Simulation of quantitative characters by genes with biochemically definable action. III. The components of genetic effects in the inheritance of anthocyanins in Matthiola incana R. Br.

Summary In a self-pollinated plant species, Matthiola incana R. Br., six groups of isogenic lines were developed which were ideally suited for investigating the properties of individual genes controlling a quantitative character. Each group consisted of four homozygous parents for two alleles at each of the two loci in a common genetic background. A complete 4 × 4 diallel cross was obtained in each group. Because of the identical genetic background each diallel set could be considered as a genetic system of two loci. The biochemical functions of the alleles at each locus modifying the structure of the anthocyanin molecule were known. The phenotypes of the nine possible genotypes were qualitatively distinguishable by their flower colour differences. A quantitative measure of the phenotypic value associated with a genotype is the concentration of anthocyanins in flower tissues. In these simplified genetic systems, the nine phenotypic values could be expressed in terms of nine biometrical quantities, eight of which are attributable to the genetic effects of the alleles at the two loci under consideration. An unique solution of the set of nine equations in nine unknowns provided direct estimates of the parameters specifying additive, dominance and epistatic effects. Thus the effects of individual genes in a well-defined genetic background could be estimated by the use of a simple additive genetic model. An extension of the model provided estimates of the genetic parameters in different years and genetic backgrounds.Dominance was found to be the most important type of gene action in the inheritance of anthocyanin content in the flower tissues of M. incana. There was considerable epistasis, but the effect was very unstable over years and genetic backgrounds. The relative magnitude of additive effect was most stable. Heterosis was observed and was found to be largely due to dominance and additive × dominance interactions.

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Zusammenfassung In der selbstbefruchtenden Gartenpflanze Matthiola incana wurde eine Reihe weitgehend isogener Linien entwickelt, die sich in idealer Weise zur Untersuchung der Beiträge einzelner definierter Gene und Genkombinationen zu einem quantitativen Merkmal eignen. Das Material wurde in 6 Gruppen eingeteilt. Jede Gruppe besteht aus 4 homozygoten Eltern, die sich aus der Variation zweier Loci mit je zwei Allelen vor einem gemeinsamen genetischen Hintergrund ableiten und nach dialleler Kreuzung alle kombinatorisch möglichen Genotypen ergeben. Jeder diallele Satz stellt somit ein genetisches System mit zwei Loci dar, dessen qualitative Beiträge zur Modifikation der Anthocyanmoleküle bekannt sind und dessen quantitative Beiträge zur Gesamtkonzentration der Anthocyane gemessen werden. In diesen vereinfachten genetischen Systemen können die Phänotypenwerte der 9 Genotypen durch 9 biometrische Quantitäten beschrieben werden, von denen 8 den genetischen Effekten der variierten Loci und einer dem Beitrag des genetischen Hintergrundes zugeschrieben werden könen. Anhand eines einfachen linearen Modells werden Parameter für die additiven, Dominanz- und Epistasieeffekte der einzelnen Gene aus einem Satz von 9 Gleichungen mit 9 Unbekannten direkt geschätzt. Eine Erweiterung des Modells erlaubt die Schätzung der Parameter in verschiedenen Jahren und mit wechselndem genetischem Hintergrund. Für die Ausbildung des quantitativen Merkmals Anthocyangehalt der Blüten von Matthiola incana erwiesen sich die Dominanzkomponenten als der entscheidende Typ der Genwirkung. Ferner wurde ein erheblicher Epistasieanteil geschätzt, jedoch waren diese Beiträge nicht konstant, da sie über die Jahre variierten und eine starke Abhängigkeit von der Art des genetischen Hintergrundes zeigten. Der relative Anteil der additiven Komponenten erwies sich dagegen zwar als gering, jedoch sehr stabil. Beobachtete Heterosiseffekte müssen zum Teil den Dominanzkomponenten, zum Teil der Interaktion zwischen additiven und Dominanzkomponenten zugeschrieben werden.

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This work was carried out while the senior author held a research fellowship awarded by the Alexander von Humboldt-Stiftung of Bad Godesberg, Germany, which is gratefully acknowledged.

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Research supported by Deutsche Forschungsgemeinschaft.