Использование молекулярных маркеров R генов и типов цитоплазмы при интрогрессивной гибридизации диких полиплоидных мексиканских видов картофеля

Использование молекулярных маркеров R генов и типов цитоплазмы при интрогрессивной гибридизации диких полиплоидных мексиканских видов картофеля

Автор: Зотеева Н.М., Антонова О.Ю., Клименко Н.С., Апаликова О.В., Carlson-nilsson U., Карабицина Ю.И., Ухатова Ю.В., Гавриленко Т.А.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Генетические ресурсы, интрогрессия, иммунитет (к 130-летию со дня рождения Н.И. Вавилова)

Статья в выпуске: 5 т.52, 2017 года.

Бесплатный доступ

Задачи расширения генетического разнообразия селекционного материала и получения сортов картофеля, сочетающих высокую продуктивность с комплексной и групповой устойчивостью к патогенам, решаются на основе совместного использования межвидовой гибридизации и маркер-опосредованного отбора (MAS, marker-assisted selection). Нами выполнен молекулярный скрининг оригинальных гибридов от 11 комбинаций скрещиваний, полученных с участием мексиканских ( Solanum stoloniferum, S. guerreroense ) и южно-американских ( S. microdontum, S. tarijense, S. kurtzianum ) диких видов картофеля, и их потомств; S. guerreroense был вовлечен в селекционный процесс впервые. MAS существенно повышает эффективность работ по пирамидированию целевых генов устойчивости и, кроме того, позволяет контролировать распространение нежелательных генетических факторов, например интрогрессированного от S. stoloniferum митотипа g (W/g тип цитоплазмы), ассоциированного с мужской стерильностью сортов и гибридов. В настоящей работе показана возможность повысить эффективность интрогрессивной гибридизации культурного картофеля с мексиканскими полиплоидными видами S. neoantipoviczii (= S. stoloniferum ) и S. guerreroense на основе использования в молекулярном скрининге ДНК-маркеров различных типов цитоплазмы и маркеров, ассоциированных с R генами устойчивости к наиболее вредоносным патогенам картофеля. По результатам молекулярного скрининга были отобраны генотипы с различным сочетанием маркеров генов, детерминирующих устойчивость к фитофторозу ( R2 like, R3а, Rpi-blb1, Rpi-sto1 ), Y-вирусу картофеля (PVY) ( Ryadg, Rysto, Ry-fsto ) и золотистой картофельной нематоде ( Н1 ), и среди них выявлены клоны с высокой полевой устойчивостью к фитофторозу (7-8 баллов) и к YВК. Из 35 гибридных клонов, отобранных в разных комбинациях скрещиваний (исходными материнскими формами служили образцы полиплоидных мексиканских видов), 18 характеризовались мужской стерильностью и имели тип цитоплазмы W/g, стабильно передающийся по материнской линии. Остальные гибриды с цитоплазмой W/a типа формировали фертильную пыльцу. Часть из них использовали в скрещиваниях в качестве опылителей, что позволило получить многовидовые гибриды, объединяющие в одном генотипе маркеры генов устойчивости от разных мексиканских полиплоидных видов. Можно полагать, что при поиске источников устойчивости к патогенам в популяциях полиплоидных мексиканских видов целесообразно одновременно проводить отбор против генотипов, которые служат донорами стерилизующего типа цитоплазмы W/g, нежелательного для традиционной селекции. Отбор гибридных клонов с типом цитоплазмы W/a позволяет увеличить вероятность получения интрогрессивных форм с мужской фертильностью. Совместное использование двух систем молекулярных маркеров (ядерных, ассоциированных с R генами устойчивости, и цитоплазматических, детектирующих различные типы цитоплазмы) позволит повысить результативность подбора пар для скрещиваний, сокращая сроки и снижая затраты на перенос в один генотип целевых генов из разных источников.

Еще

Картофель, днк-маркеры, r гены, типы цитоплазмы, межвидовая гибридизация

Короткий адрес: https://sciup.org/142214086

IDR: 142214086   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2017.5.964rus

Список литературы Использование молекулярных маркеров R генов и типов цитоплазмы при интрогрессивной гибридизации диких полиплоидных мексиканских видов картофеля

  • Юзепчук С.В., Букасов С.М. К вопросу о происхождении картофеля. Труды Всесоюзного съезда по генетике, селекции, семеноводству и племенному животноводству. Л., 1929, т. 3: 593-611.
  • Вавилов Н.И. Великие земледельческие культуры доколумбовой Америки и их взаимоотношения. Известия государственного географического общества, 1939, 10: 1487-1515.
  • Букасов С.М. Межвидовая гибридизация картофеля. Известия академии наук СССР, 1938, 13: 711-732.
  • Камераз А.Я. Дикие картофели как исходный материал для селекции. Вестник социалистического растениеводства. 1940, 4: 13-29.
  • Hermsen J.G.Th. Introgression of genes from wild species, including molecular and cellular approaches. In: Potato genetics/J.E. Bradshaw, G.R. Mackay (eds.). CABI, Wallingford, UK, 1994: 515-539.
  • Ortiz R. Potato breeding via ploidy manipulations. Plant Breeding Reviews, 1998, 16: 15-86 ( ) DOI: 10.1002/9780470650110.ch2
  • Jansky S. Overcoming hybridization barriers in potato. Plant Breeding, 2006, 125: 1-12. ( ) DOI: 10.1111/j.1439-0523.2006.01178.x
  • Watanabe K. Potato genetics, genomics, and applications. Breeding Science, 2015, 65(1): 53-68 ( ) DOI: 10.1270/jsbbs.65.53
  • Гавриленко Т.А., Ермишин А.П. Межвидовая гибридизация картофеля: теоретические и прикладные аспекты. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2017, 21(1): 16-29 ( ) DOI: 10.18699/VJ17.220
  • Gebhardt C., Bellin D., Henselewski H., Lehmann W., Schwarzfischer J., Valkonen J.P.T. Marker-assisted combination of major genes for pathogen resistance in potato. Theoretical and Applied Genetics, 2006, 112: 1458-1464 ( ) DOI: 10.1007/s00122-006-0248-8
  • Tan M.Y.A., Hutten R.C.B., Visser R.G.F., van Eck H.J. The effect of pyramiding Phytophthora infestans resistance genes RPi-mcd1 and RPi-ber in potato. Theoretical and Applied Genetics, 2010, 121: 117-125 ( ) DOI: 10.1007/s00122-010-1295-8
  • Фадина О.А., Бекетова М.П., Соколова Е.А., Кузнецова М.А., Смета-нина Т.И., Рогозина Е.В., Хавкин Э.Е. Упреждающая селекция: использование молекулярных маркеров при создании доноров устойчивости картофеля (Solanum tuberosum L.) к фитофторозу на основе сложных межвидовых гибридов. Сельскохозяйственная биология, 2017, 52(1): 84-94 ( ) DOI: 10.15389/agrobiology.2017.1.84rus
  • Haverkort A.J., Struik P.C., Visser R.G.F., Jacobsen E. Applied biotechnology to combat late blight in potato caused by Phytophthora infestans. Potato Research, 2009, 52: 249-264 ( ) DOI: 10.1007/s11540-009-9136-3
  • Ross H. Potato breeding -problems and perspectives. Advances in Plant Breeding (Supplements to Journal of Plant Breeding). V. 13. Paul Parey, Berlin-Hamburg, 1986.
  • Dionne L.A. Sterility in Solanum demissum. American Potato Journal, 1961, 38: 117-120 ( ) DOI: 10.1007/s11540-011-9196-z
  • Song Y.S., Schwarzfischer A. Development of STS markers for selection of extreme resistance (Rysto) to PVY and maternal pedigree analysis of extremely resistant cultivars. American Journal of Potato Research, 2008, 85: 159-170 ( ) DOI: 10.1007/s12230-008-9012-8
  • Hosaka K., Sanetomo R. Development of a rapid identification method for potato cytoplasm and its use for evaluating Japanese collections. Theoretical and Applied Genetics, 2012, 125: 1237-1251 ( ) DOI: 10.1007/s00122-012-1909-4
  • Loessl A., Götz M., Brbaun A., Wenzel G. Molecular markers for cytoplasm in potato: male sterility and contribution of different plastid-mitochondrial configurations to starch production. Euphytica, 2000, 116: 221-230 ( ) DOI: 10.1023/A:1004039320227
  • Sanetomo R., Gebhardt C. Cytoplasmic genome types of European potatoes and their effects on complex agronomic traits. BMC Plant Biology, 2015, 15: 162 ( ) DOI: 10.1186/s12870-015-0545-y
  • Sanetomo R, Hosaka K. A maternally inherited DNA marker, descended from Solanum demissum (2n = 6x = 72) to S. tuberosum (2n = 4½ = 48). Breeding Science, 2011, 61: 426-434 ( ) DOI: 10.1270/jsbbs.61.426
  • Зотеева Н.М., Хжановска М., Евстратова Л.П., Фасулати С.Р., Юсу-пов Т.М. Устойчивость образцов диких видов картофеля к болезням и вредителям. Каталог мировой коллекции ВИР/Под ред. Л.И. Костиной. СПб, 2004.
  • Zoteyeva N., Chrzanowska M., Flis B., Zimnoch-Guzowska E. Resistance to pathogens of the potato accessions from the collection of N.I. Vavilov Institute of Plant Industry (VIR). American Journal of Potato Research, 2012, 89: 277-293 ( ) DOI: 10.1007/s12230-012-9252-5
  • Zoteyeva N., Carlson-Nilsson U., Bengtsson T., Olsson K., Ortiz R. Late blight and virus host-plant resistances, crossing ability and glycoalkaloids in Nordic potato germplasm. Acta Agriculturae Scandinavica, Section B, Soil and Plant Science, 2017, 67(7): 628-636 ( ) DOI: 10.1080/09064710.2017.1324042
  • Zoteyeva N., Mezaka I., Vilcâne D., Carlson-Nilsson U., Skrabule I., Rostoks N. Assessment of genes R1 and R3 conferring resistance to late blight and of gene Rysto conferring resistance to potato virus Y in two wild species accessions and their hybrid progenies. Proceedings of the Latvian Academy of Sciences, Section B, 2014, 68(3/4): 133-141 ( ) DOI: 10.2478/prolas-2014-0015
  • Zoteyeva N.М. Expression of resistance to Phytophthora infestans in climatic chamber-, screenhouse-and field-grown wild potato species in a detached leaflet assay. Plant Breeding and Seed Science, 2004, 50: 129-135.
  • Ali A., Moushib L.I., Lenman M., Levander F., Olsson K., Carlson-Nilson U., Zoteyeva N., Liljeroth E., Andreasson E. Paranoid potato: phytophthora-resistant genotype shows constitutively activated defense. Plant Signaling & Behavior, 2012, 7(3): 1-9 ( ) DOI: 10.4161/psb.19149
  • Lenman M., Ali A., Muhlenbock P., Carlson-Nilsson U., Liljeroth E., Cham-pouret N., Vleeshouwers V.G., Andreasson E. Effector-driven marker development and cloning of resistance genes against Phytophthora infestans in potato breeding clone SW93-1015. Theoretical and Applied Genetics, 2016, 129(1): 105-115 ( ) DOI: 10.1007/s00122-015-2613-y
  • Zoteyeva N.М. Wild potato species from the VIR collection as source of resistance to late blight. In: Potato global research and development. V. 1/S.M. Khurana, G.S. Shekhewat, B.P. Singh, S.K. Pandey (eds.). Indian Potato Association, Shimla, 2000: 556-560.
  • Zoteyeva N.M., Carlson-Nilsson U.B. Pre-breeding focused on late blight resistance utilizing a diverse potato germplasm. Proc. European Plant Genetic Resources Conference «Pre-breeding -fishing in the gene pool»/R. Ortiz (ed.). NordGen, SLU, Alnarp, Sweden, 2013.
  • Зотеева Н.М. Фитофтороустойчивость образцов мексиканских диких видов картофеля и их гибридов к трем изолятам Phytophthora infestans. Вестник защиты растений, 2016, 3(89): 72-73.
  • Gavrilenko T., Antonova O., Shuvalova A., Krylova E., Alpatyeva N., Spooner D., Novikova L. Genetic diversity and origin of cultivated potatoes based on plastid microsatellite polymorphism. Genetic Resources and Crop Evolution, 2013, 60(7): 1997-2015 ( ) DOI: 10.1007/s10722-013-9968-1
  • Valkonen J.T.P., Wiegmann K., Hämäläinen J.H., Marczewaski W., Watanabe K.N. Evidence for utility of the same PCR-base markers for selection of extreme resistance to Potato virus Y controlled by Rysto of Solanum stoloniferum derived from different sources. Annals of Applied Biology, 2008, 152: 121-130 ( ) DOI: 10.1111/j.1744-7348.2007.00194.x
  • Kasai K., Morikawa Y., Sorri V.A., Valkonen J.P.T., Gebhardt C., Watanabe K.N. Development of SCAR markers to the PVY resistance gene Ryadg based on a common feature of plant disease resistance genes. Genome, 2000, 43: 1-8 ( ) DOI: 10.1139/g99-092
  • Wang M., Allefs S., van der Berg R., Vleeshouwers V.G.A.A., van der Vossen E.A.G., Vosman B. Allele mining in Solanum: conserved homologues of Rpi-blb1 are identified in Solanum stoloniferum. Theoretical and Applied Genetics, 2008, 116: 933-943 ( ) DOI: 10.1007/s00122-008-0725-3
  • Zhu S., Li Y., Vossen J., Visser R.F., Jacobsen E. Functional stacking of three resistance genes against Phytophthora infestans in potato. Transgenic Research, 2012, 21: 89-99 ( ) DOI: 10.1007/s11248-011-9510-1
  • Sokolova E., Pankin A., Beketova M., Kuznetsova M., Spiglazova S., Rogozina E., Yashina I., Khavkin E. SCAR markers of the R-genes and germplasm of wild Solanum species for breeding late blight-resistant potato cultivars. Plant Genetic Resources: Characterization and Utilization, 2011, 9(2): 309-312 ( ) DOI: 10.1017/S1479262111000347
  • Huang S., van der Vossen E.A.G., Kuang H., Vleeshouwers V.G.A.A., Zhang N., Borm T.J.A., van Eck H.J., Baker B., Jacobsen E., Visser R.G.F. Comparative genomics enabled the isolation of the R3a late blight resistance gene in potato. The Plant Journal, 2005, 42: 251-261 ( ) DOI: 10.1111/j.1365-313X.2005.02365.x
  • Schultz L., Cogan N.О.I., McLean K., Dale M.F.B., Bryan G.J., Forster J.N.W., Slater A.T. Evaluation and implementation of a potential diagnostic molecular marker for H1-conferred potato cyst nematode resistance in potato (Solanum tuberosum L.). Plant Breeding, 2012, 131: 315-321 ( ) DOI: 10.1111/j.1439-0523.2012.01949.x
  • Johnston S.A., den Nijs T.P.M., Peloquin S.J., Hanneman R.E. Jr. The significance of genic balance to endosperm development in interspecific crosses. Theoretical and Applied Genetics, 1980, 57: 5-9 ( ) DOI: 10.1007/BF00276002
  • Heldák J., Bežo M., Štefúnová V., Galliková A. Selection of DNA markers for detection of extreme resistance to Potato virus Y in tetraploid potato (Solanum tuberosum L.) F1 progenies. Czech Journal of Genetics and Plant Breeding, 2007, 43(4): 125-134.
  • Loessl A., Adler N., Horn R., Frei U., Wenzel G. Chondriome-type characterization of potato: mt alpha, beta, gamma, delta, epsilon and novel plastid-mitochondrial configurations in somatic hybrids. Theoretical and Applied Genetics, 1999, 99: 1-10.
  • van der Vossen E., Sikkema A., Hekkert B.L., Gros J., Stevens P., Muskens M., Wouters D., Pereira A., Stiekema W., Allefs S. An ancient R gene from the wild potato species Solanum bulbocastanum confers broad spectrum resistance to Phytophthora infestans in cultivated potato and tomato. Plant Journal, 2003, 36: 867-882 ( ) DOI: 10.1046/j.1365-313X.2003.01934.x
  • Vleeshouwers V.G.A.A., Rietman H., Krenek P., Champouret N., Young C., Oh S.K., Wang M., Bouwmeester K., Vosman B., Visser R.G.F., Jacobsen E., Govers F., Kamoun S., van der Vossen E.A.G. Effector genomics accelerates discovery and functional profiling of potato disease resistance and Phytophthora infestans avirulence genes. PLoS ONE, 2008, 3(8): e2875 ( ) DOI: 10.1371/journal.pone.0002875
  • Alpizar L.G., Carbone I., Ristaino J.B. An Andean origin of Phytophthora infestans inferred from mitochondrial and nuclear gene genealogies. PNAS, 2007, 104(9): 3306-3311 ( ) DOI: 10.1073/pnas.0611479104
  • Åsman A.K.M., Vetukuri R.R., Jahan S.N., Fogelqvist J., Оrcoran P., Avrova A.O., Whisson S.C., Dixelius C. Fragmentation of tRNA in Phytophthora infestans asexual life cycle stages and during host plant infection. BMC Microbiology, 2014, 14: 308 ( ) DOI: 10.1186/s12866-014-0308-1
  • Rietman H., Bijsterbosch G., Cano L.M., Lee H.R., Vossen J.H., Jacobsen E., Visser R.G.F., Kamoun S., Vleeshouwers V.G.A.A. Qualitative and quantitative late blight resistance in the potato cultivar Sarpo Mira is determined by the perception of five distinct RXLR effectors. MPMI, 2012, 25(7): 910-919 (doi: 10.1094/MPMI -01-12-0010-R).
  • Vossen J.H., van Arkel G., Bergervoet M., Jo K.R., Jacobsen E., Visser R.G.F. The Solanum demissum R8 late blight resistance gene is a Sw-5 homologue that has been deployed worldwide in late blight resistant varieties. Theoretical and Applied Genetics, 2016, 129(9): 1785-1796 ( ) DOI: 10.1007/s00122-016-2740-0
  • Анисимова И.Н., Гавриленко Т.А. Цитоплазматическая мужская стерильность и перспективы ее использования в селекционно-генетических исследованиях и семеноводстве картофеля. Вавиловский журнал генетики и селекции, 2017, 21(1): 83-95 ( ) DOI: 10.18699/VJ17.226
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp