Immunochemical prognosis of heterosis in Zea mays

Summary

Heterosis is a complex biological phenomenon. Because of the complex interaction and interrelation between “genes — metabolism — environment”, it is hardly possible to expect a clarification of the heterosis phenomenon through simple genetic explanations only (Hagemann et al. 1967).

We have followed an immunochemical aspect and method of research. The antigenic analysis of inbred lines and their hybrids was used for studying heterosis and for investigating the possibilities for its prognosis.

The heterosis effect was proved under field conditions. Our investigations (Dimitrov et al. 1972) show the presence of four protein fractions in the seed extracts of inbred maize lines, while the heterotic hybrids contain a fifth protein fraction. Antigenie analysis by the method of Grabar and Williams was carried out for a more complete characterization and determination of the specificity of the fractions obtained (Grabar and Williams 1955).

The present publication is a result of our research upon maize inbred lines, simple heterotic and nonheterotic hybrids and their backcrosses. A double diffusion in agar gel, according to the Ouchterlony method (Ouchterlony 1958), confirmed the presence of a fifth protein fraction in the heterotic hybrids, which can not be found in the inbred lines or in the nonheterotic hybrids.

In the inbred lines we found 3 protein fractions common to all of them, and also a fourth (individual antigen), contained only in the inbred lines that produce a heterosis effect when crossed. It was determined that the carrier of the information for the synthesis of the individual antigen is a nuclear factor.

We also determined the conditions under which (after direct and inverse crosses and after crosses in one direction only) heterotic hybrids are obtained. Some backcrosses show a marked heterosis effect connected with the doubling of the factor, carrier of the information for the individual antigen. This fact is important for the scientific verification of the methods for obtaining complex heterotic hybrids.

Our results throw some light upon the genetic nature of the heterosis phenomenon.

The heterosis effect was determined only for inbred lines whose seed extracts have a precipitation arc against their homologous serum, absorbed with the extract of its partner. This allows for the prognosis of heterosis in maize, i.e. for the determination in advance (through the double immunodiffusion) of the inbred lines and also of the direction of crosses that produce the heterosis effect.

The present publication is a continuation of our report (Dimitrov et al. 1972) concerning the research on the nature of heterosis in connection with its prognosis. In our investigation we have accepted as heterotic only hybrids whose seed yield exceeds the seed yields of each of the separate inbred lines being crossed.

Zusammenfassung

Die vorliegende Untersuchung ist das Ergebnis einer vergleichenden Bearbeitung von Inzuchtlinien und heterotischen Maishybriden; bei einigen von ihnen wurde ein Unterschied in ihrer Antigen-Struktur festgestellt (Dimitrov et al. 1972).

Verglichen wurden miteinander:

Inzuchtlinien, die nach reziproken Kreuzungen und Rückkreuzungen heterotische Hybriden ergeben ;

Inzuchtlinien, die nur in einer Kreuzungsrichtung Heterosis ergeben ;

Inzuchtlinien, die Heterosis ergeben, wenn sie als männlicher Kreuzungspartner in Kreuzungen mit verschiedenen anderen Linien (als ♂) verwendet werden;

Inzuchtlinien, die als weiblicher Elter nach Kreuzung mit einigen Inzuchtlinien Heterosis ergeben, mit anderen aber nicht ; einfache heterotische sowie nichtheterotische Hybriden mit Rückkreuzungen, bei denen die F₁-Hybriden (als Mutter) in einigen Fällen mit der mütterlichen, in anderen Fällen mit der väterlichen Linie rückgekreuzt wurden.

Benutzt wurden die Inzuchtlinien N-6, C-103, WIR-44 und WIR-38. Die Untersuchungen wurden in der Weise durchgeführt, daß jeder Extrakt geprüft wurde gegenüber nicht-absorbierten und absorbierten homologen und heterologen Seren.

Das Auftreten von Heterosis wurde unter Feldbedingungen geprüft. Als heterotisch wurden nur diejenigen Kreuzungen bezeichnet, die im Kornertrag den Ertrag jeder einzelnen zur Kreuzung verwendeten Inzuchtlinie übertrafen.

Unsere Untersuchungen bestätigen die bereits früher von uns mitgeteilten Daten über das Vorhandensein von 4 spezifischen Eiweißfraktionen in den Inzuchtlinien und von einer 5. Eiweißfraktion in den heterotischen Hybriden.

In den Inzuchtlinien wurde das Vorhandensein von je 3 diesen Linien gemeinsamen Eiweißfraktionen und einer 4. festgestellt, die für diejenigen Inzuchtlinien spezifisch ist, welche Heterosis ergeben. Die Inzuchtlinien N-6, C-103 und WIR-44 enthalten eine spezifische Eiweißfraktion, die Inzuchtlinie WIR-38 hingegen nicht.

Es wurde festgestellt, daß ein Heterosiseffekt in beiden Kreuzungsrichtungen nur dann beobachtet wird, wenn Inzuchtlinien gekreuzt werden, von denen jede Träger einer spezifischen Eiweißfraktion ist. Wenn nur eine der verwendeten Inzuchtlinien eine spezifische Eiweißfraktion enthält, so wird nach unseren Ergebnissen nur dann ein Heterosiseffekt beobachtet, wenn die Vaterlinie der Träger des individuellen Antigens ist. Dies spricht dafür, daß die verantwortlichen Erbanlagen im Zellkern liegen.

Wir führten einen Vergleich durch zwischen einfach heterotischen sowie nicht-heterotischen Hybriden und Rückkreuzungs-Generationen, für die als Vater in einigen Fällen eine Inzuchtlinie verwendet wurde, welche eine spezifische Eiweißfraktion enthält, im anderen Falle eine Linie, die keine spezifische Fraktion enthält. Dieser Vergleich zeigt, daß die Verdoppelung des individuellen Faktors in der Zygote — dem Ausgangspunkt der Rückkreuzung — zu einem gesteigerten Heterosiseffekt führt, der mit der Erhöhung der Subfraktionszahl der im Extrakt der Rückkreuzungspflanzen enthaltenen Eiweißfraktion verbunden ist.

Die von uns ermittelten Daten und Gesetzmäßigkeiten eröffnen Möglichkeiten zur Vorhersage von Heterosiseffekten bei Zea mays und zugleich zur Schaffung von komplexen heterotischen Hybriden auf wissenschaftlicher Grundlage.