Метод гибридизации в будущем должен стать ведущим в селекции сортов широкого ареала.
Успех селекции зависит от знания закономерностей наследования признаков растений и сортовых популяций.
Кора корнеплода имеет белую, красную, розовую, иногда желтую окраску. При скрещивании растений с красной и белой окраской корнеплода в F1 гибридов, как правило, получаются фиолетовые корнеплоды. Окраска коры — сортовой признак.
Разнообразие редиса по цвету корнеплода обусловлено присутствием в клеточном соке тканей вторичной коры соединений, относящихся к группе флавоноидов: антоцианов и флавонолов (М. И. Нестюк, 1958; С. И. Нарбут, Г. Б. Самородова-Бианки, В. С. Федоров, 1972; В. П. Кретович, 1980). Антоцианы обусловливают фиолетовую и красную окраску, флавонолы — светло-желтую.
Антоцианы представляют собой гликозиды, в которых остатки Сахаров (глюкозы, галактозы и рамнозы) связаны с окрашенными агликонами, принадлежащими к группе антоцианов. Различают шесть антоцианов: пеларгонидин, цианидин, пеонидин, дельфинидин, петунидин, мальвидин. Различия между этими формами пигмента обусловлены несложными структурными модификациями, состоящими в добавлении или удалении гидроксильных групп, метилизации, гликозидации и ацилирования (J. В. Harborne, 1960).
Из числа перечисленных антоцианидов для корнеплодов редиса характерны два: пеларгонидин, дающий красную окраску, и фиолетовый пигмент — цианидин. Биохимически цианидип отличается от пеларгонидина одной дополнительной гидроксильной группой (J. В. Harborne, G. J. Paxman, 1964). Все структурные изменения молекулы антоцианов обусловлены генным контролем. В литературе нет единого мнения относительно характера генетической детерминации этого признака. В частности, окончательно не решен вопрос о возможности получения константной формы редиса с фиолетовым корнеплодом. На основании опубликованных данных (Н. В. Frost, 1923; J. Uphof, 1924; Т. Tatebe, 1938; J. В. Harborne, G. J. Paxman, 1964; Л. В. Сазонова, 1973; Д. Маджарова, 1975) можно сделать следующие обобщения.
1. При скрещивании растений с белым и красным корнеплодом первое поколение гибридов редиса в большинстве случаев имеет фиолетовую окраску. Однако это правило не является абсолютным, и некоторые авторы отмечают появление в Fi других типов окраски: красной, розовой, неоднородной, когда в одной и той же комбинации скрещивания часть растений Fj имеет фиолетовый и сиреневый корнеплод, а другая — розовый (Л. В. Сазонова, 1973; Д. Маджарова, 1975).
2. Второе поколение гибридов расщепляется по окраске на фиолетовые, красные и белые, если Fi гибриды были фиолетовыми, и на красные и белые, если Fi гибриды были красными.
3. Количественные соотношения растений с той или иной окраской корнеплода в F2, по данным разных авторов, не всегда совпадают, что служит основанием для различных интерпретаций генетических закономерностей, определяющих характер расщепления.
По мнению Н. В. Frost (1923), фиолетовый цвет определяется доминантным, а красный — рецессивным состоянием одной пары аллелей, поэтому наблюдается моногибридное расщепление. J. Uphof (1924) на основании количественного соотношения в F2 растений с красными, фиолетовыми и белыми корнеплодами, близкого к 1:2:1, делает заключение о моногибридном типе детерминации окраски корнеплода. В трактовке Т. Tatebe (1938) фиолетовая окраска является результатом комплементарного взаимодействия факторов красной и белой окраски.
Анализ биохимического строения цианидина и пеларгонидина, а также количественного соотношения фиолетовых и красных растений в F2 показал, что красная и фиолетовая окраски определяются двумя аллельными состояниями одного и того же гена; механизм, контролирующий белую окраску, сложный и включает больше одного гена (J. В. Harborne, G. J. Paxman, 1964). Комплементарный характер детерминации фиолетовой окраски наблюдается при скрещивании двух белокорнеплодных сортов (Д. Маджарова, 1975). При скрещивании белокорнеплодного сорта с краснокорпеплодным Fj гибридов имели красную окраску, a F2 расщеплялись на красные, розовые и белые. Считается, что в данном случае имела место кумулятивная полимерия. На основании исследования антоцпановон окраски инбредных линий и сортов редиса высказывают предположение о том, что белый цвет корнеплода сорта Вировский белый является результатом действия дополнительных генов — ингибиторов, блокирующих синтез антоциановых пигментов в корнеплоде (С. И. Нарбут, 1972).
Таким образом, почти в каждом исследовании дана своя трактовка генетических закономерностей наследования окраски корнеплода, основанная в большинстве случаев на конкретном материале, не согласующаяся с результатами других исследователей. Так, гипотезы моногибридного и комплементарного характера детерминации окраски корнеплода не увязываются с фактами появления в Fi гибридов красно — и розовоокрашенных корнеплодов от скрещивания растений с белыми и красными корнеплодами. Предложенная для объяснения этого явления гипотеза кумулятивной полимерии неприменима для комбинаций с фиолетовой окраской Fi гибридов. Ни одна из выдвинутых гипотез не объясняет факта получения разнородных по окраске Fi гибридов при скрещивании красного редиса с белым.
При анализе результатов наших исследований характера детерминации антоциановой окраски корнеплода редиса мы учитывали известные в литературе факты.
В нашей работе исходным материалом для скрещивания служили сорта: редис Салатный и редька Салатная китайская.
Редис Салатный выделен нами в потомстве расщепляющихся форм редисно-капустного гибрида и отселектирован до константного состояния. Основная особенность данного сорта — полное отсутствие опушения листьев, что делает их пригодными для употребления в пищу. Такие растения практически не дают отходов, что особенно важно при интенсивной культуре в условиях защищенного грунта. Форма листа лировидно рассеченная; корнеплод округлый, красный.
Редька Салатная китайская японского происхождения выбрана для скрещивания с редисом Салатным из-за наличия такой же особенности — неопушенности листа. Форма листа цельная, корнеплод длинный белый. Материал проверен на константность данных признаков в течение нескольких поколений.
В Fi гибридов, полученных в результате реципрокных скрещиваний, выращено 400 растений. Окраска корнеплода у всех растений была сиреневой.
В F2 выращено 275 растений. По цвету корнеплода они образовали пять классов: фиолетовые, сиреневые, красные, розовые и белые. Однако четко разделить растения на эти пять групп сложно из-за отсутствия строгой границы между светло и темно окрашенными растениями. Фактически наблюдается переход по степени интенсивности окраски от красных к розовым и от фиолетовых к сиреневым. Поэтому, как и наши предшественники, мы при анализе расщепления по антоциановой окраске в F2 оперировали тремя классами: фиолетовые, красные и белые, включая в один класс все растения с данной формой антоциана независимо от интенсивности окраски. Соотношение фиолетовых, красных и белых составило при этом 9:3:4.
Такое соотношение имеет место при двух типах взаимодействия: комплементарном и эпистатическом. Поскольку с гипотезой комплементарного взаимодействия (Т. Tatebe, 1938) не согласуются факты получения разнородных Fi гибридов при скрещивании белого редиса с красным, мы использовали в качестве рабочей гипотезы детерминацию антоциановой окраски по типу эпистаза.
Согласно этой гипотезе, каждая из двух пар аллелей обусловливает моногибридное расщепление по свойственному ей признаку. Мы предположили, что одна пара, обозначенная А, детерминирует признак «наличие — отсутствие окраски». Этот же ген, по нашему представлению, ответственен за интенсивность окраски. В гомозиготном доминантном состоянии АА он дает интенсивную окраску, в гетерозиготном Аа — светлую, в гомозиготном рецессивном аа — отсутствие окраски. В эксперименте соотношение окрашенных и неокрашенных составило 3:1 (Р = 0,50—0,75).
Второй ген, обозначенный В, детерминирует признак «тип пигмента». В доминантном (ВВ) и гетерозиготном (Вb) состоянии он обусловливает фиолетовую окраску, в рецессивном гомозиготном (bB) — красную. Экспериментальное отношение фиолетовых к красным составило 3:1с вероятностью (Р = 0,10 — 0,25).
Рецессив гена «наличие — отсутствие окраски» эпистатичен по отношению к гену, контролирующему тип пигмента: аа>ВВ; аа>Вb, аа>bB. Следовательно, рецессивная гомозигота гена А блокирует появление окраски независимо от аллельного состояния гена, контролирующего тип пигмента. При этом фенотипически одинаковые белые растения могут иметь любой из трех возможных вариантов генотипа по гену «тип пигмента»: ВВ, Вb, bB.
Рассматриваемая гипотеза позволяет объяснить не только результаты нашего эксперимента, но и большинство фактов, приведенных в публикациях. Становится понятной разноречивость результатов, полученных в разных экспериментах, а иногда и в одном эксперименте в различных комбинациях. Если генотип родительской формы с белой окраской корнеплода гомозиготен по доминантной аллели В, то при скрещивании с красным редисом Fi гибридов будет фиолетовым. Рецессивная гомозигота белоокрашенной родительской формы bb даст при скрещивании с краснокорнеплодным растением красное потомство. Если в исходном материале белокорнеплодного компонента скрещивания представлены оба гомозиготных варианта или если исходное растение было гетерозиготным по гену В, то Fi гибридов окажутся неоднородными по окраске корнеплода.
Единственный феномен, не укладывающийся в рассмотренную выше схему взаимодействия двух генов по типу рецессивного эпистаза — факт образования Fi гибридов с фиолетовой окраской корнеплода при скрещивании двух белокорнеплодных сортов (Д. Маджарова, 1975). В данном случае, очевидно, имеет место комплементарный тип взаимодействия двух генов. Возможно, что синтез пигмента осуществляется в два этапа, каждый из которых детерминирован собственным геном, и ингибирование любого из этих этапов приводит к формированию белых корнеплодов. Тогда при скрещивании между собой двух белокорнеплодных сортов, у которых не осуществляется один и тот же этап синтеза пигмента, Fi гибридов будет белокорнеплодным, а последующие поколения — константными по данному признаку. Если же у родительских форм нарушены этапы синтеза пигмента, то у гибридов возможен комплементарный эффект и Fi от скрещивания двух белокорнеплодных форм окажется окрашенным, а в последующих поколениях произойдет расщепление по цвету корнеплода. Теоретически это расщепление в F2 должно соответствовать 9 : 7. Именно такое соотношение было получено экспериментально (Д. Маджарова, 1975).
Эти обстоятельства дают основания для введения в рассмотренную выше схему взаимодействия по типу рецессивного эпистаза еще одного гена, обусловливающего наличие окраски. Если условно обозначить гены, ответственные за синтез пигмента на различных его этапах, B2 и А2, то общая формула генов, детерминирующих антоциановую окраску корнеплода редиса.
В целом введение дополнительного гена, контролирующего окраску корнеплода, не вносит принципиальных изменений в рассмотренную выше схему взаимодействия по принципу рецессивного эпистаза. Для комбинаций, у которых одна из родительских форм имеет окрашенный корнеплод, а другая с белым корнеплодом, отсутствие окраски обусловлено рецессивной гомозиготой по одному из двух А генов, характер поведения потомства будет полностью соответствовать типу дигибридного расщепления по принципу эпистаза. Соотношение окрашенных и неокрашенных форм в F2 составит 3:1. Лишь в том случае, если белая окраска корнеплода явится результатом рецессивного состояния обоих А генов, соотношение окрашенных и неокрашенных растений в F2, полученном от скрещивания белокорнеплодного родителя с окрашенным, будет иным — 9:7.
Для проверки соответствия изложенных выше соображений с экспериментальными данными нами было проведено наблюдение за поведением всех классов растений, выгцепившихся во втором поколении. В каждом классе были отобраны маточные растения, которые на протяжении нескольких последующих поколений подвергали самоопылению.
Формулы генотипов, детерминирующих окраску корнеплода, построены исходя из гипотезы рецессивного эпистаза, цвет F) — F3 гибридов — фактический, наблюдавшийся в эксперименте. Сопоставление фактических и теоретических данных свидетельствует о том, что фенотипическое расщепление соответствует генотипическому при взаимодействии по типу рецессивного эпистаза, что свидетельствует в пользу этой гипотезы.
Второй вывод, вытекающий из изложенных данных, — положительное решение вопроса о возможности получения константных форм с фиолетовой окраской корнеплода. Родоначальники таких форм должны иметь доминантный гомозиготный генотип. Формула константных генотипов с красной пигментацией коры корнеплода.
Гетерозигота по любому из генов А даст расщепление на интенсивно окрашенные и белые растения. Гетерозигота по гену В в случае доминантных гомозигот по обоим А генам даст расщепление на красные и фиолетовые корнеплоды, а в случае гетерозиготы по А генам выщепятся также белые и светло окрашенные растения.
Поскольку фенотипы доминантной гомозиготы и гетерозиготы по генам А отличаются друг от друга интенсивностью окраски, то при отборе исходного материала для получения константного фиолетового потомства следует ориентироваться на наиболее интенсивно окрашенные растения. Разграничить между собой растения с доминантной гомозиготой и гетерозиготой по гену В можно только путем проверки по потомству, причем потомство следует получать методом самоопыления.
Изложенные положения проверены нами экспериментально при отборе константной фиолетовой формы, когда проводили селекционную работу для получения нового сорта редиса. По некоторым семьям было получено 13—15 поколений. Когда маточные растения были отобраны с учетом всех приведенных выше соображений, в потомстве их не наблюдалось расщепления по цвету корнеплода. Эти данные служат еще одним доводом в пользу достоверности гипотезы рецессивного эпистаза.
Вероятно, взаимодействие по типу рецессивного эпистаза не является единственным механизмом детерминации антоциановой окраски корнеплода редиса. Определенную роль играют, очевидно, гены, контролирующие распределение антоциана в пределах корнеплода, а также гены-модификаторы, влияющие на интенсивность окраски в зависимости от условий освещения.