Успадкування забарвлення ягоди серед нащадків червоноягідних сортів винограду

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеський державний аграрний університет, директор,

Успадкування забарвлення ягоди серед нащадків червоноягідних сортів винограду

Куліджанов Е.В. - к.с.-г.н., доцент кафедри польових та овочевих культур

У статті наведено результати гібридологічного аналізу популяцій винограду за ознакою забарвлення. Для оцінки було відібрано популяції, в яких мінімум одна з батьківських форм має червону/рожеву ягоду. Таким чином сформовано три групи гібридних нащадків - від схрещувань типу червоні*білі, червоні*червоні, червоні*чорні, за забарвленням ягоди. Аналіз літературних джерел свідчить про те, вказана ознака залишається недостатньо вивченою попри великий обсяг проведених досліджень. Думки вчених різняться як щодо кількості генів що кодують забарвлення (до 9), так і щодо їх локалізації. При цьому вказуються різні групи зчеплення (хромосоми). Проте, одна з давніх гіпотез висунута О.М. Негрулем у 1936 р, теж має під собою певну основу, та частково підтверджується експериментальними даними. За результатами проведеного гібридологічного аналізу встановлено що в частині з проаналізованих популяцій зафіксовано схеми розщеплення притаманні гіпотезі О.М. Негруля щодо дигенної природи ознаки забарвлення. Разом із тим, половина популяцій продемонструвала інші схеми розщеплення. Причиною цього може бути як недоліки в методиці обліку, що найменш ймовірним, так і існування складнішого механізму успадкування забарвлення. Це може бути більша кількість генів (локусів) або множинний алелізм, а також можлива наявність так званих Myb або Myc факторів що впливають на експресію генів забарвлення та відповідно біосинтез антоціанів. Для підвищення інформативності досліджень запропоновано ідентифікувати фенотипові класи за ознакою забарвлення, хімічними методами. Тобто, визначати не просто факт забарвлення, а конкретний пігмент або пігменти присутні у ягоді. За результатами гібридологічного аналізу встановлено генетичні формули сортів та гібридів які було залучено до схрещувань - Чауш рожевий, Кишмиш рожевий, Октябрьський, Німранг, Кардинал, 29-64, 580-64 - ('ссісі. Для сортів Воскеат, Італія, Карабурну - ссдд.

Ключові слова: виноград, забарвлення ягоди, антоциани, гібридологічний аналіз.

Kulidzhanov E.V. Inheritance of berry color in the progeny of red berry grape varieties

The results of hybrid analysis of table grape hybrid populations, after the berry color trait, are presented in the article. The populations with at least one parent with red/rose-colored berry were studied. Thus, the three groups of hybrids were formed, as the progeny of red*white, red*red, red*black type crosses. Publications on the berry color inheritance testify that this trait has not been studied enough until now despite great amount information and research provided. Different researchers' vision is varying concerning the amount of genes (loci) of berry color trait (up to 9,. as well as linkage groups (LG) containing these loci. At the same time, different numbers of linkage groups (chromosomes) are specified. It was estimated that the hypothesis of O. Negrul (1936), also have certain validity, and was partially confirmed with experimental data analysis. This hypothesis presumes two-loci genetic mechanism of berry color inheritance. According to the hybrid analysis results, the segregation schemes typical for two-loci genetic mechanism proposed by O Negrul were detected for the part of populations analyzed. At the same time, half of the populations demonstrated segregation schemes different from those mentioned above. Phenotypes registration and classification is to be less probable. The most acceptable reason is the existence of another berry color loci, or multiple allelism; also, the effect of so-called Myb or Myc factors which control the expression of color genes, an anthocyanins biosynthesis respectively. To increase the research informativity, it was proposed to identify the phenotypic classes after the berry color trait, using the biochemical methods. It means not just to state the very fact of colored berry, but identify the pigment(s) present in berry. As the result of hybrid analysis, the genetical formulas of grape cultivars and hybrids used as parents were figured out, namely Chaouse rose, Sultanina rose, Octyabr'sky, Nimrang, Cardinal, and hybrids 29-64, 58064 - Ccdd. For the cultivars Voskeat, Italy, Karaburnu (Datier De Beyrouth) - ccdd.

Key words: grape, berry color, anthoyanins, hybrid analysis.

Вступ

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Стосовно кількості генів що контролюють забарвлення ягоди, висновки дослідників різняться, іноді суттєво. Разом із тим, Клименко В.П. наводить 9 локусів, відповідальних за вміст антоціанів у ягодах (листях) винограду [1, с. 20, 2, с. 13]. На наявність одного гену в 5-й хромосомі вказує Jianfu Jiang [3, с. 797].

За даними Guo et al [4, с. 11], за забарвлення ягоди відповідають п'ять локусів, розташованих у хромосомі 2.

Fei He et al [5, с. 9061-9062] у підсумковій роботі наводять схему біосинтезу антоціанів, у винограду згідно до якої піл дією ферментів F3H та F3'5'H (flavonid 3fi-hydroxylase таflavonid3'5'-hydroxylase) утворюються відповідно антоціанідини пеларгонідин та дельфінідин. За участі інших ферментів похідні сполуки перетворюються на інші речовини. Отже, флавоноїд-гідроксилази є визначальним фактором синтезу антоціанів, а локус що відповідає цим ферментам є одним з тих що входять до механізму успадкування ознаки забарвлення ягоди. Ще два антоцианідини - петунідин та мальвідин - утворюються з дельфінідину під дією ОМТ (O-methyltransferase). Саме локус FH зумовлює появу антоцианідинів як джерела антоцианів.Вінобумовлюєнаявністьзабарвленнянезалежновідтогоякийсамеанто- ціан або антоціани буде синтезовано у підсумку [6, с. 746, 7, с. 293-4, 8, с. 273,9, с. 15].

Отже, червоним пігментом є цианідин-глікозид. Він утвориться якщо в локусі FH буде наявним відповідний алель, а локус UGFT не продукує фермент що перетворює цианідин на пеонідин. Це алель що продукує F3'H flavonoid 3'-hydroxylase, яка в свою чергу продукує червоний цианідин [5, с. 9061]. Можна припустити, що локус Сс на який вказував О.М. Негруль [10, с. 88] відповідає саме за F3'H flavonoid 3'-hydroxylase. Тут також можна припустити наявність множинного алелізму, коли продукуються різні ферменти F3H, F3'H та F3'5'H та відповідні антоцианідини, та четвертий рецесивний стан сс в сортів з білою ягодою. Тоді, можливо, локусу DD відповідає ОМТ (О-methyltransferase) яка перетворює в тому числі червоний цианідин на чорний пеонідин [5, с. 9062]. Алелі з локусу UGFT (flavonoid glucosyltransferase) впливають на те, чи будуть утворюватися моно- або диглікозидні антоціани.

Аналіз наведених вище гіпотез та експериментальних даних дозволяє, на наш погляд, висунути наступне узагальнення про відповідність запропонованих раніше локусів/алелів та виявлених в останні роки ферментів що відповідають за біосинтез антоціанів у ягодах винограду. Тут можливі як мінімум два припущення - або локус FH є поліалельним, або ці алелі розташовано в різних локусах. Схема «один локус/множинний алелізм» передбачає такі можливі генетичні формули сортів в залежності від забарвлення ягоди:

Білі ягоди - рецесив по локусу F3H (fh), а по локусу ОМТ - будь-який алель.

Червоні ягоди - алель F3'H гомозиготний або гетерозиготний з алелем fh, та при цьому рецесив за локусом ОМТ (цианідин).

Чорні ягоди:

- алелі F3H та F3'5'H незалежно від інших алелів у локусі (F3'H або fh), з реце- сивом по локусу ОМТ (пеларгонідин та дельфінідин );

- алелі F3H та F3'5'H незалежно від інших алелів у локусі (F3'H або fh), з домінантним алелем по локусу ОМТ (мальвідин, петунідин).

- F3'H у поєднанні з нерецесиним алелем ОМТ (пеонідин).

Або: червоне (в т.ч. рожеве) забарвлення - це цианідин чи невеликі кількості інших пігментів, що зумовлені факторами транскрипції.

Далі можна припустити максимальну кількість антоціанів які одночасно можуть бути присутні у чорній ягоді - 5, мінімальна - 1 (пеларгонідин-глікозид).

Це дещо розходиться із положеннями О.М. Нєгруля та Л.П. Трошина, але частково співпадає - у тому, що половина (2 з 4 можливо існуючих) алелів FH забезпечують наявність чорного забарвлення.

Проте можливою є ситуація коли не всі FH алелі містяться в одному локусі. Якщо спів ставляти вплив цих алелів на прояв ознаки забарвлення, із баченням О.М. Негруля [9, с. 88], то можна припустити що алею С відповідає цианідин, с - відсутність пігменту, а алелям з локусу Dd - дельфінідин/пеларгонідин. Тоді інші пігменти кодуються ще певними локусами [11, с. 411].

Поки очевидно, що між ранніми гіпотезами та сьогоднішніми молекулярно-генетичними та біохімічними дослідженнями є деякі розбіжності. Проте, якщо гіпотеза О.М. Негруля не охоплює локуси ОМТ, то останні можуть призвести до збільшення відсотку чорно ягідних сіянців у гібридних популяціях у порівняні із його припущеннями. Це відбуватиметься тому що ОМТ перетворює червоний цианідин на чорний пеонідин.

Метою нашої роботи є подальше вивчення характеру успадкування забарвлення ягоди у винограду, з урахуванням нових досягнень в галузі молекулярної генетики та біохімії.

Методика досліджень. Дослідження проводилися методом гібридологічного аналізу популяцій отриманих лабораторією виноградарства ОСГІ/ОДАУ у 60-70-х роках минулого століття (С.О.Мельник, М.О. Дудник). Основною робочою гіпотезою був механізм успадкування, запропонований О.М. Негрулєм [9, с. 88]. Ознака забарвлення вивчалася у популяціях, отриманих від схрещувань де як мінімум один з батьків має червону (рожеву) ягоду. Оцінка відповідності теоретичних схем успадкування до фактичних проводилася методом Пірсона [12, с. 60-62].

Результати досліджень

Виноград є високо гетерозиготною культурою [5, с. 9058], отже вивчення механізмів успадкування селекційно цінних ознак є складним процесом. Тому складні ознаки вивчаються шляхом послідовних наближень, із формуванням декількох вірогідних гіпотез, та подальшим підтвердженням якоїсь з них. Так, у минулих роботах вже були спроби проаналізувати успадкування забарвлення ягоди [13, с. 116; 14, с. 31; 15, с. 132]. Першим кроком було виявити найбільш вірогідні схеми розщеплення,із мінімальним значенням Х². Зараз було проаналізовано додаткову кількість популяцій. Для популяцій проаналізованих раніше було вивчено вірогідність генетичному механізму C-D- (Табл. 1, 2).

Таблиця 1 Успадкування забарвлення ягоди у нащадків від схрещування червоних та білих сортів

У схрещуваннях Чауш рожевий*Спітак араксені, Чауш рожевий*Аскері, Чауш рожевий *Кишмиш білий, Німранг*Кишмиш круглий 29-65*Кардинал виявлено сіянці із чорною ягодою. Це означає що батьківські форми із білою ягодою мають гени ccDd або ccDD. Наявність серед нащадків гібридів із червоною ягодою свідчить про те, що білоягідні батьки мають формулу тільки ccDd. В усіх схрещуваннях є також і білоягідні гібриди; отже усі батьківські форми із червоною/рожевою ягодою мають генетичну формулу Сс-dd.

Таким чином можна припустити схему схрещування ^dd* ccDd, а схема розщеплення - 2:1:1 (білі:червоні:чорні). Серед гібридів Чауш рожевий*Аскері, Чауш рожевий*Спітак араксені таке розщеплення є математично підтвердженим.

Таблиця 2 Успадкування забарвлення ягоди у нащадків від схрещування червоних сортів із червоними та чорними

Проте у популяціях Чауш рожевий*Кишмищ білий, Королева *Октябрьський, Німранг*Кишмиш круглий ця схема розщеплення не підтвердилася. Втім, обґрунтоване співвідношення «червоних» та «чорних» сіянців 1:1 підтверджене. Отже проблема може полягати в тому, шо, наприклад сіянці із дуже світлою але рожевою ягодою вважаються білоягідними, або в тому що є модифікуючи фактори, що впливають на експресію генів забарвлення [7, с. 290]. Це так звані фактори транскрипції - Myb, Myc, WD-40. Вони зумовлюють інтенсивність синтезу флавоноїд-гідроксилаз та/або фосфотрансфераз, тим самим впливаючи на інтенсивність забарвлення ягоди.Серед нащадків схрещувань Чауш рожевий- *Воскеат, Італія*Кишмиш рожевий, Королева*Октябрьський. відсутні чорноягідні гібриди. Отже формула білоягідних батьків - ссйй.

Наявність сіянців із чорною ягодою в популяції Німранг*Кишмиш рожевий відповідає іншому механізму ніж СсОй, або тим що сіянці із інтенсивним червоним забарвленням (цианідин) могли сприйматися як чорноягідні. Частково це підтверджується тим, що теоретичне співвідношення білі:небілі 1:3 математично доведено. Цей методичний аспект роботи потребує подальшого удосконалення (Табл. 2).

В популяціях від схрещувань червоних сортів із чорними теоретичною схемою є 2:3:3 (білі:червоні:чорні). Ця схема підтвердилася в 3 із семи схрещувань (Табл. 2). Як і в попередніх схрещуваннях, серед нащадків сортів Октябрьський та Німранг переважають сіянці із білою ягодою, та теоретична схема не підтверджується 2:3:3. Тут також можуть бути задіяні ті ж чинники що й у попередніх схрещуваннях за участю вказаних сортів. Слід зазначити що невідповідність механізму який передбачає участь локусів СсОй проявляється саме у переважанні сіянців із білою ягодою, тобто у співвідношенні білі:небілі. Таке уточнення дозволяє схилятися до версії що має місце дія ще якогось фактору спадковості, бо суб'єктивні помилки у таких масштабах є практично неможливими.

Висновки

Аналіз отриманих експериментальних даних щодо успадкування ознаки забарвлення ягоди у винограду дозволяє зробити деякі висновки. Підтверджено, встановлено або уточнено генетичні формули сортів за ознакою кольору ягоди: Чауш рожевий, Кишмиш рожевий, Октябрьський, Німранг, Кардинал, 29-64, 580-64 - Сс44. Для сортів Воскеат, Італія, Карабурну - сс-dd. гібридологічний виноград забарвлення фенотиповий

Частина обстежених популяцій демонструє схеми розщеплення притаманні генетичному механізму запропонованому О.М. Негрулєм [10, с. 88]. Проте у половині гібридних популяцій виявлено інші схеми, із суттєвим переважанням білоягідних гібридів.

Якщо припустити наявність ще деяких генетичних факторів що впливають на експресію забарвлення, то донорами цих факторів можна вважати сорти Німранг та Октябрьський.

Для більш глибокого, та всебічного вивчення ознаки забарвлення ягоди необхідне уточнення підходу до ідентифікації фенотипів. Тут мабуть було б доцільно проводити таку ідентифікацію шляхом біохімічного аналізу та встановлення антоціанів, фактично наявних у ягодах винограду. Тоді можна було б вивчати успадкування не просто забарвлення, а конкретних пігментів, що зробило б отримувані результати точнішими та конкретнішими.

Список використаної літератури

1. Клименко В.П., Трошин Л.П., Мелконян М.В. Идентифицированные гены винограда. Виноград и вино России. 1997. № 1. С. 20-21.

2. Клименко В.П., Трошин Л.П. Паспортизация сортов винограда по идентифицированным генам. Виноград и вино России. 1994. № 1. С. 12-14.

3. Jianfu Jiang, Xiucai Fan, Ying Zhang, Xiaoping Tang, Xiaomei Li, Chonghuai Liu and Zhenwen Zhang. Construction of a High-Density Genetic Map and Mapping of Firmness in Grapes (Vitis vinifera L.). Based on Whole-Genome Resequencing. Int. J. Mol. Sci. 2020. № 21. Р 797. doi:10.3390/ijms21030797.

4. Guo Da-Long, Zhao Hui-Li, Li Qiong, Zhang Guo-Hai, Jiang Jian-Fu, Liu Chong- Huai, and Yi-He Y. Genome-wide association study of berry-related traits in grape [Vitis vinifera L.] based on genotyping-by-sequencing markers. Horticulture Research. 2019. № 6. Р 11. DOI 10.1038/s41438-018-0089-z www.nature.com/hortres

5. Fei He, Lin Mu, Guo-Liang Yan, Na-Na Liang, Qiu-Hong Pan, Jun Wang, Malcolm J. Reeves and Chang-Qing Duan Biosynthesis of Anthocyanins and Their Regulation in Colored Grapes. Molecules. 2010. № 15. Р 9057-9091. https://doi.org/10.3390/ molecules15129057

6. Sparvoli Francesca Cathie Martin, Attilio Scienza, Giuseppe Gavazzi & Chiara Tonelli Cloning and molecular analysis of structural genes involved in flavonoid and stilbene biosynthesis in grape (Vitis vinifera L.). Plant Molecular Biology. 1994. Vol. 24. P 743-755.

7. Springob, K.; Nakajima, J.; Yamazaki, M.; Saito, K. Recent advances in the biosynthesis and accumulation of anthocyanins. Nat. Prod. Rep. 2003. № 20. Р 288-303. PMID: 12828368. DOI: 10.1039/b109542k

8. Ford, C.M.; Boss, P.K.; Hoj, P.B. Cloning and characterization of Vitis vinifera UDPglucose:flavonoid 3-0-glucosyltransferase, a homologue of the enzyme encoded by the maize Bronze-1 locus that may primarily serve to glucosylate anthocyanidins in vivo. J Biol. Chem. 1998. № 273. Р 9224-9233.

9. Карбовская Р В., Борис И. И. Идентификация антоцианов при помощи вэжх, как метод подтверждения аутентичности фруктово-ягодного сырья и готовой продукции. Журнал Хроматографічного товариства. 2008. Т. VIII. № 3, 4. C. 13-33.

10. Негруль А.М. Генетические основы селекции винограда. Л.: Изд-во ВАСХНиЛ, 1936. 150 с

11. Wang Huiling, Yan Ailing, Sun Lei, Sun Guojun Zhang, Wang Xiaoyue, Ren Jiancheng and Xu Haiying. Novel stable QTLs identification for berry quality traits based on high-density genetic linkage map construction in table grape. BMC Plant Biology. 2020. № 2. Р 411. https://doi.org/10.1186/s12870-020-02630-x

12. Гершензон С.М. Основы современной генетики. Киев: Наукова думка, 1983. 560 с.

13. Кулиджанов Г.В. Характер наследования некоторых органолептических показателей в потомстве комбинации Мускат гамбургский - Кишмиш черный. Проблемы современного виноградарства. Сб. науч. тр., посвящ.100-лет. со дня род. П.Т. Болгарева. Симферополь, 1999, вып.60. С 113-116.

14. Кулиджанов Г.В. Наследование некоторых качественных признаков при скрещивании столовых сортов винограда. Виноделие и виноградарство. 2001. № 2. С. 30-31.

15. Кулиджанов Г.В. Наследование окраски ягоды при внутривидовых скрещиваниях винограда (Vitis vinifera l.) Аграрний вісник Причорномор'я. Вип. 29. Одеса, 2005. С. 128-132.

Размещено на Allbest.ru