IX тип по классификации ВИР), отличительная особенность которой сплошная пигментация эпидермиса, включает семянки как панцирные, так и непанцирные.

Таблица 3- Наследование окраски семянки в Ғ₂ вдигибридном скрещивании линий 1О-61(бурополосатая непанцирная) и К-1675(белополосатая, панцирная)

Потомства	Фенотип семянки				Всего	X2
	панцирные		непанцирные
	белополосатые	серополосатые	белополосатые	бурополосатые
Фенотип Fi	Ғ1
986-1	44	15	18	7	84	1,16
986-2	76	24	27	9	136	0,21
Всего	120	39	45	16	220	1,05
Ожидаемое отношение	9	3	3	1
Теоретически ожидаемое расщепление	124	41	41	14	220

Гибридологический анализ этого типа окраски семянки подсолнечника проведен нами в системе скрещиваний линий: RHA-274 (семянки черные, панцирные), RHA-298 (семянки темные или тёмные с коричневым оттенком, непанцирные), ВИР-160 (семянки бурополосатые, непанцирные).

При скрещивании линий RHA-274 и ВИР-160 в Fj растения имели серополосатые семянки с панцирным слоем. В F2 наблюдали расщепление в соотношении 9:3:3:1 на четыре фенотипических класса: серополосатые непанцирные, черные панцирные, бурополосатые непанцирные, темные с коричневым оттенком непанцирные (табл. 4).

Таблица 4 - Наследование окраски семянки в Ғ₂ в дигибридном скрещивании линий RHA-274 (семянки черные, панцирные) и ВИР-160 (семянки бурополосатые, непанцирные)

Потомства	Фенотип семянки				Всего	X2
	панцирные		непанцирные
	серополосатые	черные	бурополосатые	темные с коричневым оттенком
Фенотип Fi	Ғ:
1092	45	14	13	4	76	0,36
1093	47	17	17	5	86	0,14
Всего	92	31	30	9	162	0,13
Ожидаемое отношение	9	3	3	1
Теоретически ожидаемое расщепление	92	30	30	10	162

При скрещивании линий RHA-298 и ВИР-160 в Ғт растения имели бурополосатые непанцирные семянки. В Ғ2 наблюдали расщепление на 2 фенотипических класса семянки бурополосатые и семянки темные с коричневым оттенком в соотношении 3:1.

Результаты гибридологического анализа свидетельствуют о том, что угольно-черная разновидность окраски является результатом сочетания сплош- ной пигментации эпидермиса и наличия панцирного слоя в околоплоднике семянки, которые контролируются двумя разными генами. При отсутствии панцирного слоя семянки со сплошной тёмной пигментацией эпидермиса имеют коричневый, бурый, реже оливковый оттенок. Объединение в одну разновидность - с угольночерной окраской - панцирных и непанцирных семянок, исходя из вышеизложенного, искусственно и нецелесообразно, поскольку образцы различаются и фенотипическим проявлением, и анатомическим строением, и генетическим контролем.

Преимущество использования классификации окраски семянок, базирующейся на знании генетического контроля элементарных (моногенных) признаков, сочетание которых определяет интегральный признак окраска семянки, очевидно в сравнении с принятой ботанической фенетической классификацией. Легко убедиться, насколько упрощается и конкретизируется выделение разновидностей семянок подсолнечника по окраске, если вместо визуального описания окраски дать характеристику структурных слоёв околоплодника: эпидермиса, гиподермы и панцирного слоя.

В качестве подтверждения этого подхода приведём результаты тригиб-ридного скрещивания по признаку окраска семянки, в котором использовали линию ЛВО-7 (семянка панцирная, серополосатая) и образец LD-72 (семянка непанцирная, со сплошной серой пигментацией). В Ғі растения имели светлосерополосатые, панцирные семянки; в Ғ₂ наблюдали расщепление на 10(!) фенотипических классов (табл. 5).

Таблица 5- Наследование пигментации семян в Ғ₂ в тригибридном скрещивании линий ЛВО-7 (семянки серополосатые, панцирные) - Pi и LD-72 (семянки серые, непанцирные) - Р₂

Структура околоплодника	Фенотип семянок										Всего
Фитомела-новый слой	панцирные					непанцирные
Эпидермис	полосатый			сплошная пигментация		полосатый			сплошная пигментация
Гиподерма	белая	светло-серая	серая	белая и светло-серая	серая	белая	свет ло-се-рая	серая	белая и светло-серая	серая
Окраска семянка	бело-полосатые	светло-серо-полосатые	серо-ПОЛО-са-тые	темносерые	черные	бело. ПОЛО-са-тые	свет ло-серо-ПОЛО-са-тые	буро-ПОЛО-са-тые	серые	серо-коричневые
Фенотипические классы	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Фенотип		Ғ1	Р1						Р2
Эмпирическое расщепление	38	85	41	51	13	13	27	12	14	5	299
Ожидаемое отношение	9	18	19	9	3	3	6	3	3	1	64
Теоретически ожидаемое расщепление	42,1	84,3	42	42	14	14	28	14	14	4,7	229

Примечание: Х²=2,83 < Х²_05(к=9)=16,92.

Из 10 фенотипов визуально не различимы I и VI, II и VII классы, но они хорошо различимы при механическом удалении (соскребании) эпидермиса и гиподермы, что позволяет обнаружить панцирный слой (или его отсутствие). Светлосерополосатая окраска семянок появляется в результате неполного доминирования белой окраски гиподермы над серой окраской гиподермы. Вследствие гетерозиготности по гену окраски гиподермы, этот класс будет расщепляться на бело- и серополосатые фенотипы. Серую и темно-серую окраски семянок можно выделить в константные разновидности, которые отсутствуют в классификации ВИР. В коллекционном материале достаточно редко встречаются образцы с серостальной окраской семянки (класс IX), поскольку селекция масличного подсолнечника устраняет из селекционного материала ген белой окраски гиподермы (к примеру, этот ген маркирует семянку знаменитого сорта 30-х годов XX века Круглик А-41), а также рецессивную аллель гена панцирности.

Трудно недооценить значимость межаллельных взаимодействий при фенотипической реализации признака пигментации семянки. Так ген белой окраски гиподермы в гетерозиготном состоянии детерминирует самостоятельный, визуально хорошо идентифицируемый фенотип, который в сочетании с полосатой пигментацией эпидермиса (см. табл. 5) приводит к появлению светло-серополосатой пигментации семянки. Подобная же пигментация наблюдается и в расщеплениях потомств Ғ2 в комбинациях скрещиваний LD-61 х К-1675 и К-1907 х К-562. В табл. 3 белополосатые и светло-серополосатые объединены в один класс для удобства описания расщепления.

Неполное доминирование гена белой окраски эпидермиса, обозначаемого нами как E_w [1], в расщеплениях F₂ определяет появление семян класса пепельно-белой пигментации наряду с присутствием белой пигментации в соотношении 2:1, т. е. в соответствии с теоретически ожидаемым расщеплением.

Приведенный пример тригибридного расщепления по окраске семянки, на наш взгляд, убеждает в необходимости описания пигментации семянки с учётом характеристики каждого структурного слоя околоплодника. В этом случае, во-первых, мы разделяем на разновидности внешне неотличимые по окраске семена; во-вторых, избегаем субъективизма, который неизбежен при описательных подходах.

Выводы. Признак окраска семянки подсолнечника является результатом сочетания пигментации эпидермиса, гиподермы и фитомела нового слоя околоплодника.

Классификацию разновидностей семянок подсолнечника, используемую при апробации в семеноводческой практике, следует детализировать с учётом знания генетического контроля пигментации структурных слоёв околоплодника семянки.

Описание фенотипических классов окраски семянки подсолнечника должно учитывать, что различие в пигментации семянки в основном контролируется системой из трех генов (без учета генов антоциановой пигментации):

• -    геном пигментации эпидермиса, который имеет три аллеля, обозначенные нами как E_w (эпидермис бесцветный, лишенный пигментации), E_str (пигментация эпидермиса в форме полос), E_dg (сплошная пигментация эпидермиса), причем доминирование в этом ряду аллелей можно представить следующим образом -Ew>E_St_r>E_dg,

• -    геном окраски гиподермы с неполным доминированием, определяющим белую (НурНур), светло-серую (Hyphyp) и темную (hyphyp) пигментацию гиподермы;

• -    геном панцирности (Р) с полным доминированием.