Методы и способы исследований для решения задач селекции земляники садоводства (аналитический обзор)

Введение. Необходимость совершенствования сортимента для конкретных задач и способов производства обусловливает поиск новых и развитие существующих способов изучения селекционных ресурсов растений, а также методов расширения генетической базы, используемой для выведения сортов.

Земляника садовая является наиболее распространенной и возделываемой ягодной культурой. Направления формирования сортимента земляники зависят от целей производства (для свежего потребления, переработки, включая заморозку, нутрицевтического и функционального питания, получения сырья (пищевые добавки, косметология, фармакология)), от способов производства (интенсивное, органическое, биологизированное).

Уровень развития теоретических исследований в области генетики количественных признаков, методов изучения взаимосвязей морфобиологического, физиолого-биохимического и генетического характера в растении, методов оценки биометрических данных позволяет значительно ускорить селекционный процесс, повысить его эффективность.

Методы классической селекции остаются основным инструментом расширения сортимента сельскохозяйственных культур и увеличения генетического разнообразия селекционного материала [1].

Повышение эффективности селекционного процесса осуществляется совершенствованием существующих методических подходов и разработкой новых приемов, построением рациональной модели сорта по заданным параметрам, совершенствованием селекционных технологий и методов математической обработки данных [2].

В селекции земляники садовой основная доля исследований приходится на классические методы с использованием современных способов анализа генома, изучения метаболомного профиля, а также статистической обработки биометрических данных.

Цель исследования: изучить современные методы и способы исследований, применяемые для решения задач селекции земляники садовой.

Результаты исследования. Основным методом получения новых сортов земляники садовой является внутривидовая гибридизация. Постоянно обновляющийся мировой сортимент культуры насчитывает около 15 тыс. сортообраз-цов, линий и форм [3]. Высокий уровень плоид-ности (8 × ), полигенное наследование хозяйственно ценных признаков у Fragaria × ananassa Duch. ( 2n = 56 ) усложняет осуществление генетического контроля при планировании селекционных программ, вместе с тем обеспечивает достаточную изменчивость и, как следствие, выведение сортов с новым уровнем проявления признаков [4–6].

Наиболее результативными при внутривидовой гибридизации являются комбинации при использовании родительских исходных форм с

Агрономия максимальными генотипическими различиями [7, 8], обеспечивающими наибольшее варьирование признаков, что повышает эффективность отбора [5]. Учитывая общность происхождения большинства сортов земляники садовой ( Fragaria virginiana × Fragaria chiloensis ) [9, 10], узкую генетическую базу вида F. × ananassa Duch. [11], важно оценить степень генетического сходства родительских форм [12]. Кластерный анализ является эффективным методом оценки генетических образцов при подборе родительских пар для скрещивания [13].

На подготовительном этапе селекции важна разработка модели будущего сорта, которая обосновывается теоретически и используется при проведении отбора в гибридных семьях [14]. Для ускорения селекции важно как можно раньше проанализировать большой объем биометрических данных, полученных в результате изучения как исходных родительских форм, так и гибридов. Исследователи сообщают об эффективности проведения отбора перспективных образцов по комплексу хозяйственно ценных признаков с помощью кластерного анализа [8], а также с использованием многомерной математической статистики при оценке влияния взаимодействия генотип – среда на проявление хозяйственно ценных признаков продуктивности и качества плодов [15]. Большое значение при включении в селекционную программу исходных родительских форм имеет подтверждение их донорских качеств.

Для оценки разнообразия и характеристики сходств и различий между индивидами применимы различные маркерные системы на морфологическом, физиологическом и ДНК-уровнях. Каждая из этих систем имеет свои особенности в отношении количества доступных маркеров, полиморфизма каждого маркера, способа наследования или геномного расположения маркеров. На получение объективных оценок изучаемого генетического разнообразия в популяции влияет выбор используемой маркерной системы, а также статистические методы, применяемые для обработки полученных данных [16].

Земляника садовая является сложным объектом для генетических исследований из-за высокого уровня плоидности [17]. Международный консорциум выбрал F. vesca (2n = 2x = 14) для секвенирования в качестве геномного эталона для рода Fragaria. По сообщениям научного из- дания Nature Genetics две независимых международных группы ученых расшифровали геном дикой земляники (Fragaria vesca), который содержит 34 809 единиц генов. Были идентифицированы гены, имеющие определяющее значение для селекции ценных признаков, таких как вкус, питательная ценность, устойчивость к болезням и время цветения [18]. Молекулярные маркеры активно используются для выявления ДНК-полиморфизма, генетического разнообразия и популяционной структуры набора зародышевой плазмы у различных видов, включая F. × ana-nassa Duch. [19].

Большое значение использование молекулярных маркеров имеет в развитии исследований по генетике и селекции устойчивых к различным патогенам генотипов как при выявлении источников для скрещиваний, так и в понимании механизмов выработки защитных реакций. С применением метода молекулярного маркирования у земляники садовой выявлены перспективные источники устойчивости к Colletot-richum acutatum Simmonds по оценке аллельного состояния гена Rca2 : Aïko, Dover, Salinas, Scott, Seascape, Soquel, обладающие гомозиготной резистентностью, Laetitia [20, 21]. Оценка устойчивости сортов земляники садовой к Verticillium dahliae Kleb с помощью ДНК-маркирования способствовала выявлению высокоустойчивого сорта Tristar [22]. Van de Weg W. E. (1997) в своих исследованиях устойчивости F. × ananassa Duch. к Phytophthora fragariae определил механизм взаимодействия растения и патогена как модель взаимодействующих сопротивлений «ген-за-геном» (R1 – R5), которая учитывает расовую специфику патогена и взаимодействующие факторы резистентности растений [23]. Активно ведутся работы по изучению механизма устойчивости земляники к Botrytis cinerea с применением ДНК-анализа патогена [24] и исследования экспрессии генов, влияющих на выработку белков устойчивости к патогену у растений [25].

Молекулярное маркирование эффективно при наличии знаний о гене, контролирующем проявление признака, месте его нахождения в геноме, а также о маркерах, тесно сцепленных с ним. Исследования, предшествующие использованию ДНК-маркеров, объемны и продолжительны. Для отбора по признакам, имеющим сложный полигенный контроль, эффективен метод геномной селекции, при котором не тре- буются знания о генах, влияющих на признаки, что исключает необходимость многолетних генетических исследований, предшествующих селекционному процессу [26]. Вместе с тем в генетике количественных признаков и селекции растений по-прежнему применяют различные модели биометрико-генетического анализа парного несходства генотипов [27].

Наряду с генетическими исследованиями для изучения селекционных ресурсов растений применяются различные способы биохимического анализа, позволяющие выделить источники ценных признаков для использования в селекции. Особое значение в связи с развитием направления нутрицевтического и функционального питания уделяется изучению содержания биологически-активных веществ (БАВ), среди которых у сортов земляники садовой выделяется антиоксидантная активность, а именно содержание антоцианов [28–30].

Антоцианы – самая большая группа водорастворимых пигментов в растительном царстве. Было описано около 30 антоциановых агликонов (антоцианидинов), различающихся по характеру гидроксилирования/метоксилирования, хотя в природе широко распространены только шесть: пеларгонидин, цианидин, дельфинидин, пеонидин, петунидин и мальвидин [31].

В качестве источников высокого содержания антоцианов в плодах земляники различными исследователями выделяются сорта: Camarosa, Ofra, Chandler, Elista, Festival, Dana, Fortuna [32, 33], Фейерверк, Рубиновый Кулон, Зенга Зен-гана, Привлекательная, Лакомая, Памяти Зубова, Флора, Торпеда [34–36].

Для расширения генетической базы вида F. × ananassa Duch. на протяжении всего периода селекции земляники садовой, а в последнее время наиболее активно, изучаются и вовлекаются в селекционный процесс и другие виды рода Fragaria L. Morales-Quintana L., Ramos P. (2019) сообщают о более высокой устойчивости F. chiloensis к Botrytis cinerea, а также о большей ароматичности плодов и высокой ценности чилийской земляники как источника БАВ и витаминов по сравнению с F. × ananassa [37]. В работе Luo G., Xue L., Guo R., Ding Y., Xu W., Lei J. показана возможность создания более холодостойких растений у гибридов F. × ananassa × F. orientalis (–19,9…–22,4 °С), F. × ananassa × F. moschata (–22,1…–22,9 °С) и F. × ananassa × F. viridis (–19,9…–20,1 °С), а также плодов с по- вышенной ароматичностью [38]. Вовлечение в скрещивание F. virginiana glauca способствовало получению гибридов с высоким содержанием фенолов и антоцианов в плодах [39].

Ряд исследовательских работ по улучшению сортов земляники садовой посвящен увеличению плоидности у известных видов. До недавнего времени считалось, что наибольшим уровнем плоидности у Fragaria L. обладают октоплоид-ные виды. В 2009 г. по сообщениям K.E. Hummer, P. Nathewet, T. Yanagi методом проточной цитометрии установлен факт декаплодности у F. iturupensis (2 n = 10 x = 70) (по результатам изучения образца, обнаруженного на горе Ацу-нупури) [40].

Развитие молекулярной генетики, а именно технологий геномики, позволяет решить проблему генетической нестабильности, используя гибридное видообразование при получении новых форм. Для создания новой зародышевой плазмы с улучшенной холодостойкостью от скрещивания F. × ananassa (8 x ) и индуцированного колхицином тетраплоида (4 x ) F. vesca был получен фертильный гексаплоидный гибрид (6 x ) и отобран декаплоидный (10 x ) сорт Florika с высокой зимостойкостью и ароматичностью плодов [38]. Повышенной холодостойкостью отличается декап-лоидный сорт Tokun (10 x ), использование которого в качестве родительской формы в скрещивании с октоплоидными сортами способствовало получению жизнеспособных холодостойких гибридов, в том числе декаплоидов [41].

С начала получения первого трансгенного растения земляники садовой (1990 г.) открылись новые перспективы улучшения генома Fragaria × ananassa Duch. [42]. Технологии генетической модификации, при которых одиночные генные вставки вносятся для передачи определенных признаков, не встречающихся в природе у данного вида сельскохозяйственных культур, имеют большой потенциал для селекции на устойчивость к болезням и вредителям, а также толерантности к гербицидам. Однако эта методика в настоящее время имеет ограниченное применение для селекции сложных количественных признаков, которая включает в себя урожайность и многие формы абиотической стрессо-устойчивости [43].

Вместе с тем опыты по модифицированию генома земляники проводятся. Так, китайскими учеными установлено, что трансгенная линия земляники садовой rd29A:RdreB1BI (Fragaria × ananassa Duch. cv. Benihope) отличалась большей морозоустойчивостью, чем нетрансгенная. Предполагается, что ген RdreB1BI повышает фотосинтез и накопление белка, связанного с защитой, для повышения устойчивости растений к холоду [44, 45]. У трансгенных линий земляники садовой, в которые был введен ген осмотина Nicotiana tabacum, отмечена повышенная способность расти при длительном воздействии NaCl, что может обеспечить значительный прирост урожая в районах, подверженных засолению [46].

Исследователи сообщают о положительных результатах при ингибировании инсектицидного гена протеазы трипсина cowpea ( Vigna unguiculata ) ( CpTi ) в геном земляники с целью повышения устойчивости растений к вредителям [47]. Выявлена повышенная устойчивость к Verticillium dahlia у трансгенных растений земляники сорта Joliette, экспрессирующих ген хитиназы Lycopersicon chilense [48].

Применение технологии редактирования CRISPR/Cas9 на сорте октоплоидной земляники Ningyu позволило выделить линии с отсутствием антоциановой окраски для получения белых ягод [50].

Приведенные примеры свидетельствуют о том, что генная инженерия и биотехнология все чаще используются для расширения селекционной базы земляники садовой.

Выводы

• 1.    Классические методы селекции (внутривидовая и межвидовая гибридизация, полиплоидия) продолжают занимать лидирующие позиции при создании сортимента земляники садовой для различных целей.

• 2.    При оценке исходных форм, а также отборных форм – кандидатов в новые сорта эффективно использование молекулярных маркеров (составление ДНК-паспортов коллекционных образцов, подтверждение донорских качеств – наличие определенного гена или группы генов); биохимических исследований (выявление метаболомного профиля); кластерного анализа полученной совокупности биометрических данных.

• 3.    Указанные способы изучения и оценки биологического материала повышают эффективность селекционного процесса как по отдельности, так и при различном сочетании между собой.

• 4.    Для расширения генетической базы вида F. × ananassa Duch. и значимого повышения уровня хозяйственно ценных признаков целесообразно привлекать другие виды рода Fragaria L. различного уровня плоидности, использовать межплоидную гибридизацию.

• 5.    Генетическая модификация земляники садовой в перспективе развития механизмов эффективной системы регенерации и трансформации, обеспечивающей протокол отбора и восстановления генетически модифицированных растений после переноса генов, а также стабилизации уровня экспрессии генов в трансгенных растениях облегчит процесс создания сортов с ценными признаками устойчивости к абиотическим и биотическим стрессорам, высоким уровнем содержания ценных биохимических компонентов.