Упреждающая селекция: использование молекулярных маркеров при создании доноров устойчивости картофеля (Solanum tuberosum L.) к фитофторозу на основе сложных межвидовых гибридов

Упреждающая селекция: использование молекулярных маркеров при создании доноров устойчивости картофеля (Solanum tuberosum L.) к фитофторозу на основе сложных межвидовых гибридов

Автор: Фадина О.А., Бекетова М.П., Соколова Е.А., Кузнецова М.А., Сметанина Т.И., Рогозина Е.В., Хавкин Э.Е.

Журнал: Сельскохозяйственная биология @agrobiology

Рубрика: Картофелеводство: наука и технологии

Статья в выпуске: 1 т.52, 2017 года.

Бесплатный доступ

Наиболее серьезной агрономической и экономической проблемой картофелеводства остается фитофтороз, вызываемый оомицетом Phytophthora infestans Mont. de Bary. Уникальная скорость эволюции этого патогена и его миграция - основные препятствия при создании сортов картофеля с долговременной устойчивостью к фитофторозу. Лучший способ противостоять такой угрозе - это упреждающая селекция на основе доноров, которые несут гены устойчивости к широкому спектру рас возбудителя. Объединение несколько генов устойчивости к фитофторозу в одном растении (пирамидирование генов) делает устойчивость долговременной. Наиболее перспективным подходом при получении таких доноров служит интрогрессивная селекция, то есть создание межвидовых гибридов картофеля с генами устойчивости, перенесенными из его дикорастущих сородичей - клубненосных видов Solanum L. Молекулярные маркеры, позволяющие надежно различать гены устойчивости разной специфичности и эффективно контролировать их перенос в процессах скрещивания и отбора, резко повышают эффективность интрогрессивной селекции на устойчивость к фитофторозу. Мы исследовали 39 сложных гибридов, которые были получены во Всероссийском НИИ картофельного хозяйства им. А.Г. Лорха (Московская обл.), Всероссийском институте генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (г. Санкт-Петербург) и Всероссийском НИИ защиты растений (г. Санкт-Петербург) с участием 16 клубненосных видов Solanum и поддерживаются в виде клонов. Каждый из этих клонов несет генетический материал, полученный от 2-8 дикорастущих видов - источников устойчивости к фитофторозу. Большинство клонов из года в год проявляют высокую устойчивость к фитофторозу в полевых испытаниях в условиях естественного заражения и в лабораторных исследованиях при инфицировании отделенных листьев высоковирулентным и агрессивным изолятом P. infestans. SCAR (sequence-characterized amplified region) маркеры, которые представляют собой фрагменты R генов расоспецифичной (вертикальной) устойчивости к фитофторозу, найденных у различных видов Solanum, были использованы для изучения клонов межвидовых гибридов. С устойчивостью клонов к фитофторозу сопоставили сведения о присутствии SCAR маркеров шести R генов - R1 (5-я хромосома), R2 / Rpi-blb3 (4-я хромосома), R3a и R3b (11-я хромосома), RB / Rpi-blb1 = Rpi-sto1 (8-я хромосома) и Rpi-vnt1.3 (9-я хромосома). Сравнение показателей у клонов межвидовых гибридов и сортов картофеля, не содержащих маркеров R генов, свидетельствует о значимом вкладе R генов в общую устойчивость растений картофеля к фитофторозу. При этом увеличение числа маркеров R генов в одном растении сопровождалось существенным повышением устойчивости к фитофторозу. Можно ожидать, что применение молекулярных маркеров для пирамидирования R генов в процессе гибридизации обеспечит направленную интрогрессивную селекцию и ускорит получение сортов картофеля с долговременной устойчивостью к фитофторозу, которые будут способны сохранять продуктивность даже при значительных изменениях в популяциях P. infestans.

Еще

Фитофтороз картофеля, межвидовые гибриды картофеля, клоновые коллекции, интрогрессивная селекция, r гены устойчивости к фитофторозу, avr гены p. infestans

Короткий адрес: https://sciup.org/142214017

IDR: 142214017   |   DOI: 10.15389/agrobiology.2017.1.84rus

Список литературы Упреждающая селекция: использование молекулярных маркеров при создании доноров устойчивости картофеля (Solanum tuberosum L.) к фитофторозу на основе сложных межвидовых гибридов

  • Haverkort A.J., Boonekamp P.M., Hutten R., Jacobsen E., Lotz L.A.P., Kessel G.J.T., Vossen J.H., Visser R.G.F. Durable late blight resistance in potato through dynamic varieties obtained by cisgenesis: Scientific and societal advances in the DuRPh project. Potato Res., 2016, 59(1): 35-66 ( ) DOI: 10.1007/s11540-015-9312-6
  • Cooke D., Cano L., Raffaele S., Bain R., Cooke L., Etherington G.J., Deahl K.L., Farrer R.A., Gilroy E.M., Goss E.M., Grữnwald N.J., Hein I., MacLean D., McNicol J.W., Randall E., Oliva R.F., Pel M.A., Shaw D.S., Squires J.N., Taylor M.C., Vleeshouwers V.G., Birch P.R., Lees A.K., Kamoun S. Genome analyses of an aggressive and invasive lineage of the Irish potato famine pathogen. PLoS Pathol., 2012, 8(10): e1002940 ( ) DOI: 10.1371/journal.ppat.1002940
  • Fry W.E. Phytophthora infestans: New tools (and old ones) lead to new understanding and precision management. Annu. Rev. Phytopathol., 2016, 54: 529-547 ( ) DOI: 10.1146/annurev-phyto-080615-095951
  • Lees A.K., Stewart J.A., Lynott J.S., Carnegie S.F., Campbell H., Roberts A.M. The effect of a dominant Phytophthora infestans genotype (13_A2) in Great Britain on host resistance to foliar late blight in commercial potato cultivars. Potato Res., 2012, 55(2): 125-134 ( ) DOI: 10.1007/s11540-012-9214-9
  • Śliwka J., Zimnoch-Guzowska E. Resistance to late blight in potato. In: Translational genomics for crop breeding: biotic stress/R.K. Varshney, R. Tuberosa (eds.). John Wiley & Sons Ltd, Chichester, UK, 2013, V. 1: 221-240 ( ) DOI: 10.1002/9781118728475.ch12
  • Ross H. Potato breeding: problems and perspectives. Paul Parey, Berlin, 1986.
  • Bradshaw J. Potato breeding at the Scottish Plant Breeding Station and the Scottish Crop Research Institute: 1920-2008. Potato Res., 2009, 52(2): 141-172 ( ) DOI: 10.1007/s11540-009-9126-5
  • Wastie R.L. Breeding for resistance. Adv. Plant Pathol., 1991, 7: 193-224.
  • Колобаев В.А. Принципы и методы создания высокоэффективных доноров горизонтальной устойчивости картофеля к фитофторозу. СПб, 2001.
  • Яшина И.М., Прохорова О.А., Кукушкина Л.Н. Оценка гибридных популяций картофеля для использования в селекции на полевую устойчивость к фитофторозу. Достижения науки и техники АПК, 2010, 12: 17-21.
  • Danan S., Veyrieras J.-B., Lefebvre V. Construction of a potato consensus map and QTL meta-analysis offer new insights into the genetic architecture of late blight resistance and plant maturity traits. BMC Plant Biol., 2011, 11: 16 ( ) DOI: 10.1186/1471-2229-11-16
  • Gebhardt C. Bridging the gap between genome analysis and precision breeding in potato. Trends Genet., 2013, 29(4): 248-256 ( ) DOI: 10.1016/j.tig.2012.11.006
  • Будин К.З. Внутривидовая изменчивость и генцентры формирования фитофтороустойчивых видов рода Solanum секции Petota. Сельскохозяйственная биология, 1999, 5: 9-14.
  • Будин К.З. Генетические основы создания доноров картофеля. СПб, 1997.
  • Рогозина Е.В., Хавкин Э.Е., Соколова Е.А., Кузнецова М.А., Гавриленко Т.А., Лиманцева Л.А., Бирюкова В.А., Чалая Н.А., Джонс Р.В., Дил К.Л. Клоновая коллекция диких клубненосных видов и межвидовых гибридов картофеля, изученная фитопатологическим методом и с помощью ДНК-маркеров. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции (ВИР), 2013, 174: 23-32.
  • Кузнецова М.А., Прохорова О.А., Рогожин А.Н., Сметанина Т.И., Хавкин Э.Е., Яшина И.М. Способ отбора гибридов картофеля с высокой полевой устойчивостью к фитофторозу. Патент RU № 2560725 C2, 2015. Дата приоритета 29.04.2013.
  • Khavkin E.E., Fadina O.A., Sokolova E.A., Beketova M.P., Drobyazina P.E., Rogozina E.V., Kuznetsova M.A., Yashina I.M., Jones R.W., Deahl K.L. Pyramiding R genes: genomic and genetic profiles of interspecific potato hybrids and their progenitors. In: PPO-Special Report no. 16/H.T.A.M. Schepers (ed.). Wageningen, 2014: 215-220.
  • Black W., Mastenbroek C., Mills W.R., Peterson L.C. A proposal for an international nomenclature of races of Phytophthora infestans and of genes controlling immunity in Solanum demissum derivatives. Euphytica, 1953, 2(3): 173-179 ( ) DOI: 10.1007/BF00053724
  • Kim H.-J., Lee H.-R., Jo K.-R., Mortazavian S.M.M., Huigen D.J., Evenhuis B., Kessel G., Visser R.G.F., Jacobsen E., Vossen J.H. Broad spectrum of late blight resistance in potato differential set plants MaR8 and MaR9 is conferred by multiple stacked R genes. Theor. Appl. Genet., 2012, 124(5): 923-935 ( ) DOI: 10.1007/s00122-011-1757-7
  • Pankin A., Kinash E., Rogozina E., Kozlovskaya I., Kuznetsova M., Khavkin E. Are simple Phytophthora infestans races that simple? In: PPO-Special Report. Wageningen, 2012, V. 15: 205-211.
  • Zhu S., Vossen J.H., Bergervoet M., Nijenhuis M., Kodde L., Kessel G.J.T., Vleeshouwers V., Visser R.G.F., Jacobsen E. An updated conventional and a novel GM potato late blight R gene differential set for virulence monitoring of Phytophthora infestans. Euphytica, 2015, 202(2): 219-234 ( ) DOI: 10.1007/s10681-014-1276-0
  • Du J., Vleeshouwers V.G. The do’s and don’ts of effectoromics. In: Plant-pathogen interactions: methods and protocols/P. Birch, J. Jones, J. Bos (eds.). Springer, NY, 2014: 257-268 ( ) DOI: 10.1007/978-1-62703-986-4_19
  • Kuznetsova M.A., Spiglazova S.Yu., Rogozhin A.N., Smetanina T.I., Filippov A.V. New approaches for measuring potato susceptibility to Phytophthora infestans. In: PPO-Special Report no. 16/H.T.A.M. Schepers (ed.). Wageningen, 2014: 223-232.
  • 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, 2011, 9(2): 309-312 ( ) DOI: 10.1017/S1479262111000347
  • Orłowska E., Llorente B., Cvitanich C. Plant integrity: an important factor in plant-pathogen interactions. Plant Signal. Behav., 2013, 8(1): e22513 ( ) DOI: 10.4161/psb.22513
  • Sokolova E.A., Fadina O.A., Khavkin E.E., Rogozina E.V., Kuznetsova M.A., Jones R.W., Deahl K.L. Structural homologues of CC-NBS-LRR genes for potato late blight resistance in wild Solanum species. In: PPO-Special Report no. 16/H.T.A.M. Schep-ers (ed.). Wageningen, 2014: 247-253.
  • Wang M., Allefs S., van den Berg R.G., Vleeshouwers V.G., van der Vossen E.A., Vosman B. Allele mining in Solanum: conserved homologues of Rpi-blb1 are identified in Solanum stoloniferum. Theor. Appl. Genet., 2008, 116(7): 933-943 ( ) DOI: 10.1007/s00122-008-0725-3
  • Haesaert G., Vossen J.H., Custers R., de Loose M., Haverkort A., Heremans B., Hutten R., Kessel G., Landschoot S., Van Droogenbroeck B., Visser R.G.F., Gheysen G. Transformation of the potato variety Desiree with single or multiple resistance genes increases resistance to late blight under field conditions. Crop Protect., 2015, 77, 163-175 ( ) DOI: 10.1016/j.cropro.2015.07.018
  • Rietman H., Bijsterbosch G., Cano L.M., Lee H.R., Vossen J.H., Jacobsen E., Visser R.G., Kamoun S., Vleeshouwers V.G. Qualitative and quantitative late blight resistance in the potato cultivar Sarpo Mira is determined by the perception of five distinct RXLR effectors. Mol. Plant-Microbe Interact., 2012, 25(7): 910-919 ( ) DOI: 10.1094/MPMI-01-12-0010-R
  • Pel M.A., Foster S.J., Park T.H., Rietman H., van Arkel G., Jones J.D., Van Eck H.J., Jacobsen E., Visser R.G.F., Van der Vossen E.A. Mapping and cloning of late blight resistance genes from Solanum venturii using an interspecific candidate gene approach. Mol. Plant-Microbe Interact., 2009, 22(5): 601-615 ( ) DOI: 10.1094/MPMI-22-5-0601
  • Beketova M., Pankin A., Sokolova E., Rogozina E., Kuznetsova M., Khavkin E. Two orthologues of late blight resistance gene R1 in wild Solanum species and derived potato varieties and hybrids. In: PPO-Special Report no. 17/H.T.A.M. Schepers (ed.). Wageningen, 2015: 213-220.
  • Rietman H. Putting the Phytophthora infestans genome sequence at work; multiple novel avirulence and potato resistance gene candidates revealed. PhD thesis. Wageningen University, Wageningen, 2011.
  • Fadina O.A., Beketova M.P., Belyantseva T.V., Kuznetsova M.A., Rogozina E.V., Khavkin E.E. Marker profiles of late blight resistance genes in complex interspecific potato hybrids. In: PPO-Special Report no. 17/H.T.A.M. Schepers (ed.). Wageningen, 2015: 195-201.
  • Segretin M.E., Pais M., Franceschetti M., Chaparro-Garcia A., Bos J.I., Banfield M.J., Kamoun S. Single amino acid mutations in the potato immune receptor R3a expand response to Phytophthora effectors. Mol. Plant-Microbe Interact., 2014, 27(7): 624-637 ( ) DOI: 10.1094/MPMI-02-14-0040-R
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp