CC BY
31
РАЗДЕЛ II БИОЛОГИЧЕСКИЕ НАУКИ
Биотехнология растений
УДК 633.49:632/3:631.522/.524:577.2 DOI: 10.18384/2310-7189-2018-4-99-106
маркеры генов экстремальной устойчивости к y вирусу картофеля у дикорастущих видов секции PETOTA рода SOLANUM l.
Бекетова МЛ.1, Рогозина ЕВ.2, Чалая НА?, Хавкин Э.Е.1
1 Всероссийский научно-исследовательский институт сельскохозяйственной биотехнологии
127550, Москва, ул. Тимирязевская, д. 42, Российская Федерация
2 Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова
190000, Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, д. 42-44, Российская Федерация
Аннотация. Методы маркер-опосредствованной селекции позволяют ускорить создание сортов картофеля, устойчивых к Y вирусу картофеля (YBK), путем интрогрессии генов устойчивости к YBK (Ry) из дикорастущих сородичей картофеля. Распространение Ry генов среди клубнеобразующих видов Solanum изучено недостаточно. Два маркера, фланкирующих гены экстремальной устойчивости к YBK, Rysto и Ryadg, были валидированы путем анализа сортов картофеля, исследованных создателями этих маркеров, а затем использованы для скрининга девяти дикорастущих видов Solanum. Помимо S. stoloniferum, маркер гена Rysto найден у S. papita, S. polytrichon, S. hjertingii, S. bulbocastanum, S. brachy-carpum и S. cardiophyllum. Помимо S. andigenum, маркер гена Ryadg был обнаружен у S. demissum и S. stoloniferum. Однако только в случае S. stoloniferum и близкородственного вида S. papita присутствие маркера гена Rysto согласовалось с экстремальной устойчивостью к YBK.
Ключевые слова: дикорастущие виды Solanum, Y вирус картофеля, экстремальная виру-соустойчивость, фланкирующие маркеры гена.
© CC BY Бекетова М.П., Рогозина Е.В., Чалая Н.А., Хавкин Э.Е., 2018.
TÜT
markers of genes for extreme resistance to potato virus y in wild potato species from the section petota of the genus SOLANUM l.
M. Beketova1, E. Rogozina2, N. Chalaya2, E. Khavkin1
11nstitute of Agricultural Biotechnology ul. Timiryazevskaya 42,127550 Moscow, Russia 2 N.I. Vavilov Research Institute of Plant Industry ul. Bolshaya Morskaya 42-44,190000 St. Petersburg, Russia
Abstract. The methods of marker-assisted selection accelerate breeding potato varieties resistant to potato virus Y (PVY) by introgressing genes for PVY resistance (Ry) from wild potato relatives. The distribution of the Ry genes among the tuber-bearing Solanum species has been scarcely studied. Two markers flanking the genes for extreme resistance to YBK, Rysto and Ryadg, are validated by analyzing potato varieties investigated by the originators of these markers, and then are used to screen nine wild Solanum species. In addition to S. stoloniferum, the Rysto gene marker is found in S. papita, S. polytrichon, S. hjertingii, S. bulbocastanum, S. brachycarpum, and S. cardiophyllum. In addition to S. andigenum, the Ryadg marker is detected in S. demissum and S. stoloniferum. However, only in the case of S. stoloniferum and related species S. papita, the presence of the marker for Rysto gene correlated with extreme YBK resistance.
Key words: wild Solanum species, potato virus Y, extreme resistance, gene-flanking markers.
Введение
Среди патогенов картофеля заметное место принадлежит Y вирусу картофеля (YBK). Потепление климата создало благоприятные условия для распространения тли - переносчика этого вируса, и это сказалось на распространении заболевания и на росте экономических потерь. Создание устойчивых сортов - это наиболее эффективный и экологически безопасный путь борьбы с вирусными болезнями.
В процессе эволюции у растений сформировалось несколько типов устойчивости к вирусам. Наибольший интерес для селекционеров представляет экстремальная устойчивость (extreme resistance, ER), которая контролируется доминантными ER генами и заключается в подавлении инфекции на самых ранних стадиях заражения,
вне зависимости от штамма вируса [5; 12]. С идентификацией этих генов и начались первые попытки выявить источники этих генов и использовать их в селекционных программах [1; 7].
Устойчивость к вирусам присуща многим дикорастущим и культурным видам картофеля, однако различные проблемы, связанные с гибридизацией этих форм, ограничивают круг таких источников. Наиболее известны родительские гибридные формы MPI, несущие ER гены от таких видов, как S. stoloniferum и S. andigenum (Rysto и Ryadg). Успешная селекция в этом направлении велась в Великобритании, Германии, Польше, Голландии и Венгрии [1; 7]. К настоящему времени эти гены только картированы, но не клонированы. Однако уже созданы фланкирующие эти гены молекулярные маркеры, которые позволяют проследить интро-
грессию генов устойчивости в сорта и гибриды картофеля и таким образом ускорить селекционный процесс [3; 4; 6; 8-11].
Дальнейшие успехи в создании устойчивых к YBK сортов картофеля методами интрогрессивной гибридизации будут определяться расширением пула охарактеризованных Ry генов у дикорастущих сородичей картофеля. Однако распространение Ry генов среди этих видов Solanum изучено недостаточно. Чтобы отчасти восполнить недостаток такой информации, мы провели скрининг девяти видов Sola-num, используя валидированные маркеры ER генов Rysto и Ryadg.
Материалы и методы
Клубни сортов картофеля и дикорастущих видов Solanum получены из коллекций ВИР1 (С.-Петербург) и Института фитопатологии (Большие Вя-земы, Моск. обл.).
Оценку устойчивости растений к YBK проводили сначала в полевых условиях, на высоком инфекционном
1Маркеры генов экстрема
фоне. Образцы, не пораженные YBK в полевых условиях, оценивали методом искусственного заражения (инокуляция соком инфицированных растений табака и прививка на инфицированные растения табака). Результаты оценивали визуально по поражению растений и по накоплению вируса в растениях, которое контролировали методом ИФА [2].
Геномную ДНК выделяли из молодых листьев картофеля с помощью набора AxyPrep Multisource Genomic DNA Miniprep Kit (Axygen Biosciences, США). Концентрацию ДНК определяли с помощью UV/Vis NanoPhotometer P300 (IMPLEN, Германия). ПЦР амплификацию ДНК проводили в термоциклере MJ PTC-200 (Bio-Rad, США). Прайме-ры для амплификации генов Ryo и Ryadg указаны в табл. 1. Ампликоны разделяли электрофорезом в 1% агарозном геле в 1x TAE буфере в течение 40 мин при напряжении тока 6 В/см, и гели фотографировали в УФ с помощью прибора Gel Logic 100 Imaging System (Eastman Kodak Company, США).
Таблица 1
>ной устойчивости к YВК
Ген и его локализация на хромосоме Название маркера Последовательности праймеров (5/-3/) Длина фрагмента Библиография
Rysto YES3-3A FTAACTCAAGCGGAATAACCC RAATTCACCTGTTTACATGCTTCTTGTG 341 [8]
XII
YES3-3B FTAACTCAAGCGGAATAACCC RCATGAGATTGCCTTTGGTTA 284
Ryadg XI RYSC3 FATACACTCATCTAAATTTGATGG 321 [6]
R AGGATATACGGCATCATTTTTCCGA
RYSC4 FAGTTCTAGTTGTGCTTGATAAC R AGGATATACGGCATCATTTTTCCGA 145
1 Всероссийский институт растениеводства, в настоящее время - Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова.
V^IOiy
Результаты и обсуждение
Анализ сортов, которые были ранее исследованы авторами предлагаемых маркеров (табл. 2), свидетельствует о полном воспроизведении методик Ka-sai et al. [6] и Song et al. [8]. Сопоставление данных молекулярного анализа с родословными сортов позволяет проследить за источниками этих генов. Наиболее вероятным источником
гена Ryadg у сортов Живицы и Atlantic служит S. andigenum. Наиболее вероятным источником гена Rysto в сортах Assia, Fanal, Heidrun, Medusa, Ute был S. stoloniferum. Сорт Bzura не является исключением, поскольку его материнская форма (PG 232 - источник гена Rysto) имеет в родословной два MPI гибрида, несущих материал S. stoloniferum.
Таблица 2
Верификация маркеров Ry генов на сортах картофеля
№ Сорт Фенотип по реакции на YВК Присутствие маркеров (по лит. данным) Виды Solanum в родословных сортов* Ry,o YES3-3A Ry,o YES3-3B Ryad RYSc3 Ryad RYSC4
1 Assia Устойчив Ry«o acl, dms, sto, vrn 1 1 O O
2 Bzura Устойчив Ry«o adg, acl, dms 1 1 O O
3 Fanal Устойчив Ry.o adg, acl, dms, sto 1 1 O O
4 Heidrun Устойчив Rysto acl, adg, dms, spg, sto 1 1 O O
5 Meduza Устойчив Ry«o sto 1 1 O O
б Ute Устойчив Ry.o acl, sto, vrn 1 1 O O
l Atlantic Восприимчив adg, dms, chc O O 1 1
S Живица Устойчив Ryti<is adg, dms, vrn O O 1 1
9 Bintje Восприимчив tbr O O O O
1O Desiree Восприимчив tbr O O O O
* acl - S. acaule, adg - S. andigenum, chc - S. chacoense, dms - S. demissum, spg - S. spegazzinii, sto - S. stoloniferum, tbr - S. tuberosum, vrn - S. vernei, 1/0 - присутствие/отсутствие маркера.
Мы провели скрининг 31 образца дикорастущих форм картофеля, представляющих девять видов Solanum секция Petota из клоновой коллекции ВИР. Для большинства этих образцов параллельно была проведена оценка устойчивости к YBK.
Использованные нами маркеры не являются видоспецифичными (табл. 3). Помимо S. stoloniferum, мар-
кер гена Яу^о найден у 5. рариа, Б. ро1у-Мекоп, Б. Н]вНщи, Б. bulbocastanum, Б. ЬгаеНуеагрит и Б. сагйюрку11ит. Помимо Б. andigenum, маркер гена был обнаружен у Б. demissum и Б. stoloniferum. Однако только в случае Б. stoloniferum и близкородственного вида Б. рарйа присутствие маркера гена Яу50о согласовалось с экстремальной устойчивостью к УВК.
Таблица 3
Скрининг дикорастущих видов Solanum с маркерами Ry генов
№ Вид и номер образца по каталогу ВИР (генотип) Фенотип * Присутствие/отсутствие маркера (1/0)
Rysto YES3-3A Ryso YES3-3B Ry adg RYSC3 Ry"dg RYSC4
1 S. demissum 15175 (622-17-15) S 0 0 1 1
2 S. demissum 18521 (623-12-15) S 0 0 1 1
3 S. demissum 18521 (623-18-15) S 0 0 1 1
4 S. demissum 19997 (624-8-15) S 0 0 0 0
5 S. demissum 19997 (624-10-15) S 0 0 0 0
6 S. demissum 15174 (576-1-15) S 0 0 0 0
7 S. demissum 15174 (576-5-15) S 0 0 0 0
8 S. polytrichon 8815 (626-18-15) R 1 1 0 0
9 S. stoloniferum 24420 (162) ER 1 1 0 0
10 S. stoloniferum 24420 (172) ER 1 1 0 0
11 S. stoloniferum 23652 (170) S 1 1 0 0
12 S. stoloniferum 23652 (169) S 1 1 0 0
13 S. stoloniferum 24263 (171) R 1 1 0 0
14 S. stoloniferum 20106 (168) ER 1 1 0 0
15 S. stoloniferum 24973 (628-2) S 1 1 0 0
16 S. stoloniferum 24973 (628-3) S 1 1 0 0
17 S. stoloniferum 24973 (628-16) R 1 1 1 1
18 S. stoloniferum 3360 (25-10-2015) ER 1 1 1 1
19 S. stoloniferum 3360 (25-9-2015) ER 1 1 1 1
20 S. papita 21547 (167) ER 1 1 0 0
21 S. papita 16888 (625-17) S 0 0
22 S. hjertingii 15194 (138) nd 1 1 0 0
23 S. bulbocastanum 24856 (271) nd 1 1 0 0
24 S. bulbocastanum 24367 (267) nd 1 1 0 0
25 S. brachycarpum 24196 (123) S 1 1 0 0
26 S. brachycarpum 24196 (124) S 0 0
27 S. cardiophyllum16828 (229) R 1 1 0 0
28 S. cardiophyllum 24375 (246) S 1 1 0 0
29 S. simpicifolium 12658 (95) S 0 0 0 0
30 S. chacoense 19759 (5) ER 0 0 0 0
31 S. chacoense 19759 (6) ER 0 0 0 0
Прим.: * ИФА - диагностика результатов искусственного заражения. ER (extreme resistance, экстремальная устойчивость) - иммунитет; R (resistant) - устойчивый при механической инокуляции; S (susceptible) - восприимчивый, nd - нет данных.
Vioy
ном растении двух генов устойчивости открывает перспективы использования таких образцов в качестве источников при пирамидировании хозяйственно ценных генов в будущих сортах.
Статья поступила в редакцию 23.05.2018
литература
1. Bradshaw J.E. Potato breeding at the Scottish Plant Breeding Station and the Scottish Crop Research Institute: 1920-2008 // Potato Res. 2009. Vol. 52. P. 141-172.
2. Chrzanowska M. Evaluation of resistance and reaction of potato cultivars and breeders selections to Potato virus Y (PVY) strains // The Methods of evaluation and selection applied in potato research and breeding. Radzikofw, Poland: Plant Breeding and Acclimatization Institute (IHAR), 2001. P. 75-77.
3. Flis B., Hennig J., Strzelczyk-Zyta D. et al. The Ry-f sto gene from Solanum stoloniferum for extreme resistant to Potato virus Y maps to potato chromosome XII and is diagnosed by PCR marker GP122 718 in PVY resistant potato cultivars // Mol. Breeding. 2005. Vol. 15 (1). P. 95-101.
4. Hosaka K., Hosaka Y., Mori M. et al. Detection of a simplex RAPD marker linked to resistance to potato virus Y in a tetraploid potato // Am. J. Potato Res. 2001. Vol. 78 (3). P. 191-196.
5. Karasev A.V., Gray S.M. Continuous and emerging challenges of Potato virus Y in potato // Annu. Rev. Phytopathol. 2013. Vol. 51. P. 571-586.
6. Kasai K., Morikawa Y., Sorri V.A. et al. Development of SCAR markers to the PVY resistance gene Ryadg based on a common feature of plant disease resistance genes // Genome. 2000. Vol. 43 Cdg). P. 1-8.
7. Ross H. Potato breeding - problems and perspectives // J. Plant Breed Suppl. 13. Hamburg: Paul Parey, 1986. 132 p.
8. Song Y.-S., Schwarzfischer A. Development of STS markers for selection of extreme resistance (Ryst) to PVY and maternal pedigree analysis of extremely resistant cultivars // Am. J. Potato Res". 2008. Vol. 85 (2). P. 159-170.
9. Tiwari J.K., Singh B.P. Marker-assisted selection for virus resistance in potato: options and challenges // Potato J. 2012. Vol. 39 (2). P. 101-117.
10. Valkonen J.P.T., Wiegmann K., Hámáláine J.H. et al. Evidence for utility of the same PCR-based markers for selection of extreme resistance to Potato virus Y controlled by Rysto of Solanum stoloniferum derived from different sources // Ann. Appl. Biol. 2008. Vol. 152. P. 121-130.
11. Valkonen J.P.T. Elucidation of virus-host interactions to enhance resistance breeding for control of virus diseases in potato // Breeding Sci. 2015. Vol. 65 (1). P. 69-76.
12. Valkonen J.P.T., Gebhardt C., Zimnoch-Guzowska E., Watanabe K.N. Resistance to Potato virus Y in potato // C. Lacomme et al. (eds.) Potato Virus Y: Biodiversity, Pathogenicity, Epidemiology and Management. Springer, 2017. P. 207-241.
references
1. Bradshaw J.E. Potato breeding at the Scottish Plant Breeding Station and the Scottish Crop Research Institute: 1920-2008. In: Potato Res., 2009, vol. 52, pp. 141-172.
2. Chrzanowska M. Evaluation of resistance and reaction of potato cultivars and breeders selections to Potato virus Y (PVY) strains. In: The Methods of evaluation and selection applied in potato research and breeding. Radziko'w (Poland), Plant Breeding and Acclimatization Institute (IHAR), 2001, pp. 75-77.
Заключение
У трех генотипов Б. stoloniferum, два из которых характеризуются как БИ формы, по данным ИФА, одновременно присутствуют маркеры двух генов (Яу,.о и Яуас1). Присутствие в одном иммун-
3. Flis B., Hennig J., Strzelczyk-Zyta D. et al. The Ry-f sto gene from Solanum stoloniferum for extreme resistant to Potato virus Y maps to potato chromosome XII and is diagnosed by PCR marker GP122 718 in PVY resistant potato cultivars. In: Mol. Breeding., 2005, vol. 15 (1), pp. 95-101.
4. Hosaka K., Hosaka Y., Mori M. et al. Detection of a simplex RAPD marker linked to resistance to potato virus Y in a tetraploid potato. In: Am. J. Potato Res., 2001, vol. 78 (3), pp. 191-196.
5. Karasev A.V., Gray S.M. Continuous and emerging challenges of Potato virus Y in potato. In: Annu. Rev. Phytopathol., 2013, vol. 51, pp. 571-586.
6. Kasai K., Morikawa Y., Sorri V.A. et al. Development of SCAR markers to the PVY resistance gene Ryad based on a common feature of plant disease resistance genes. In: Genome, 2000, vol. 43 (1), pp. 1-8.
7. Ross H. Potato breeding - problems and perspectives. In: J. Plant Breed Suppl. 13. Hamburg, Paul Parey, 1986. 132 p.
8. Song Y.-S., Schwarzfischer A. Development of STS markers for selection of extreme resistance (Ryst) to PVY and maternal pedigree analysis of extremely resistant cultivars. In: Am. J. Potato Res., 2008, vol. 85 (2), pp. 159-170.
9. Tiwari J.K., Singh B.P. Marker-assisted selection for virus resistance in potato: options and challenges. In: Potato J., 2012, vol. 39 (2), pp. 101-117.
10. Valkonen J.P.T., Wiegmann K., Hámáláine J.H. et al. Evidence for utility of the same PCR-based markers for selection of extreme resistance to Potato virus Y controlled by Rysto of Solanum stoloniferum derived from different sources. In: Ann. Appl. Biol., 2008, vol. 152, pp. 121-130.
11. Valkonen J.P.T. Elucidation of virus-host interactions to enhance resistance breeding for control of virus diseases in potato. In: Breeding Sci., 2015, vol. 65 (1), pp. 69-76.
12. Valkonen J.P.T., Gebhardt C., Zimnoch-Guzowska E., Watanabe K.N. Resistance to Potato virus Y in potato. In: C. Lacomme et al. (eds.) Potato Virus Y: Biodiversity, Pathogenicity, Epidemiology and Management. Springer, 2017, pp. 207-241.
благодарности
Исследование выполнено в рамках КПНИ «Развитие селекции и семеноводства картофеля в Российской Федерации» АААА-А18-118012590092-4.
acknowledgments
The study was carried out as part of the comprehensive research program "Development of potato breeding and seed production in the Russian Federation" (No. AAAA-A18-118012590092-4).
информация об авторах
Бекетова Мария Павловна - кандидат биологических наук, старший научный сотрудник Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной биотехнологии;
e-mail: [email protected]
Рогозина Елена Вячеславовна - доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник отдела генетических ресурсов картофеля Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР); e-mail: [email protected]
Vioy
Чалая Надежда Александровна - кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник Федерального исследовательского центра Всероссийского института генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР); e-mail: [email protected]
Хавкин Эмиль Ефимович - доктор биологических наук, заведующий лабораторией Всероссийского научно-исследовательского института сельскохозяйственной биотехнологии; e-mail: [email protected]
information about the authors
MariyaP. Beketova - PhD in Biological Sciences, Senior Research Fellow, Institute of Agricultural Biotechnology,
e-mail: [email protected]
Elena V. Rogozina - Doctor of Biological Sciences, Leading Research Fellow, N.I. Vavilov Institute of Plant Genetic Resources (VIR); e-mail: [email protected]
Emil E. Khavkin - Doctor of Biological Sciences, Head of Laboratory, Institute of Agricultural Biotechnology;
e-mail: [email protected]
Nadezhda A. Chalaya - PhD in Agricultural Sciences, Senior Research Fellow, N.I. Vavilov Institute of Plant Genetic Resources (VIR); e-mail: [email protected]);
правильная ссылка на статью
Бекетова М.П., Рогозина Е.В., Чалая Н.А., Хавкин Э.Е. Маркеры генов экстремальной устойчивости к y вирусу картофеля у дикорастущих видов секции Petota рода Solanum L. // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Естественные науки. 2018. № 4. С. 99-106. DOI: 10.18384/2310-7189-2018-4-99-106
for citation
Beketova M., Rogozina E., Chalaya N., Khavkin E. Markers of Genes for Extreme Resistance to Potato Virus Y in Wild Potato Species From the Section Petota of the Genus Solanum L. In: Bulletin of the Moscow State Regional University, Series: Natural Sciences, 2018, no. 4, pp. 99-106. DOI: 10.18384/2310-7189-2018-4-99-106
v10v
