Постановка проблемы (Introduction)
Рис (Oryza sativa L.) – это одна из главных пищевых культур большинства народов мира, особенно в Азии. Хотя наиболее широко потребляется белый рис, существует много специальных сортов, которые содержат черные, коричневые, красные и фиолетовые пигменты [1, с. 21].
Окраска перикарпа риса – это один из важных признаков улучшения качества зерна для биологического и фармакологического применения. Антоцианины – это природные красители, которые делятся на два типа: антоцианы (черный рис) и антоцианидины (красный рис) [2, с. 2890].
Они обладают сильными антиоксидантными и антимутационными свойствами и оказывают сильное влияние на здоровье человека. Высокое содержание антоцианов в черном перикарпе риса полезно людям с заболеваниями сердца, диабетом, риском рака [3, с. 9].
При селекционной работе по созданию сортов риса с черным перикарпом важно, чтобы они, как и белозерные, имели оптимальные величины морфо-биологических признаков, обусловливающих большую урожайность.
Высота растений риса связана с урожайностью за счет устойчивости к полеганию и индекса урожая. Многие ученые доказали, что высота растений, количество продуктивных стеблей на них и продолжительность вегетационного периода – важные агрономические признаки, значительно коррелирующие между собой и повышающие урожайность сортов риса [4, с. 2].
В пределах вида Oryza sativa L. высота растений сильно варьирует и находится под контролем нескольких серий генов короткостебельности и высокорослости. Знаменитый ген зеленой революции sd1 был клонирован и охарактеризован в 2002 г. [5, с. 701].
Высота растений риса контролируется локусами количественных признаков (QTL), которые были картированы на всех 12 хромосомах [6, с. 1], [7, с. 67]. Гены, контролирующие высоту растений риса, были охарактеризованы или клонированы, включая 17 генов, участвующих в путях гиббереллина, 25 генов – брассиностероидов, 10 генов – стриголактона, 22 гена – индол-3-уксусной кислоты, абсцизовой кислоты, этилена и других фитогормонов [8, с. 3], [9, с. 200].
Длина метелки риса также является важным признаком, определяющим ее структуру и влияющим на урожайность зерна, в частности, на такие компоненты, как количество зерен в метелке, ее плотность и качество зерна риса. Выявлено более 200 локусов количественных признаков длины метелки (QTL), но только небольшая их часть применяется в селекции риса.
С помощью картирования сцепления в популяции рекомбинантных инбредных линий, полученных от скрещивания между сортами с короткой и длинной метелкой, китайские ученые обнаружили четыре QTL для этого признака на хромосомах 4, 6 и 9. Основной локус LONG PANICLE 1 (LP1) находится на хромосоме 9 [10, с. 5].
X. Wang с соавторами выявили четырнадцать QTL для длины метелки. Из них три QTL действовали положительно, а остальные 11 – отрицательно. Они нанесли на генетическую карту локусы qPL6-2 и qPL7-1 в хромосомах 6 и 7 соответственно [11, с. 305].
Количество зерновок на метелке и их масса – это очень важные признаки, непосредственно определяющие урожайность зерна риса. В настоящее время найдено много генов, контролирующих массу и количество зерен на метелке, среди них Gn1a, DEP1, IPA1, LP, DST и FZP. Всего было идентифицировано 58 QTL, распределенных по всем 12 рисовым хромосомам, в том числе 22 – по количеству зерен на метелке, 17 – по количеству колосков на метелке, 19 – по фертильности колосков [12].
Японские ученые K. Sasaki, D. Fujita с соавторами обнаружили локусы количественных признаков (QTL) для числа колосков в метелке у гибридов, полученных от скрещивания сорта IR 64 с новыми хорошо озерненными линиями. Два QTL были обнаружены в длинном плече хромосомы 12: qTSN12.1 и qTSN12.2. Количество колосков на основном побеге было значительно выше у почти изогенных линий (NIL) qTSN12.1 (188,6) и qTSN12.2 (199,4), чем у IR 64 (141,2) вследствие значительного увеличения числа первичных и вторичных веточек. Полученные результаты подтверждают критическую функцию данных QTL в стимулировании ветвления рахиса на стадии образования метелки. Эти линии имели более длинные стебли и листья и более широкие листья по сравнению с IR 64. Фертильность, масса 1000 зерен и урожай зерна на 1 кв. м были также выше, чем у IR 64. Эти идентифицированные QTL будут полезны для генетического улучшения потенциальной урожайности сортов риса [13, P. 2694].
M. Susilowati с соавторами сообщили о четырех основных QTL для числа зерен на метелке, которые находились в хромосомах 1, 4, 6 и 7 [14, P. 160].
Высокая урожайность риса в значительной степени зависит от размеров и массы зерновки. Для длины, ширины и массы зерновки были идентифицированы гены Ghd7, GS3, GS5, GW8, TGW6, GW6a, GLW7, OsLG3, GSE5, GW5, WTG1 и LGY3. F. Xu с соавторами исследовали 416 образцов риса с помощью 143 маркеров и на основе их фенотипических вариаций обнаружили 27 QTL, влияющих на размеры зерна. Локус GS3 тесно связан с длиной, шириной зерновки, соотношением l/b и был широко распространен в разных группах сортов [15, P. 2200].
Y. Zeng с соавторами с использованием методов множественных интервальных карт в пяти гибридных популяциях обнаружили регулирование длины зерновки четырьмя QTL (qGL-3-1, qGL-3-2, qGL-4, и qGL-7). Линейный регрессионный анализ показал, что комбинация из восьми аллелей определяла длину зерна. Растения, несущие больше аллелей, увеличивающих длину зерна, имели более длинную зерновку, и наоборот [16].
P. Sun с соавторами идентифицировали 3 QTL и создали почти изогенные линии (NIL) для каждого из них. Локус qGS3 контролировал длину, ширину, толщину зерновки и соотношение l/b, qTGW6.2 – длину и ширину, а qGT7 – толщину и ширину [17, с. 3].
Основной QTL для массы зерновки был идентифицирован возле центромеры хромосомы 3. Другие QTL для массы зерна были найдены в хромосомах 2, 5, 8 и 12. Этот признак контролируют также гены TGW6, WTG1, Ospl18 [18, с. 42].
Селекция чернозерного риса ведется во ВНИИ риса, созданы интересные сорта Мавр, Гагат, Южная ночь [3, с. 10]. Выведение такого риса для Ростовской области также является актуальным, поэтому нужно знать типы наследования признаков у гибридов от скрещивания белозерных и чернозерных сортов.
Цель настоящей работы – изучение наследования варьирующих количественных признаков у межподвидового гибрида риса Кубояр × Гагат с последующим отбором выделившихся образцов, сочетающих в себе морфологические признаки оптимальной величины, для селекционной работы.
Методология и методы исследования (Methods)
В качестве материала для исследований использовали гибриды F1 и F2 из комбинации Кубояр × Гагат.
Сорт Кубояр селекции АНЦ «Донской» относится к подвиду japonica, разновидность nigro-apiculata. Сорт среднеспелый, вегетационный период – 125 дней. Высота растений – 85–
Сорт Гагат селекции ВНИИ риса относится к подвиду indica, разновидность bansmatica. Среднепоздний, вегетационный период – 130 дней. Растения относительно высокорослые, высота – 115–120 см. Метелка поникающая, длиной 17–23 см, несет 120–150 колосков, плотность 6 шт/см. Сорт длиннозерный, длина зерновки –
Исследования проводили в 2018–2019 гг. на полях Обособленного подразделения «Пролетарское» Ростовской области. Гибридизацию этих сортов провели в 2017 г. При закладке опытов руководствовались методикой полевого опыта Б. И. Доспехова (1985). Математическую обработку данных исследований проводили с использованием программы Statistica 6. Для генетического анализа использовали программу «Полиген А» А. Ф. Мережко (2005) [19, с. 110].
Результаты (Results)
Исходные родительские сорта Кубояр и Гагат немного отличались друг от друга по продолжительности вегетационного периода, Кубояр зацветал через 95 дней после появления всходов, Гагат на 5 дней позже – через 100 дней. Гибрид F1 в 2018 г. был фоточувствительным и зацвел лишь в теплице через 187 дней после всходов (таблица 1).
Сравнение гибрида с родительскими сортами показало сверхдоминирование по вегетационному периоду (hp = 35,8) и количеству колосков на метелке (hp = 14,4), полное положительное доминирование по высоте растения (hp = 1,0), неполное доминирование по длине метелки (hp = 0,8), отсутствие доминирования по массе 1000 зерен (hp = 0,0) и гибридную депрессию по фертильности (hp = –44,9) (таблица 1). Несмотря на то, что в метелке гибрида сформировалось в среднем почти 200 колосков, в них завязалось в среднем всего 4,6 % семян. Это связано со структурными различиями хромосом подвидов indica и japonica, накопленными в процессе эволюции.
Таблица 1
Морфобиологические признаки гибрида F1 Кубояр × Гагат, его родительских форм и степень доминирования (hp),
|
Сорт |
Период «всходы – цветение», дни |
Высота растения, см |
Длина метелки, см |
Число колосков, шт. |
Масса 1000 зерен, г |
Фертильность, % |
|
Кубояр |
95 |
86,8 |
15,3 |
130,5 |
29,0 |
91,9 |
|
Гагат |
100 |
116,2 |
20,1 |
120,4 |
31,2 |
88,1 |
|
F1 |
187 |
116,4 |
19,7 |
198,0 |
30,1 |
4,6 |
|
hp |
35,8 |
1,0 |
0,8 |
14,4 |
0,0 |
–44,9 |
Table 1
Morphobiological traits of the F1 Kuboyar × Gagat hybrid, its parent forms and degree of dominance (hp), 2018
|
Variety |
The period “germination – flowering” days |
Plant height, cm |
Panicle length, cm |
Number of spikelets, pcs. |
Weight of 1000 grains, g |
Fertility, % |
|
Kuboyar |
95 |
86.8 |
15.3 |
130.5 |
29.0 |
91.9 |
|
Gagat |
100 |
116.2 |
20.1 |
120.4 |
31.2 |
88.1 |
|
F1 |
187 |
116.4 |
19.7 |
198.0 |
30.1 |
4.6 |
|
hp |
35,8 |
1.0 |
0.8 |
14.4 |
0.0 |
–44.9 |
Гибридная популяция второго поколения показала широкий спектр изменчивости по количественным признакам растений.
По признаку «высота растений» родительские формы значительно различались, в среднем на
Кривая распределения частот (далее КРЧ) гибрида немного выходила за пределы изменчивости родительских форм, наблюдалось выщепление небольшого количества трансгрессивных форм.
Рис. 1. Распределение частот признака «высота растений» у гибрида риса F2 Кубояр ×Гагат и его родительских форм
Fig. 1. Frequency distribution of the trait “plant height” in the hybrid of rice F2 Kuboyar × Gagat and its parent forms
Кривая распределения частот (КРЧ) F2 имеет пять вершин, две из которых находятся в одних и тех же классах с родительскими вершинами, одна – посередине, а другие две смещены влево и вправо при частичном доминировании больших значений признака (hp = 0,32). Анализ данных в программе «Полиген А» позволил установить, что исходные родительские формы различались по аллельному состоянию трех пар генов (ааbbСС и AABBсс), рекомбинация которых привела к выщеплению 1/64 доли растений с длиной стебля 140–145 см, детерминируемой шестью доминантными генами (AABBСС) и 1/64 – полукарликов высотой 65–70 см, несущих рецессивные аллели (ааbbсс). Таким образом, появились трансгрессивные формы с меньшей и большей высотой, чем у родительских сортов. Расщепление происходило в соотношении 1:6:15:20:15:6:1. Из них растений типа Кубояр с двумя доминантными генами было 15/64, типа Гагат с четырьмя доминантными генами – тоже 15/64. Средняя сила каждого доминантного аллеля –
Длина метелки составила в среднем у Кубояра
КРЧ гибрида имела четырехвершинную конфигурацию и выходила вправо за пределы изменчивости родительского сорта Гагат, при этом большая вершина находилась посередине, в одном классе с вершиной его КРЧ (рис. 2). Установлены сверхдоминирование больших значений признака (hp = 1,36) и положительная трансгрессия, частота которой составила 11,7 %.
Различия между родителями больше, чем по одной паре генов. Отобрано в посев на F3 15 растений с длиной главной метелки от 25,2 до
Рис. 2. Распределение частот признака «длина метелки» у гибрида риса F2
Кубояр × Гагат и его родительских форм
Fig. 2. Frequency distribution of the trait “panicle length” in the hybrid of rice F2
Kuboyar × Gagat and its parent forms
По признаку «число колосков на метелке» исходная родительская форма Гагат (100,2 шт.) уступала сорту Кубояр (141,4 шт.) на 41,2 шт., а их КРЧ находились в соседних классах (рис. 3). Среднее количество колосков на метелке у гибрида составило 233,4, варьируя от 44 до 458 шт. Степень доминирования составила 5,47, что свидетельствует о сверхдоминировании большей величины признака.
КРЧ гибрида существенно выходила вправо за пределы изменчивости родительских форм, наблюдалось выщепление большого числа форм с большим количеством колосков, что указывает на трансгрессивное расщепление.
К трансгрессивным генотипам при сегрегации гибридных популяций относятся такие, которые выходят за пределы изменчивости родительских сортов по величине признака в сторону как уменьшения, так и увеличения. Однако для селекционной работы чаще более значимы положительные трансгрессии, возникающие в результате рекомбинаций генов, контролирующих различные хозяйственные и биологические признаки [20, C.27].
|
|
|
Рис. 3. Распределение частот признака «число колосков на метелке» у гибрида риса F2 Кубояр × Гагат и его родительских форм
|
Fig. 3. Frequency distribution of the trait “number of spikelets” in the hybrid of rice F2 Kuboyar × Gagat and its parent forms
Степень трансгрессии по количеству колосков на метелке в наших исследованиях составила 47 %, частота – 25 %. В данном случае наблюдалось взаимодействие трех пар генов, причем у каждой родительской формы были и рецессивные, и доминантные аллели, но в разных локусах. Их перекомбинирование привело к проявлению гетерозиса и выщеплению форм с большим количеством колосков в метелке, которое определяется новыми сочетаниями аллелей генов. Расщепление происходило в соотношении 1:6:15:20:15:6:1. У трех растений сформировалось от 406 до 458 колосков в метелке.
Общее количество колосков в метелке положительно коррелировало с числом зерен на ней (r = 0,48), числом пустых колосков (r = 0,72), плотностью метелки (r = 0,92), но отрицательно – с длиной зерновки (r = –0,33).
По признаку «масса 1000 зерен» исходные родительские формы различались на
Рис. 4. Распределение частот признака «масса 1000 зерен» у гибрида риса F2 Кубояр × Гагат и его родительских форм
Fig. 4. Frequency distribution of the trait “weight of 1000 grains” in the hybrid of rice F2 Kuboyar × Gagat and its parent forms
Расщепление было в соотношении 1:4:6:4:1, что можно объяснить наличием у родительских сортов в разных локусах доминантных аллелей с различной силой влияния на величину признака. От дигибридного скрещивания типа Aabb × aaBB появилось много мелко- и среднезерных форм и 6,25 % относительно крупнозерных двойных рецессивов с генотипом aabb.
Взаимодействие различных аллелей генов привело к появлению трансгрессивных форм, причем отрицательных трансгрессий было выявлено больше, чем положительных, что вызвано также неполным наливом зерновок у позднеспелых форм. Массу 1000 зерен меньше минимальных значений Кубояра в пределах 14,0–24,7 г показал 31 образец. Кроме локусов, контролирующих массу зерна, значительное влияние на этот признак оказывают гены продолжительности вегетационного периода. Имелись также положительные трансгрессии, выявлено 8 растений с массой 1000 зерен от 34 до
По длине зерновки исходный родительский сорт Гагат (
Рис. 5. Распределение частот признака «длина зерновки» у гибрида риса F2
Кубояр × Гагат и его родительских форм
Fig. 5. Frequency distribution of the trait “grain length” in the hybrid of rice F2
Kuboyar × Gagat and its parent forms
По ширине зерен родительские сорта различались на
Рис. 6. Распределение частот признака «ширина зерновки» у гибрида риса F2 Кубояр × Гагат и его родительских форм
Fig. 6. Frequency distribution of the trait “grain width” in the hybrid of rice F2
Kuboyar × Gagat and its parent forms
В таблице 2 представлена характеристика выделившихся форм F2, которые сочетают оптимальную высоту растения, имеют повышенную озерненность и массу 1000 зерен, а также черную окраску перикарпа. Эти формы были отобраны для посева третьего поколения в гибридном питомнике для дальнейшего изучения.
Таблица 2
Характеристика лучших форм F2 с антоциановой окраской перикарпа в комбинации Кубояр × Гагат,
|
Сорт |
Высота растения, см |
Длина метелки, см |
Общее число колосков, шт. |
Масса 1000 зерен, г |
Длина зерна, мм |
Ширина зерна, мм |
|
Кубояр |
92 |
14,9 |
141 |
28,6 |
8,4 |
3,4 |
|
Гагат |
116 |
19,5 |
100 |
31,4 |
10,5 |
2,9 |
|
7 |
110 |
21,4 |
106 |
30,2 |
10,5 |
2,8 |
|
12 |
93 |
18,6 |
250 |
25,8 |
9,0 |
3,2 |
|
24 |
125 |
20,7 |
228 |
23,1 |
9,1 |
3,1 |
|
27 |
130 |
25,0 |
270 |
23,1 |
9,7 |
3,1 |
|
36 |
92 |
23,5 |
387 |
20,5 |
8,6 |
3,0 |
|
72 |
70 |
14,4 |
369 |
26,4 |
8,2 |
3,5 |
|
74 |
110 |
22,0 |
143 |
33,1 |
9,7 |
3,4 |
|
84 |
110 |
19,8 |
148 |
30,5 |
10,5 |
3,1 |
|
87 |
111 |
22,7 |
156 |
28,5 |
10,1 |
2,8 |
|
90 |
80 |
17,8 |
146 |
33,3 |
9,5 |
3,2 |
|
127 |
78 |
18,3 |
98 |
30,0 |
10,6 |
3,0 |
|
σ |
14,3 |
3,1 |
80,8 |
4,1 |
0,8 |
0,2 |
Table 2
Characterization of the best forms of F2 with anthocyanin color of the pericarp in a combination of Kuboyar × Gagat, 2019
|
Variety |
Plant height, cm |
Panicle length, cm |
Number of spikelets, pcs. |
Weight of 1000 grains, g |
Grain length, mm |
Grain width, mm |
|
Kuboyar |
92 |
14.9 |
141 |
28.6 |
8.4 |
3.4 |
|
Gagat |
116 |
19.5 |
100 |
31.4 |
10.5 |
2.9 |
|
7 |
110 |
21.4 |
106 |
30.2 |
10.5 |
2.8 |
|
12 |
93 |
18.6 |
250 |
25.8 |
9.0 |
3.2 |
|
24 |
125 |
20.7 |
228 |
23.1 |
9.1 |
3.1 |
|
27 |
130 |
25.0 |
270 |
23.1 |
9.7 |
3.1 |
|
36 |
92 |
23.5 |
387 |
20.5 |
8.6 |
3.0 |
|
72 |
70 |
14.4 |
369 |
26.4 |
8.2 |
3.5 |
|
74 |
110 |
22.0 |
143 |
33.1 |
9.7 |
3.4 |
|
84 |
110 |
19.8 |
148 |
30.5 |
10.5 |
3.1 |
|
87 |
111 |
22.7 |
156 |
28.5 |
10.1 |
2.8 |
|
90 |
80 |
17.8 |
146 |
33.3 |
9.5 |
3.2 |
|
127 |
78 |
18.3 |
98 |
30.0 |
10.6 |
3.0 |
|
σ |
14.3 |
3.1 |
80.8 |
4.1 |
0.8 |
0.2 |
Их высота колебалась в пределах 70–
В третьем поколении продолжается отбор лучших в хозяйственно-биологическом отношении форм для последующего создания раннеспелых сортов риса с черным перикарпом зерновки.
Обсуждение и выводы (Discussion and Conclusion)
Таким образом, в процессе генетического анализа гибрида Кубояр × Гагат были выявлены интересные закономерности. По высоте растения в первом поколении установлено полное положительное доминирование, во втором – частичное с положительными и отрицательными трансгрессиями, в результате чего в потомстве появилось 6,25% карликов и 6,25% - высокорослых растений.
По длине метелки в F1 наблюдали неполное доминирование, а в F2 – сверхдоминирование и положительную трансгрессию, в результате которой выщепились растения с длинными метелками до 30 см.
По числу колосков на метелке и в первом, и во втором поколении установлено сверхдоминирование и гетерозис. Трансгрессия была значительной, в F2 появились формы, несущие до 440 колосков, тогда как у лучшего родительского сорта Кубояр максимум – 250 штук. Такие формы появились в результате рекомбинации трех пар генов, причем доминантные аллели дали максимальное проявление признака.
По признаку «масса 1000 зерен» установлены отсутствие доминирования в первом поколении и отрицательное сверхдоминирование – во втором, что связано с появлением значительного количества позднеспелых не полностью вызревших к уборке растений. Различия исходных родительских сортов по аллельному состоянию двух локусов привели к появлению как более мелкозерных форм, чем они, так и относительно крупнозерных (34–37 г).
Различия по длине зерновки определялись двумя генами, доминирование которых отсутствовало, т. е. наблюдалось промежуточное наследование.
По ширине зерен различия были по одной паре генов с неполным доминированием меньших значений признака. Трансгрессии отсутствовали.
Таким образом, различия между родительскими сортами определялись относительно малым количеством генов по каждому признаку, что позволяет выявить рекомбинантные формы с нужным для селекции сочетанием признаков из не очень больших по численности гибридных популяций.
Для дальнейшей селекционной работы отобраны формы F2 с черной окраской перикарпа, сочетающие оптимальную высоту растения, длину метелки, повышенную озерненность и массу 1000 зерен.
