CC BY
165
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10105 УДК 633.491:631.527.5:577.21
МЕЖВИДОВЫЕ ГИБРИДЫ КАК РОДИТЕЛЬСКИЕ ФОРМЫ ДЛЯ УПРЕЖДАЮЩЕЙ СЕЛЕКЦИИ КАРТОФЕЛЯ НА УСТОЙЧИВОСТЬ К БОЛЕЗНЯМ И ВРЕДИТЕЛЯМ*
Е.В. РОГОЗИНА1, доктор биологических наук, ведущий научный сотрудник (e-mail: [email protected])
В.А. БИРЮКОВА2, кандидат биологических наук, зав. лабораторией
Е.А. СИМАКОВ2, доктор сельскохозяйственных наук, зав. селекционным центром
В.А. ЖАРОВА2, кандидат сельскохозяйственных наук, научный сотрудник
Н.А. ЧАЛАЯ1, кандидат сельскохозяйственных наук, младший научный сотрудник
М.А. КУЗНЕЦОВА3, кандидат биологических наук, зав. отделом
А.Н. РОГОЖИН3, кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник
М.П. БЕКЕТОВА4, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
О.А. ФАДИНА4, кандидат биологических наук, старший научный сотрудник
Э.Е. ХАВКИН4, доктор биологических наук, зав. лабораторией
1Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова, ул. Б. Морская, 42-44, Санкт-Петербург, 190000, Российская Федерация
2Всероссийский научно-исследовательский институт картофельного хозяйства им. А.Г. Лорха, ул. Лорха, 23, пос. Красково, Люберецкий р-н, Московская обл., 140051, Российская Федерация
3Всероссийский научно-исследовательский институт фитопатологии, ул. Институт, вл. 5, р.п. Большие Вяземы, Одинцовский р-н, Московская обл.,143050, Российская Федерация
4Всероссийский институт сельскохозяйственной биотехнологии, ул. Тимирязевская, 42, Москва, 127550, Российская Федерация
Резюме. Цель исследования - изучить перспективы использования 60 клонов межвидовых гибридов в качестве родительских форм в селекции на устойчивость к болезням и вредителям, в том числе с использованием методов маркер-опосредованной селекции. Гибридные клоны оценивали в 2014-2016 гг. по комплексу селекционно-значимых признаков (агрономических, физиологических и качества продукции) и методом искусственного заражения на устойчивость к фитофторозу, Y-вирусу картофеля (YBK), золотистой картофельной нематоде (патотип Ro1) и раку картофеля. Проводили ДНК-анализ гибридных клонов на присутствие SCAR маркеров генов устойчивости к фитофторозу (R1, R2, R3a, R3b, RB/Rpi-blb1 = Rpi-sto1, Rpi-vnt1.3), золотистой нематоде (H1, Gro1-4) иX-вирусукартофеля (Rx1) или STS-маркеров генов устойчивости к бледной нематоде (Gpa2-2), Y-вирусу картофеля (Rysto, Ryadg) и возбудителю рака картофеля (Sen1). Выделили клоны межвидовых гибридов с комплексомхозяйственно ценных признаков и одновременно групповой устойчивостью к патогенам: к фитофторозу, золотистой картофельной нематоде патотипа Ro1 и бледной картофельной нематоде патотипа Pa2 - клон 134-6-2006, к фитофторозу и золотистой картофельной нематоде патотипа Ro1 - клоны 117-2,39-1-2005,24-1, к фитофторозу и YBK- клоны 194-4т, 171-3,38КВА, кнематоде и Y- вирусу - клоны 135-5-2005,
8-1-2004, 8-5-2004, к Y и X вирусам картофеля - клоны 94-5, 99-10-1. Клоны 99-6-6, 135-1-2006, 97-155-1, 14/08-06, 38КВА, созданные на основе разных комбинаций скрещивания диких и культурных видов картофеля, несут сочетания R генов, контролирующих устойчивость к различным расам Phytophthora infestans Mont. deBary. Уклона 134-6-2006(производныйS. alandiae) идентифицировали маркеры шести генов - R3a, R3b, Rpi-vnt1.3, Rx1, H1, Gpa 2, у клона 94-5 (производный S. chacoense) - маркеры четырех генов - H1, Sen1, Rx1 и Ry sto.
Ключевые слова: Solanum, Petota, Phytophthora infestans, Globodera rostochiensis, Synchytrium endobioticum, Y-вирус картофеля, межвидовая гибридизация, интрогрессивная селекция, ДНК-маркеры R генов.
Для цитирования: Межвидовые гибриды как родительские формы для упреждающей селекции картофеля на устойчивость к болезням и вредителям/ Е.В. Рогозина, В.А. Бирюкова, Е.А. Симаков, В.А. Жарова, Н.А. Чалая, М.А. Кузнецова, А.Н. Рогожин, М.П. Бекетова, О.А. Фадина, Э.Е. Хавкин // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 1. С. 26-31.
Среди болезней и вредителей картофеля экономически наиболее значимы фитофтороз (возбудитель -оомицет Phytophthora infestans (Mont.) de Bary) и Y-вирус картофеля (YBK). Другие приоритеты для селекции картофеля - это устойчивость к золотистой нематоде Globodera rostochiensis (Woll.) Behrens и раку картофеля (возбудитель Synchytrium endobioticum (Schilb.) Percival), Последние два возбудителя - объекты карантинного надзора на территории России. Эволюция и миграция патогенов приводят к эпидемиям, которые уносят до 70-100 % урожая. Поэтому создание новых сортов картофеля, надолго сохраняющих высокую устойчивость к широкому кругу патогенов и разнообразию их штаммов важная задача селекции. В этом случае появление в агроценозе новых возбудителей болезней не будет приводить к снижению продуктивности растений. Такую селекцию называют упреждающей [1, 2].
Важнейшим источником устойчивости к вредителям и болезням в практической селекции картофеля служат его дикорастущие и культурные сородичи - виды Solanum L. секция Petota. Одна из крупнейших мировых коллекций этих видов собрана в ВИР [3]. С участием дикорастущих видов картофеля, в том числе впервые вовлеченных в селекционную работу, создана уникальная клоновая коллекция межвидовых гибридов, устойчивых к фитофторозу, вирусным болезням, патотипу Rol золотистой картофельной нематоде (ЗКН) и раку картофеля [4].
Долговременная устойчивость сложных межвидовых гибридов определяется пирамидированием в одном растении нескольких генов устойчивости, перенесенных из дикорастущих сородичей картофеля. Совокупность этих генов обеспечивает распознавание различных патогенов. Использование методов маркер-ориентированной селекции (МОС) при создании межвидовых гибридов картофеля дает, прежде всего, редкую возможность различать формы растений, устойчивые к различным патотипам одного и того же возбудителя болезни, и существенно ускоряет отбор устойчивых генотипов [5, 6, 7, 8, 9].
*Оценка гибридных клонов по комплексу селекционно-значимых признаков и на наличие ДНК маркеров й-генов выполнена в соответствии с НИОКТР № госрегистрации АААА-А16-116040710365-6, АААА-А17-117090540058-4 и АААА-А17-117080910193-8. Фитопатологическая оценка образцов картофеля выполнена в рамках Государственного задания № 05982015-0016; изоляты Р. Шев1апз были получены из Государственной коллекции ФГБНУ ВНИИФ.
Цель нашего исследования - изучить перспективы использования клонов межвидовых гибридов в качестве родительских форм в селекции на устойчивость к болезням и вредителям, в том числе с использованием методов маркер-опосредованной селекции.
Условия, материалы и методы. Изучали 60 клонов межвидовых гибридов картофеля, из которых 52 созданы в ВИР в период с 1997 по 2007 гг. и В - в ВИЗР (Всероссийский институт защиты растений) в 2009 г. методом половой гибридизации с последующим отбором на хозяйственно-полезные признаки и устойчивость к болезням и вредителям. В скрещивания вовлекали дикорастущие и культурные виды Solanum L секция Petota, дигаплоиды сортов и селекционные формы картофеля из Германии (MPI), США (USW) и Перу (CIP). Отобраны клоны, в родословных которых представлены от двух до девяти видов Solanum, включая дикорастущие североамериканские (S. stoloniferum Schlechtd., S. bulbocasta-num Dun., S. polytrichon Rydb., S. pinnatisectum Dun., S. vallis-mexici Juz.), южноамериканские (S. berthaultii Hawkes, S. microdontum Bitt., S. simplicifolium Bitter, S. acaule Bitt., S. spegazziniiBitt., S. alandiae Card., S. cha-coense Bitt., S. okadae Hawkes et Hjerting) и культурные (S. andigenum Juz. et Buk., S. phureja Juz. et Buk., S. rybinii Juz. et Buk.). Названия видов приведены в соответствии с классификацией Букасова [10] и Горбатенко [11].
Эти гибридные клоны представляют три селекционные группы. Первая группа (20 клонов) объединила гибриды, отобранные в потомстве от скрещивания образцов S. alandiae к-21240 (здесь и далее указаны номера каталога из коллекции ВИР) и S. chacoense к-19759 с культурным картофелем или от скрещивания S. chacoense к-19759 с S. okadae к-20921. Виды S. alandiae и S. okadae использованы как источники устойчивости к фитофторозу и нематоде и впервые вовлечены в селекцию, S. chacoense к-19759 - источник устойчивости к YBK. В составе второй группы (28 клонов) - гибриды, отобранные в потомстве от скрещивания или самоопыления ранее созданных в ВИР межвидовых гибридов - доноров устойчивости картофеля к патогенам: 180-1, 90-6-2, 91-21-4 [12]. В родословных этих клонов - от одного до трех источников устойчивости к фитофторозу, YBK, нематоде: S. stoloniferum к-2490-5, S. rybinii к-2890-4, S. andigenum или S. phureja (номера каталога неизвестны). В третью группу (12 клонов) входят гибриды, в родословной которых присутствуют от трех до пяти дикорастущих видов Solanum, использованных для получения селекционных форм с высокой и долговременной устойчивостью к фитофторозу. Эти клоны созданы в результате сложной многоступенчатой гибридизации сортов, интродуцированных селекционных клонов и образцов видов Solanum: S. acaule к-7459-2, S. berthauItiiк-В510, S. pinnatisectum к-17464, S. polytrichon к-5345, S. simplicifolium к-5400, S. stoloniferum к-2908 и S. vallis-mexiciк-8473, S. andigenum (номер каталога образца этого и последующих видов неизвестен), S. bulbocastanum, S. microdontum, S. phureja, S. rybinii и S. spegazzinii.
Клоны межвидовых гибридов изучали в 20142016 гг. в полевых опытах в ВИР (Санкт-Петербург, Пушкин) и ВНИИКХ (Московская обл., Коренево), в лабораторных опытах в ВИР, ВНИИКХ и ВНИИФ (Московская обл., Голицино). В полевых опытах оценивали по 10 растений в двух-трехкратной повторности.
Почва опытного участка ВИР дерново-подзолистая, супесчаная с легким суглинком, содержание гумуса 3-3,5 %, pH 4,8-5,1. Участок мелиорирован закрытым способом. Погодные условия периодов вегетации в 2014-2016 гг. в ВИР (Санкт-Петербург, Пушкин) характеризовались
более высокими температурами воздуха, по сравнению со среднемноголетними показателями, и нестабильным характером выпадения осадков. Избыточное количество осадков отмечали в июле 2015 г. и в июле - августе 2016 г.; июнь - август 2015 г. и июль 2014 г., напротив, характеризовались недостаточным увлажнением.
Почва опытного участка ВНИИКХ - дерново-подзолистая, супесчаная, содержание гумуса 2,3 %, pH 5,0. Метеоусловия вегетационных периодов 2014-2016 гг. также были самыми теплыми за последние годы при неравномерном выпадении атмосферных осадков, что отразились на росте, развитии, формировании урожая и качестве клубней изучаемых образцов картофеля.
Для лабораторной оценки использовали урожай текущего года полевых испытаний. Гибридные клоны изучали в соответствии с методическими рекомендациями [13] по ком-плексуважнейших селекционныхпризнаков: агрономических (продуктивностьрастений, товарность клубней, устойчивость к болезням), физиологических (мощность развития ботвы, интенсивность цветения и образования ягод, скороспелость) и качества продукции (вкус, содержание крахмала, потемнение мякоти клубней - сырой и после отваривания). В качестве стандартов брали районированные сорта картофеля Наяда и Петербургский (восприимчивый контроль при оценке на устойчивость к фитофторозу в полевых опытах).
Оценку устойчивости при искусственном заражении гибридных клонов к фитофторозу выполняли во ВНИИКХ [13] и ВНИИФ [14], к YBK - в теплице ВИР при испытании методом механической инокуляции и прививки [13]; к нематоде патотипа Ro1 G. rostochiensis и раку картофеля обычного (D1) патотипа S. endobioticum - в лабораторных опытах ВИЗР [15].
Гибридные клоны исследовали во ВНИИСБ с помощью маркеров, разработанных для идентификации генов устойчивости к фитофторозу R1 (R1-1205), R2 (R2-686), R3a (R3a-1380), R3b (R3b-378), RB/Rpi-blbl(Blb-820) и Rpi-vnt1.3 (Rpi-vnt1.3); во ВНИИКХ с использованием маркеров генов устойчивости ^-вирусу: Rys^o (YES3A-3A), Ryadg (RYSC3), маркера гена устойчивости к X-вирусу Rx1(PVX), маркеров генов устойчивости к золотистой нематоде - H1 (TG 689, 57 R и N195), Gro1-4 (Gro1-4) и бледной нематоде Gpa2-2 (Gpa2-2), маркера гена устойчивости к возбудителю рака картофеля Sen1 (NL25). ДНК выделяли из листьев молодых растений, условия проведения ПЦР и нуклеотид-ные последовательности праймеров аналогичны ранее проводимым исследованиям [2, 16].
Статистический анализ частот обнаружения маркеров R-генов у гибридных клонов и корреляции выявленных маркеров R-генов и устойчивости гибридных клонов к патогенам выполняли в программе Statistica 6.0 (StatSoft Inc., США).
Результаты и обсуждение. Все клоны межвидовых гибридов при выращивании в разных пунктах испытания имели габитус, характерный для растений картофеля культурного типа: куст высокий или средний (высота растений не ниже 50 см), с крепкими стеблями хорошей или умеренной облиственности. В условиях Санкт-Петербурга все клоны зацветали, а длительность и интенсивность цветения зависели от погодных условий, в Московской области цветение отсутствовало у трех гибридных клонов. Образования ягод от самоопыления не наблюдали или оно было редким у половины гибридных клонов. Более половины исследованных клонов уже успешно вовлечены в скрещивания: в программах по гибридизации во ВНИИКХ они использованы в качестве материнских партнеров, в ВИР получены семена от использования некоторых гибридов и в качестве опылителей (табл. 1).
Таблица 1. Характеристика гибридных клонов по комплексу селекционно-ценных признаков (среднее за 2014-2016 гг. в ВИР и ВНИИКХ)
Гибридный клон, сорт-стандарт Происхождение Селекционная группа Урожайность (г/куст.) Средняя масса клубня, г Вкус, балл ** Крахма-лис-тость, % Использование в скрещиваниях *** Число результативных комбинаций
117-2 Atzimba х s. alandiae к-21240 1 843 88,00 4,2-4,7 19,4-21,2 м 2
134-6-2006 24-2 (AtzimbaxS. alandiae) х Свитанок Киевский 1 974* 84,33 3,8-4,5 12,8-20,5 мо 2
135-1-2006 Свитанок Киевский х 24-2 (AtzimbaxS. alandiae) 1 784 67,00 3,8-4,2 12,5 -22,1 м 6
8-1-2004 S. okadae 20921x s. chacoense 19759 1 773 90,33 4,0-4,5 14,9-21,7 мо 6
8-3-2004 — и — 1 879 83,67 4,5-4,6 15,0-22,4 м 7
8-5-2004 _и_ 1 900 97,00 4,1-4,8 17,2-18,0 м 4
135-3-2005 —— 1 1035* 112,00 3,8-4,7 17,4-20,4 м 3
135-5-2005 —— 1 654 88,67 3,0-4,8 16,6-22,0 м 6
94-5 Bobr x s. chacoense 19759 1 753 68,00 3,4-4,5 18,1-20,2 м 1
99-10-1 _ ,,_ 1 807 76,00 3,3-4,2 19,1-19,9 м 2
99-4-1 180-1 x Hertha 2 512 86,67 4,2 20,2-21,5 м 5
97-155-1 Bobr x 91-21-4 2 405* 83,33 3,4-4,0 13-17,2 мо 3
171-3 F2 97-155-1 2 713 64,67 4,1-4,2 16,2-18,2 м 3
99-6-5 90-6-2 x Hertha 2 648 60,00* 3,7-4,8 17,0-19,7 о 1
99-6-6 _ ,,_ 2 618 63,67* 3,2-4,0 16,1-19,0 мо 4
194-4т Загадка Питера x 99-6-6 2 1037* 83,67 4,0 16,7 м 2
34-5-2003 97-162-2x 190-4 2 683 85,00 3,5-3,8 16,6 м 6
14/08-06 (S. pinnatisectumx Gitte) x смесь пыльцы сложных гибридов 3 632 78,00 3,9 19,6 мо 8
15/13-09 (S. pinnatisectumx Gitte) x 3 661 92,00 4 17,0 о 1
(26-98x5-98 F 2) {[(S. berthaultii x Тайга)xОмега]x(4-94x9-94)} x Наяда
16/27-09 3 635 79,67 4,3 21,2 мо 3
4-1-2012 24-1 x 14/08-06 3 717 68,00 _ 17,9 _ _
38КВА Фермерx F 4 (4-94 x 9-94) 3 543 61,67* 3,6 20,9 _ _
23-1-2007 Невский x 122-29 3 817 87,00 3,8-4,5 13,9-19,2 м 3
Наяда (st) 735 89,33 4,2-4,9 19,7
НСР05 237 25,17
* разность с контролем статистически достоверна (р<0,05);
** по шкале 1-5, где 5 - отличный вкус;
*** м - материнская, о - отцовская форма, «-» - нет данных.
Все гибридные клоны имели клубни правильной формы с мелкими или средними глазками. В зависимости от генотипа и пункта испытания, их продуктивность варьировала от 400-600 до 980-1290 г/куст. Выделены высокопродуктивные клоны 134-6-2006, 135-3-2005 и 194-4т, превосходящие сорт стандарт Наяда (см. табл.1). Большинство клонов не уступали стандарту по массе среднего клубня, исключение - клоны 99-6-5, 99-6-6 и 38 КВА. Вкусовые качества клубней большинства гибридных клонов - хорошие (3,4-4,5 баллов) или отличные (до 5 баллов), по этому признаку они не уступали или превосходили сорт Наяда (3,5-4,9 балла). В разных почвенно-климатических условиях гибридные клоны 117-2, 94-5, 99-10-1 и 99-4-1 стабильно формируют клубни с содержанием крахмала более 18 %. Все гибридные клоны отличает не темнеющая сырая и вареная мякоть.
По результатам лабораторного испытания гибридные клоны разделены на умеренно устойчивые, умеренно восприимчивые и восприимчивые к фи-тофторозу. В каждой селекционной группе выявлены клоны умеренно устойчивые к Р. ¡^еэ1апэ при высокой инфекционной нагрузке. В поле, даже при эпифито-тийном развитии заболевания в условиях Московской области (2014 -2016 гг.) и Санкт-Петербурга (2016 г.), такие клоны слабо поражались фитофторозом. Высокой устойчивостью к заболеванию отличались клоны: 39-1-2005 ^¡тЬахЭ. а!апсИав к-21240), 97-155-1 (ВоЬг
х91-21-4), 171-3 ^2 97-155-1), 90-6-2 (194-4x1-1039) и большинство клонов сложного многовидового происхождения из третьей селекционной группы (табл. 2).
Среди гибридных клонов первой селекционной группы семь были устойчивыми к УБК и четырнадцать -к патотипу Яо1 G. гоэ1осЫепэ1э. Следует отметить, что 12 устойчивых к нематоде клонов в этой группе созданы на основе впервые вовлеченных в селекционную работу видов Э. а!апС1ае и Э. окаСае. Об устойчивости этих диких видов картофеля из Боливии к разным патотипам золотистой и бледной нематод стало известно сравнительно недавно [18]. В скрещиваниях с образцами коллекции ВИР Э. а!апС1ае к-21240 и Э. окаСае к-20921 в качестве второй родительской формы использовали неустойчивые к нематоде формы: дигаплоид сорта А12тЬа и клон 3-29-2 образца Э. сЬасоепэе к-19759 соответственно. Устойчивость к нематоде унаследовали гибриды первого поколения (клоны 117-2, 39-1-2005, 24-1, 24-2) и беккрос-сы с Э. а!апС1ае (клоны 134-6-2006, 135-2-2006), а также гибриды Э. окаСаехЭ. сЬасоепэе (см. табл. 2).
Два гибрида, отобранных в потомстве от скрещивания Б. сЬасоепэе к-19759 в качестве отцовской формы с сортом БоЬг или Э. окаСае к-20921, сочетают устойчивость к нематоде и УБК.
Среди гибридов второй селекционной группы тринадцать устойчивы к УБК и восемь - к патотипу Яо1 G. гоэ1осЫепэ1э. В этой группе устойчивые к УБК
* adg - S. andigenum, aln - S. alandiae, ber - S. berthaultii, chc - S. chacoense, dms - S. demissum, mcd - S. microdontum, oka- S. okadae, pnt - S. pinnatisectum, plt - S. polytrichon, phu - S. phureja, ryb - S. rybinii, sim - S. simplicifolium, sto - S. stolo-niferum, vll - S. vallis-mexici [17];
** по шкале 1-9, где 9 - нет поражения; устойчивый (У) 9-8; умеренно-устойчивый (УУ) 7-6; умеренно-восприимчивый (УВ) 5-4; восприимчивый (В) 3-1;
*** И - иммунитет, У - устойчивость при механической инокуляции, ПУ - полевая устойчивость, В - восприимчивость; **** в лабораторном испытании У- устойчивость, В- восприимчивость.
Таблица 2. Гибридные клоны, рекомендуемые для селекции картофеля на устойчивость к болезням и вредителям, среднее за 2014-2016 гг. в ВИР, ВНИИКХ, ВНИИФ
Клон Виды Solanum в родословных * Устойчивость к болезням и вредителям Гены устойчивости (по результатам маркерного анализа)
фитофтороз (оценка в поле на естественном фоне), балл ** Yвирус картофеля *** нематода патотип Ro1 **** рак картофеля патотип D1 ****
117-2 aln 7-6 УУ ПУ У В R2, R3b, Rpi-vnt1.3, H1
39-1-2005 aln 7 УУ В У В R3b, RB/Rpi-blb-1, Rpi-
vnt1.3, H1
24-1 aln 7 УУ В У В R3b, Rpi-vnt1.3, H1
134-6- aln 6 УУ В У В R3a, R3b, Rpi-vnt1.3,
2006 H1, Gpa 2, Rx1
135-5- chc, oka 5 УВ У У У H1, Ry adg
2005
8-1-2004 chc, oka 5 УВ И У У H1, Ry adg
8-5-2004 chc, oka 5 УВ У У У H1, Ry adg
94-5 chc 3 В У У У Sen1, H1, Ry sto, Rx1
99-10-1 chc 3 В У У В H1, Ry sto, Rx1
97-155-1 adg, ryb 8 У У В У R2, R3a, R3b, Rpi-
vnt1.3
171-3 adg, ryb 7 УУ У В - R3b, Sen1
90-6-2 adg, phu, sto 7 УУ У У У R1, R2, Rpi-vnt1.3, H1
99-6-5 adg, phu, sto 3 В И У В R2, R3b, Rpi-vnt1.3,
Sen1, H1
99-6-6 adg, phu, sto 5 УВ И У В R1, R2, R3a, R3b, Rpi-
vnt1.3, Sen1
194-4т adg, phu, sto 7 УУ И В - RB/Rpi-blb1, R3b, Sen1
14/08-06 adg, dms, vll, sto, plt, 7-6 УУ В _ - R2, R3a, R3b, Rpi-
pnt, ber, sim vnt1.3,
15/13-09 adg, dms, vll, sto, plt, sim 7-6 УУ В - - R2, R3b, RB/Rpi-blb1
16/27-09 adg, dms, sto, plt, ber, sim 7 УУ В - - R1, RB/Rpi-blb-1
4-1-2012 adg, dms, vll, sto, plt, 7 УУ — _ - R1, RB/Rpi-blb-1
pnt, ber, sim, aln
38КВА adg, dms, sto, plt, mcd 7 УУ У - - R2, R3a, R3b, RB/Rpi-
blb1
клоны отобраны в потомстве от скрещивания или самоопыления ранее созданных доноров: 180-1 (в его родословной S. stoloniferum к-2490-5), 97-155-1 (в родословной сорт Bobr и гибрид 91-21-4, созданный с использованием S. andigenum и S. rybinii), 90-7-7 (в родословной S. stoloniferum, S. andigenum и S. rybinii) и 90-6-2 (в родословной S. stoloniferum, S. andigenum и S. phureja). Клон 90-6-2 и его потомство от скрещивания c сортом Hertha - клоны 99-6-5, 99-6-6- и др., сочетают устойчивость к нематоде и YBK (см. табл. 2).
В третьей селекционной группе выделены четыре клона, которые не поражаются YBK в полевых условиях. При испытании методом прививки установлен иммунитет кYBK клона 50/1. Появление устойчивости к разным патогенам у гибридов картофеля, выделенных в популяциях без проведения предварительного отбора по признакам устойчивости, объясняют рекомбинаци-онной изменчивостью, которая возникает при половой гибридизации [19]. Клоны третьей группы, отселекти-рованные по признаку устойчивости к фитофторозу, имеют разное происхождение. Источниками устойчивости к YBK у этих гибридов могли быть образцы S. berthaultii к-8510 [20] или S. simplicifolium к-5400 [21].
Маркеры генов расоспецифичной устойчивости к фитофторозу найдены у большинства гибридных клонов; частота этих маркеров колеблется от 0,23 для гена RB/ Rpi-blb1 до 0,70 для гена R3b. Маркеры гена RB/Rpi-
blb1= Rpi-sto1 (Rpi-blb1-820 и Rpi-sto1) достоверно чаще встречаются у гибридов третьей группы, чем в первой или второй (х2 = 5,24> х2 095=3,84). Этот ген обладает уникально широкой специфичностью по отношению к патотипам P. infestans [22], и его высокая встречаемость у гибридов третьей группы, очевидно, обусловлена присутствием генетического материала S. bulbocastanum (клон 93-5-30 создан с использованием S. acaulexS. bulbocastanum) или S. stoloniferum и близкородственных видов S. polytrichon и S. vallis-mexici (все три вида присутствуют в родословных 6 из 12 клонов сложных многовидовых гибридов картофеля). Маркер гена Rpi-vnt1.3 обнаружен у 8 из 11 исследованных гибридных клонов первой группы, все они созданы в результате скрещивания образца S. alandiae к-21240 с культурным картофелем. Ген Rpi-vnt1.3, также с широким спектром защитного действия против P. infestans, клонирован у южноамериканского дикорастущего вида S. venturii [23]. Обнаружение маркера этого гена у гибридов производных S. alandiae, позволяет предположить наличие структурного гомолога указанного гена у этого вида Solanum. Источники функциональных аллелей гена Rpi-vnt1.1 выявлены у нескольких дикорастущих видов Solanum, однако среди них нет S. alandiae [23].
Маркеры остальных генов устойчивости к фитофторозу: R1, R2, R3a и R3b обнаружены у гибридных клонов во всех трех селекционных группах примерно с равной частотой. Особый интерес для селекции представляют
гибридные клоны, у которых найдены сразу по несколько маркеров этих генов. Сочетание маркеров генов R2, R3a, R3b и Rpi-vnt1.3 обнаружено у клонов 135-1-2006, 97-155-1, 14/08-06; маркеры генов R2, R3a, R3b, RB/Rpi-blbl - у клона 38КВА; маркеры генов R1, R2, R3a и R3b - у клона 135-2-2006. У клона 99-6-6 найдены маркеры пяти генов: R1; R2; R3a; R3b; Rpi-vnt1.3.
У гибридных клонов, устойчивых к YBK, обнаружены маркеры разных генов Ry, обеспечивающих иммунитет (ER, extreme resistance) к этому вирусу. У каждого клона находили только один маркер одного гена, при этом у родственных клонов идентифицировали одинаковые маркеры генов Ry. Так, маркер RYSC3 гена Ryadg был обнаружен у всех пяти устойчивых кYBK клонов, отобранных в потомстве от скрещивания S. chacoense к-19759 с S. okadae к-20921. Маркер YES3A-3A гена Rygo найден у двух иммунных к YBK клонов, отобранных в потомстве от скрещивания сорта Bobr и S. chacoense к-19759. Источник гена Rysto у этих клонов материнская форма - сорт Bobr, полученный на основе селекционной линии MPI 50.140/5, в создании которой участвовал S. stoloniferum [24, 25].
Дальнейшее изучение потомства F1 от скрещивания клона 99-10-1 и сорта Русский сувенир подтвердило наследование маркера YES3A-3A гена Rysto по материнской линии.
Наши данные подтверждают ранее опубликованные сведения об обнаружении маркера RYSC3-320 гена Ryadg за пределами вида S. andigenum: в устойчивых к YBK сортах и гибридном материале из коллекции ВНИИКХ, которые происходят от S. stoloniferum, и у растений S. stoloniferum и S. pinnatisectum в коллекции ВИР, различающихся по реакции на YBK [16, 26]. В единичных генотипах S. stoloniferum обнаружены сразу два маркера разных генов Ry: RYSC3-320 маркер гена Ryadg и GP122/ EcoRV406 маркер гена Rysto. Такие результаты служат косвенным доказательством связи устойчивости к YBK с присутствием генов Rysto и Ryadg. Маркер PVX гена Rx1 обнаружен у пяти клонов разного происхождения; все они, по данным иммунодиагностики, не поражаются X вирусом картофеля в полевых условиях.
Маркеры гена H1, контролирующего устойчивость к патотипу Ro1 G. rostochiensis, обнаружены у всех устойчивых к этому паразиту 14 клонов из первой селекционной группы, созданных на основе видов S. alandiae, S. okadae или сорта Bobr. Во второй группе у устойчивых клонов 90-6-2 (происходящего от S. andigenum) и четырех, выделенных в потомстве от скрещивания 90-6-2 с сортом Hertha, найдены маркеры гена H1. Присутствие маркеров 57R и N195 гена H1 тесно связано с устойчивостью к нематоде (х2 = 17,17> х2 095 =3,84) у гибридов различного происхождения. STS маркер Gro1-4-1 другого гена устойчивости к G. rostochiensis Gro1-4 у исследованных гибридных клонов не обнаружен.
Маркер Gpa2-2 гена Gpa2-2, контролирующего устойчивость к патотипу Pa2 другого вида цистообра-зующей нематоды - Globoderapallida, обнаружен у двух гибридных клонов 134-6-2006 и 135-2-2006, оба они производные от S. alandiae. Для вывода о диагностической ценности маркера Gpa2-2 гена Gpa2-2 необходима дальнейшая оценка селекционного материала по устойчивости к бледной нематоде.
По результатам двух лабораторных тестов из 28 оцененных гибридных клонов десять были устойчивы к S. endobioticum. Маркер NL25 гена Sen1 найден только у двух устойчивых: 94-5 (Bobr х S. chacoense к-19759), 128-05-02 (97-155-1 х Наяда) и еще у пяти восприимчивых к раку картофеля гибридных клонов. Окончательный вывод об устойчивости образцов картофеля к раку делают после полевых испытаний. Но сопоставление результатов лабораторной оценки и маркерного анализа уже свидетельствует о непригодности маркера NL25 гена Sen1 для отбора селекционного материала на устойчивость к этому заболеванию.
Выводы. В ВИР методом межвидовой гибридизации культурного картофеля и его дикорастущих сородичей создан ценный селекционный материал - гибридные клоны с комплексом положительных качеств сортового картофеля и устойчивостью к патогенам, унаследованной от клубненосных видов Solanum. Лучшие гибриды 134-6-2006, 135-3-2005 и 194-4т по урожайности (974-1037 г/куст) превышали стандарт Наяда, по вкусовым качествам (3,84,8 баллов) и морфологическим признакам клубней все гибридные клоны соответствовали стандарту.
В качестве родительских форм для селекции на устойчивость к болезням и вредителям перспективны клоны с групповой устойчивостью: к фитофторозу, золотистой картофельной нематоде патотипа Ro1 и бледной картофельной нематоде патотипа Pa2 - клон 134-6-2006, к фитофторозу и золотистой картофельной нематоде патотипа Ro1 - клоны 117-2, 39-1-2005, 24-1 (производные S. alandiae), к фитофторозу и YBK - клоны 194-4т, 171-3, 38КВА, к нематоде и Y-вирусу - клоны 135-5-2005, 8-1-2004, 8-5-2004, к Y и X вирусам картофеля - клоны 94-5, 99-10-1 (производные S. chacoense). Уклонов 99-6-6, 135-1-2006, 97-155-1, 14/08-06 и 38КВА, созданных на основе разных комбинаций скрещивания диких и культурных видов картофеля, обнаружены разные комбинации генов, контролирующих устойчивость к расам Phytophthora infestans Mont. de Bary.
Установлено, что близкородственные гибридные клоны имеют сходные спектры генов RB/Rpi-blb1, Rpi-vnt1.3, H1, Ry. Диагностическую ценность для отбора селекционно-ценных форм имеют маркеры 57R и N195 гена H1, наличие которых тесно коррелирует с устойчивостью к золотистой нематоде патотипа Ro1. Маркер NL25 гена Sen1 непригоден для отбора селекционного материала на устойчивость к раку картофеля.
Литература.
1. Mcintosh R.A., Brown G.N. Anticipatory breeding for resistance to rust diseases in wheat//Annu. Rev. Phytopathol. 1997. Vol. 35. P. 311-326.
2. Упреждающая селекция: использование молекулярных маркеров при создании доноров устойчивости картофеля к фитофторозу на основе сложных межвидовых гибридов / О.А. Фадина, М.П. Бекетова, Е.А. Соколова, М.А. Кузнецова, Т.И. Сметанина, Е.В. Рогозина, Э.Е. Хавкин//Сельскохозяйственная биология. 2017. Т. 52. С. 84-94.
3. Сохранение, изучение и использование в селекции генетического разнообразия картофеля во ВНИИР им. Н. И. Вавилова / С.Д. Киру, Т.А. Гавриленко, Л.И. Костина, Е.В. Рогозина, О.Ю. Антонова, Э.В. Трускинов, Н.А. Швачко, Е.А. Крылова, А.Б. Смирнова //Достижения науки и техники АПК. 2007. Т. 21. №7. С. 2-6.
4. Клоновая коллекция диких клубненосных видов и межвидовых гибридов картофеля, изученная фитопатологическим методом и с помощью ДНК маркеров / Е.В. Рогозина, Э.Е. Хавкин, Е.А. Соколова, М.А. Кузнецова, Т.А. Гавриленко, Л.А. Ли-манцева, В.А. Бирюкова, Н.А. Чалая, Р.В. Джонс, К.Л. Дил// Тр. прикл. бот., генет. селекции. 2013. Т. 174. С. 23-32.
5. Marker-assisted combination of major genes for pathogen resistance in potato / C. Gebhardt, D. Bellin, H. Henselewski, W. Lehmann, J. Schwarzfischer, J.P.T. Valkonen//Theor. Appl. Genet. 2006. Vol. 112. P. 1458-1464.
6. Tiwari J.K., Gopal J., Singh B.P. Marker-assisted selection for virus resistance in potato: options and challenges // Potato J. 2012. Vol. 39. P. 101-117.
7. Molecular markers for late blight resistance breeding of potato: An update / J.K. Tiwari, S. Siddappa, B.P. Singh, S.K. Kaushik, S.K. Chakrabarti, V. Bhardwaj, P. Chandel// Plant Breed. 2013. Vol. 132. P. 237-245.
8. Review of potato molecular markers to enhance trait selection / A.P. Ramakrishnan, C.E. Ritland, R.H.B. Sevillano, A. Riseman //Am. J. Potato Res. 2015. Vol. 92. P. 455-472.
9. Valkonen J.P.T. Elucidation of virus-host interactions to enhance resistance breeding for control of virus diseases in potato// Breed. Sci. 2015. Vol. 65. P. 69-76.
10. Букасов С.М. Принципы систематики картофеля// Труды по прикл. ботанике, генетике и селекции. 1978. Т. 62(1). С. 3-35.
11. Горбатенко Л.Е. Виды картофеля Южной Америки (Экология, география, интродукция, систематика, селекционная значимость). Санкт-Петербург: ВИР, 2006. 456 с.
12. Будин К.З. Генетические основы создания доноров картофеля. Санкт-Петербург: ВИР, 40 с.
13. Симаков Е.А., Склярова Н.П., Яшина И.М. Методические указания по технологии селекционного процесса картофеля. М.: ООО Достижения науки и техники АПК, 2006. 72 с.
14. New approaches for measuring potato susceptibility to Phytophthora infestans / M.A. Kuznetsova, S.Yu. Spiglazova, A.N. Rogozhin, T.I. Smetanina, A.V. Filippov//PPO-SpecialReport, Wageningen, DLO Foundation. 2014. No. 16. P. 223-232.
15. Рогозина Е.В., Лиманцева Л.А., Хютти А.В. Исходный материал для селекции сортов картофеля с групповой устойчивостью к патогенам // Вестник защиты растений. 2008. № 4. С. 62-64.
16. Изучение генетических коллекций ВНИИ картофельного хозяйства с помощью молекулярных маркеров/В.А. Бирюкова, И.В. Шмыгля, А.А. Мелёшин, А.В. Митюшкин, В.В. Минанков, С.Б. Абросимова //Достижения науки и техники АПК. 2016. Т. 30. № 10. С. 22-26.
17. Huaman Z., Ross R. Updated listing of potato species names, abbreviations and taxonomic status // Am. Potato J. 1985. Vol. 62. P. 629-641.
18. Potato cyst nematode (PCN) resistance: genes, genotypes and markers - an update / B.V. Dalamu, R. Umamaheshwari, R. Sharma, S.K. Kaushik, T.A. Joseph, B.P. Singh, C. Gebhardt // SABRAO Journal of Breeding and Genetics. 2012. Vol. 44. P. 202-228.
19. Jansky S., Rouse D. Multiple disease resistance in interspecific hybrids of potato // Plant Disease. 2003. Vol. 87. P. 266-272.
20. Будин К.З., Т.И. Дикие виды картофеля как доноры устойчивости к патогенам. // Генетика, селекция и исходный материал картофеля: сборник научных трудов по прикладной ботанике, генетике и селекции. Л.: ВИР, 1987. Т. 115. С. 7-18.
21. Житлова Н.А. Создание исходного материала картофеля, устойчивого к фитофторозу и вирусу Y. // Генетика, селекция и исходный материал картофеля: сборник научных трудов по прикладной ботанике, генетике и селекции. Л.: ВИР, 1987. Т. 115. С. 23-27.
22. Durable late blight resistance in potato through dynamic varieties obtained by cisgenesis: Scientific and societal advances in the DuRPh project/A.J. Haverkort, P.M. Boonekamp, R. Hutten, E. Jacobsen, L.A.P. Lotz, G.J.T. Kessel, J.H. Vossen, R.G.F. Visser //Potato Res. 2016. Vol. 59. P.35-66.
23. Mapping and cloning of late blight resistance genes from Solanum venturii using an interspecific candidate gene approach / M.A. Pel, S.J. Foster, T.H. Park, H. Rietman, G. van Arkel, J.D. Jones, H.J. Van Eck, E. Jacobsen, R.G.F. Visser, E.A. Van der Vossen // Mol. Plant-Microbe Interact. 2009. Vol. 22. P. 601-615.
24. 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 // Am. J. Potato Res. 2008. Vol. 85. P. 392-393.
25. The European Potato Cultivated Potato Database [Электронный ресурс] URL: https://www.europotato.org/parents. php?variety_name=MPI%2050%20140%205(Дата обращения 3.10.2017).
26. Межвидовое и внутривидовое разнообразие картофеля по устойчивости к Y-вирусу / Е.В. Рогозина, О.Ю. Шувалов, О.Ю. Антонова, Т.А. Гавриленко // Сельскохозяйственная биология. 2012. Т. № 5. С. 64-69.
INTERSPECIFIC HYBRIDS AS PARENTAL LINES IN ANTICIPATORY BREEDING FOR POTATO
RESISTANT TO DISEASE AND PESTS
E.V. Rogozina1, V.A. Biryukova2, E.A. Simakov2, V.A. Zharova2, N.A. Chalaya1, M.A. Kuznetsova3, A.N. Rogozhin3, M.P. Beketova4, O.A. Fadina4, E.E. Khavkin4
'Federal Research Center the N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources (VIR), ul. B. Morskaya, 42-44, Sankt-Petersburg, 190000, Russian Federation
2A.G. Lorkh All-Russian Research Institute of Potato Farming, ul. Lorkha, 23, pos. Kraskovo, Lyuberetskii r-n, Moskovskaya obl., 140051, Russian Federation
3All-Russian Research Institute of Phytopathology, ul. Institute, vl. 5, r.p. Bol'shie Vyazemy, Odintsovskii r-n, Moskovskaya obl.,143050, Russian Federation
4All-Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology, ul. Timiryazevskaya, 42, Moskva, 127550, Russian Federation Abstract. The objective of the study was to clarify the perspective of usage of 60 interspecific hybrid clones as parents for potato breeding program focusing on resistance to pest and diseases, including marker-assisted breeding approach. Hybrid clones were assessed in 2014-2016 on the complex of important traits (agronomic and physiological features and product quality) and after artificial inoculation with late blight, potato virus X golden nematode of Ro1 pathotype and potato wart. We carried out a DNA-analysis of hybrid clones to the presence of SCAR-markers of genes of resistance to late blight (R1, R2, R3a, R3b, RB/Rpi-blb1 = Rpi-sto1, Rpi-vnt1.3), golden nematode (H1, Gro1-4) and potato virus X (Rx1), or STS-markers of genes of resistance to white potato cyst nematode (Gpa2-2), Y-potato virus (Ry sto, Ry adg) and to potato wart (Sen1). We recognized hybrid clones encompassing numerous economically valuable traits as well as resistance to several pathogens: clone 134-6-2006 possesses resistance to late blight and two nematodes (pathotype Ro1 Globodera rostochiensis and Pa2 G. pallida), clones 117-2, 39-1-2005 and 24-1 possess resistance to late blight and pathotype Ro1 G. rostochiensis, clones 194-4t, 171-3 and 38 KBA possess resistance to late blight and potato virus X clones 135-3-2005, 8-1-2004 and 8-5-2004 possess resistance to nematode Ro1 G. rostochiensis and potato virus X both clones 94-5 and 99-10-1 possess resistance to potato virus X and potato virus Y Some hybrid clones: 99-6-6, 135-1-2006, 97-155-1, 14/08-06 and 38КВА selected among progenies from crosses between diverse wild and cultivated potato species were identified as outstanding due to their combinations of R-genes controlling resistance to various strains of Phytophthora infestans Mont. de Bary. DNA markers for six R-genes: R3a, R3b, Rpi-vnt1.3, Rx1, H1 and Gpa 2, were detected in 134-6-2006 genotype (derivative from S. alandiae); DNA markers for four R-genes: H1, Sen1, Rx1 and Ry sto were detected in 94-5 genotype (with S. chacoense in pedigree).
Keywords: Solanum; Petota; Phytophthora infestans; Globodera rostochiensis; Synchytrium endobioticum; potato Y virus; interspecific hybridization; introgression breeding; DNA markers for R genes.
Author Details: E.V. Rogozina, D. Sc. (Biol.), leading research fellow (e-mail: [email protected]); V.A. Biryukova, Cand. Sc. (Biol.), head of laboratory; E.A. Simakov, D. Sc. (Agr.), head of breeding center; V.A. Zharova, Cand. Sc. (Agr.), research fellow; N.A. Chalaya, Cand. Sc. (Agr.), junior research fellow; M.A. Kuznetsova, Cand. Sc. (Biol.), head of division; A.N. Rogozhin, Cand. Sc. (Agr.), senior research fellow; M.P. Beketova, Cand. Sc. (Biol.), senior research fellow; O.A. Fadina, Cand. Sc. (Biol.), senior research fellow; E.E. Khavkin, D. Sc. (Biol.), head of laboratory.
For citation: Rogozina E.V., Biryukova V.A., Simakov E.A., Zharova V.A., Chalaya N.A., Kuznetsova M.A., Rogozhin A.N., Beketova M.P., Fadina O.A., Khavkin E.E. Interspecific Hybrids as Parental Lines in Anticipatory Breeding for Potato Resistant to Disease and Pests. Dostizheniya naukii tekhnikiAPK. 2018. Vol. 32. No. 1. Pp. 26-31 (in Russ.).
