Molecular markers of genes for extreme resistance to potato virus Y in varieties and hybrids Solanum tuberosum L.

Cover Page

Abstract


Potato virus Y (PVY) are among the most harmful viral pathogens that reduce the yield and quality of potatoes. The number of modern varieties resistant to a wide range of PVY strains is very limited, therefore, the selection of potatoes in this direction does not become irrelevant. Molecular markers of the Ry genes are universal tools for identifying new sources of resistance among existing biodiversity of potato genotypes. Since potato varieties and hybrids containing Rysto tend to exhibit cytoplasmic male sterility associated with γ mitochondrial DNA, the definition of cytoplasmic types is important. In the article, molecular markers of the Ry genes — YES3-3A, YES3-3B, RYSC3, Ry186 were used for screening foreign and Russian varieties and hybrids potatoes from the collections of Lorch Potato Research Institute and N.I.Vavilov Institute of Plant Genetic Resources. Molecular screening and analysis of рedigree revealed that russian varieties and hybrids of potatoes characterized by extreme resistance to PVY were obtained on the basis of foreign varieties Alwara, Arosa, Bison, Bobr, Roko, as well as backcrosses of the Hungarian selection – donors of the Rysto gene linked to cytoplasmic male sterility, and forms 128/6 – a donor of the Ryadg gene, derived from S. stoloniferum. The marker RYSC3 coupled to Ryadg was found in interspecies hybrids of N.I.Vavilov Institute of Plant Genetic Resources – 8-1-2004, 8-3-2004, 8-5-2004, 135-5-2005, 135-3-2005, having the same origin with the participation of S. okadae species K-20921 Hawkes et Hjerting and S. chacoense K-19759 Bitt. The marker Ry186 of the gene Rychc is rare. It is present in 5% of the potato genotypes. Molecular screening revealed samples of potatoes with markers of the Ry genes. They are of particular interest for further breeding. Data on the presence of Ry markers of genes in potato varieties and hybrids, serve as valuable information in the selection of initial forms for hybridization.


Full Text

Картофель как вегетативно размножаемая культура накапливает вирусы, которые сохраняясь в клубнях, передаются в последующие поколения и в зависимости от штамма, условий возделывания и сортовых особенностей способны снижать урожайность от 5 до 80% [1]. На сортах и гибридах в Центральном регионе РФ по результатам иммуноферментного анализа (ИФА) диагностируются Y, Х, M и S вирусы картофеля. По распространению и вредоносности наиболее важен Y вирус картофеля (YВК), поражение которым может привести к полному вырождению растений, особенно в смеси с Х и M вирусами. В настоящее время известно 9 групп штаммов и выявляют все новые изоляты YВК [2]. Оптимальная стратегия борьбы с вирусными болезнями – селекция на устойчивость, обеспечивающая долговременную защиту картофеля независимо от появления новых штаммов патогенов. Устойчивые к YВК сорта картофеля очень выгодны для семеноводства, поскольку их можно возделывать при более продолжительном периоде сортообновления. Так, сорта Ресурс, Колобок, Голубизна выращивают в условиях жесткого инфекционного фона Московской области в течение более чем 25 лет.

Выделяют два основных типа устойчивости к вирусам картофеля – реакция сверхчувствительности и экстремальная (крайняя) устойчивость. Экстремальная устойчивость обнаружена у некоторых видов Solanum – к YВК – у S. stoloniferum Schlechtd. et Bche, S. andigenum Juz. et Buk., S. chacoense Bitt. Этот тип устойчивости не является штаммоспецифичным, наследуется моногенно и контролируется основными генами соответственно Ryadg, Rysto, Rychc [3,1]. Ry-опосредованная устойчивость эффективна в отношении всех, в том числе и широко распространенных рекомбинантных – NTN (PVYNTN) и Wilga (PVYN-Wi/PVYN:O) штаммов YВК [4]. Молекулярные маркеры, сцепленные с Ry генами, разработаны и широко применяют в селекции для эффективного отбора генотипов, поиска новых источников и доноров, а также для определения аллельного состояния у исходных форм картофеля [5-11].

Цель исследования – выделение источников экстремальной устойчивости к XВК и YВК среди сортов и гибридов картофеля отечественной и зарубежной селекции из коллекции Всероссийского научно-исследовательского института картофельного хозяйства имени А.Г. Лорха – ВНИИКХ и Всероссийского научно-исследовательского института растениеводства имени Н.И. Вавилова – ВИР на основании скрининга на наличие маркеров Ry генов и анализа родословных, данных о фенотипической устойчивости к YВК; изучение интрогрессии Ry генов от беккроссов различного происхождения в сорта и новый гибридный материал.

Методика. Растительный материал. На наличие маркеров генов экстремальной устойчивости к YВК протестировано 190 генотипов картофеля, из них 135 сортов отечественной и зарубежной селекции, 55 перспективных гибридов и гибридов-беккроссов межвидового происхождения из коллекции ВНИИКХ и ВИР.

Молекулярный анализ. Выделение ДНК проводили CTAB-методом [6]. Молодые листья растений, световые ростки клубней (200-250 мг) гомогенизировали с 1 мл 2×-CTAB буфера, содержащего 2% (v/v) 2-меркаптоэтанола. Для молекулярного скрининга использовали STS маркеры YES3-3A и YES3-3B гена Rysto, [6], SCAR-маркер RYSC3 гена Rуadg [5], STS маркеры Ry186 гена Rychc [7]. Амплификацию ДНК проводили в термоциклере PTC-100 (MJ Research). Нуклеотидные последовательности праймеров и условия ПЦР соответствовали для YES3-3A и YES3-3B, RYSC3 и Ry186 [5-7]. Реакционная смесь объемом 25 µl (мкл) содержала 2,5 µl (мкл) 2,5 mM (мМ) смесь дезоксинуклеозидтрифосфатов (Хеликон, Россия), 2,5 µl (мкл) 25 mM (мМ) водный раствор хлорида магния (Thermo Fisher Scientific, Литва), 0,1-0,5 µl (мкл) 100 µM (мкМ) каждого праймера (Синтол, Россия), 0,2 µl (мкл) термостабильной ДНК-полимеразы (Синтол, Россия) 5 е.а./µl (е.а./мкл), 2,5 µl (мкл) 10Х реакционный буфер для термостабильной ДНК-полимеразы (Синтол, Россия), 5 µl (мкл) пробы кДНК и 10-14 µl (мкл) воды милли-Q качества. Присутствие специфических фрагментов детектировали электрофоретическим разделением продуктов амплификации в 1,5-2%-ном агарозном геле, окрашенным бромистым этидием.

Данные о фенотипической устойчивости к YВК у иностранных сортов картофеля были взяты из European cultivated potato database [12]. Сорта селекции ВНИИКХ и гибриды ВИР ранее оценивали на устойчивость к PVY с использованием стандартных методов естественного и искусственного заражения [13, 14]. Информация о родословных сортов была составлена по Zimnoch-Guzowska E. [15], Яшиной и др. [13], European cultivated potato database [12].

Результаты и обсуждениe. Скрининг сортов и гибридов картофеля с использованием STS маркеров YES3-3A и YES3-3B Rysto, анализ родословных. Маркеры YES3-3A и YES3-3B гена Rysto обнаружены в отечественных сортах Ресурс, Погарский, Корона, Брянский красный, Юбилей Жукова, Сокольский, Москворецкий, Колобок, Накра, Гранд, Метеор, Ильинский и иностранных сортах Blue Danube (Венгрия), Bobr (Польша), Estrella, Delphine, Ronea (Германия), Roko (Нидерланды), характеризующихся относительно высоким уровнем устойчивости к YВК. Наличие YES3-3A и YES3-3B в немецких сортах картофеля Alwara, Arosa, Assia, Fanal, Franzi, Heidrun, Ute, на которых STS маркеры ранее были валидированы [6], и в некоторых отечественных сортах картофеля совпадает с результатами других аналогичных исследований [16-18], что свидетельствует о воспроизведении метода селективного скрининга для гена Rysto, разработанного Song, Schwarzfischer [6].

Происхождение Rysto гена может быть различным в зависимости от того, какой образец S. stoloniferum использовали изначально. Согласно анализу родословных, отечественные сорта и гибриды картофеля, в которых обнаружены маркеры YES3-3A и YES3-3B, в зависимости от первоисточников гена Rysto можно разделить на три группы. Первая группа включает сорта Накра (от Bison), Гранд и гибриды картофеля комбинаций 1575, 1603, 4421, 4434, 4547, 4624, 4707, 4701, полученные на основе немецких сортов Alwara, Arosa и голландского сорта Roko (рис. 1). Во вторую группу входят отечественные сорта – Колобок, Москворецкий, Погарский, Ресурс, Корона, Юбилей Жукова, Брянский красный, Сокольский, отобранные в первом-втором поколении от скрещиваний с пятивидовыми (sto, dms, tbr, acl, chc) гибридами (69.54.03.259, КЕ-23, KE-31, КZ-1001, KE-1001), а также гибридные комбинации 92.13, 2650, 4694, 4698, 4609 на их основе (рис. 2). Пятивидовые гибриды – источники крайней устойчивости к Y, Х и S вирусам картофеля были получены от доктора I. Sárvári из Венгрии. Третья группа происходит от скрещивания родителей ((гибрид S. stoloniferum) × Frühmolle × Falke). К ней относятся межвидовые гибриды ВИР – 94-5 и 99-10-1 (от сорта Bobr), а также гибридные комбинации 2107 и 1719 (рис. 3).

Отечественные сорта Метеор и Ильинский, в которых выявлены маркеры Rysto, не причислены ни к одной из трех групп в связи с неточностями в их родословных. Материнские компоненты сортов Метеор и Ильинский – соответственно гибрид 84.19/44 и сорт Atlantic, по линии которых должна наследоваться крайняя устойчивость к YВК, не содержат YES3-3A и YES3-3B. Возможной причиной этому является неверно указанное происхождение сортов Метеор и Ильинский. Анализ родословных и результаты молекулярного скрининга подтверждают наследование Rysto по материнской линии.

 

Рис. 1. Родословная сортов и гибридов первой группы.

 

Рис. 2. Родословная сортов и гибридов второй группы.

 

Рис. 3. Родословная сортов и гибридов третьей группы.

 

Скрининг сортов и гибридов картофеля с использованием SCAR-маркера RYSC3 гена Rуadg и STS маркера Ry186 гена Rychc, анализ родословных. Маркер RYSC3 сцеплен с геном Ryadg, который интрогрессирован в сорта картофеля от культурного вида S. andigenum. Возможно, источником гена Ryadg, для маркирования которого разработан RYSC3, является не только S. andigenum. Доказательством данного предположения может быть присутствие RYSC3 маркера в форме 128-6 и в созданных с ее участием устойчивых к YВК отечественных сортах Голубизна, Эффект, Фрителла (от Эффекта), Киви, Вектор (2372-66), Находка (2372-60) и комбинациях гибридов 97.11, 2657, 2660, 2747, 2748, 4497, 4514, 4762, 4767, 4769, а также в сорте Брянский ранний, полученных от смеси семян от самоопыления беккроссов S. stoloniferum x S. tuberosum (поколение S1Bn или F2Bn) (рис. 4). Семена беккроссов были предоставлены доктором N. Simmonds из Великобритании. Наиболее эффективная родительская форма – гибрид 128-6 – обладает высокой фертильностью, что редко встречается у форм, устойчивость к YВК в которых наследуется от S. stoloniferum.

По результатам молекулярного скрининга, RYSC3 обнаружен в межвидовых гибридах ВИР – 8-1-2004, 8-3-2004, 8-5-2004, 135-5-2005, 135-3-2005 и гибридной комбинации 2132, имеющих одинаковое происхождение с участием видов S. okadae к-20921 Hawkes et Hjerting и S. chacoense к-19759 Bitt (рис. 5). Помимо S. andigenum маркер гена Ryadg был обнаружен в других видах Solanum. Установлено, что маркер RYSC3 широко представлен в устойчивых к YВК образцах, как S. andigenum, так и S. stoloniferum, S. demissum, S. tarnii Hawkes & Hjert [9, 19]. Специфический фрагмент RYSC3 размером 320 п.н. (пар нуклеотидов) также был выявлен у Y-иммунных и Y-восприимчивых генотипов S. pinnatisectum Dun. В исследуемых зарубежных сортах картофеля RYSC3 не найден, и по данным Гавриленко и др. [20], среди видов Solanum SCAR маркер Ryadg встречается также крайне редко – всего у 2% образцов.

Маркер гена Rychc присутствует в сорте Axona (Венгрия) и гибридных комбинациях 1721, 1731, 4830, 4829, полученных на основе сортов Sarpo Mira (Венгрия), Белоснежка, Башкирский, Тирас (Украина), в которых Ry186 был выявлен ранее [16]. Однако источники гена Rychc у сортов Sarpo Mira (Венгрия), Axona (Венгрия), Башкирский, Тирас (Украина) не известны. Маркер гена Rychc не обнаружен в широко используемых в селекционных программах родительских линиях – беккроссах 88.16/20 и 88. 34/14, полученных на основе S. chacoense f. garciae 58d и характеризующихся относительно высоким уровнем полевой устойчивости к YВК. В происхождении сорта Белоснежка через гибрид Г-264 участвует другая форма S. сhacoense, от которой может наследоваться ген Rychc.

 

Рис. 4. Родословная сортов и гибридов, полученных от самоопыления беккроссов S. stoloniferum x S. tuberosum.

 

Рис. 5. Родословная межвидовых гибридов ВИР.

 

Следует отметить, что отечественные и иностранные сорта картофеля Браво, Бриз, Волат, Взрыв, Дарёнка, Жигулёвский, Жуковский ранний, Журавинка, Крепыш, Лилея, Нида, Скарб, Фаворит, Фиолетовый, Уладар, Утёнок, Янтарь, Impala, Riviera, Red Scarlett, Secura, в которых по результатам ИФА и ОТ-ПЦР анализа детектирована YВК инфекция [21], не содержат молекулярные маркеры Ry генов. Отсутствие маркеров в восприимчивых генотипах картофеля свидетельствует в пользу их специфичности.

Таким образом, молекулярный скрининг и анализ родословных позволили выявить первоисточники экстремальной устойчивости к Y вирусу картофеля у сортов и гибридов из коллекции ВНИИКХ и ВИР. При этом Ry гены имеют различное происхождение. По результатам молекулярного скрининга, среди исследуемых генотипов картофеля преобладают сорта и гибриды с маркерами гена Rysto. Это связано с длительным использованием в селекции картофеля в качестве источников устойчивости к YВК немецких сортов от S. stoloniferum. Однако образцы картофеля с комбинацией маркеров различных Ry генов не обнаружены. Для дальнейшего прогресса селекции в этом направлении необходимо расширять генетическую базу исходного материала за счет привлечения новых источников устойчивости. В связи с этим в качестве родительских форм на устойчивость к YВК перспективны межвидовые гибриды ВИР – 8-1-2004, 8-3-2004, 8-5-2004, 135-5-2005, 135-3-2005, полученные с участием S. okadae и S. chacoense, в которых присутствует маркер RYSC3. Поскольку экстремальная устойчивость в большей степени, чем другие типы защиты, может быть преодолена за счет возникновения рекомбинантных штаммов вирусных патогенов, поиск новых Ry генов остается актуальной задачей для селекции картофеля. Более того, в сортах картофеля нового поколения необходимо объединять как Ry гены из разных источников, так и гены разных типов устойчивости.

About the authors

V. A. Biryukova

Lorch Potato Research Institute

Author for correspondence.
Email: vika_biryukova@inbox.ru

Russian Federation, Moskovskaya oblast, Kraskovo

candidate of biological sciences

I. V. Shmiglya

Lorch Potato Research Institute

Email: vika_biryukova@inbox.ru

Russian Federation, Moskovskaya oblast, Kraskovo

V. A. Zharova

Lorch Potato Research Institute

Email: vika_biryukova@inbox.ru

Russian Federation, Moskovskaya oblast, Kraskovo

candidate of agricultural sciences

M. P. Beketova

Institute of Agricultural Biotechnology

Email: vika_biryukova@inbox.ru

Russian Federation, Moskva

candidate of biological sciences

 

E. V. Rogozina

N.I. Vavilov Research Institute of Plant Industry

Email: vika_biryukova@inbox.ru

Russian Federation, Sankt-Peterburg

Doctor of Biological Sciences

A. V. Mityushkin

Lorch Potato Research Institute

Email: vika_biryukova@inbox.ru

Russian Federation, Moskovskaya oblast, Kraskovo

candidate of agricultural sciences

A. A. Meleshin

Lorch Potato Research Institute

Email: vika_biryukova@inbox.ru

Russian Federation, Moskovskaya oblast, Kraskovo

candidate of agricultural sciences

References

  1. Ahmadvand R., Takács A., Taller J., Wolf I. and Polgár Z. Potato viruses and resistance genes in potato // Acta Agronomica Hungarica. – 2012. – V.60. – № 3. – Р. 283–298. doi: 10.1556/AAgr.60.2012.3.10.
  2. Chikh-Ali M., Alruwaili H., Pol D. V. and Karasev A. V. Molecular characterization of recombinant strains of Potato virus Y from Saudi Arabia // Plant Disease. – 2016. – V.100. – №2. – P. 292–297. doi: 10.1094/PDIS-05-15-0562-RE
  3. Росс Х. Селекция картофеля. Проблемы и перспективы. – М.: Агропромиздат, 1989. – 183 с. ISBN 5-10-001364.
  4. Ribeiro SRRP, Pinto CABP, Costa SBFG, Menezes M and Figueira AR. Resistance of potato clones to necrotic recombinant strains of potato virus Y (PVY) // Ciência Agrotecnologia. – 2014. – V.38. – №4. – P.343–351.
  5. Kasai K., Morikawa Y., Sorri V.A., Valkonen J.P.T., Gebhardt C. and 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. – V.43. – P.1–8.
  6. 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. – V.85. – P.159–170. doi: 10.1007/s12230-008-9012-8.
  7. Mori K., Sakamoto Y., Mukojima N., Tamiya S., Nakao T., Ishii T. and Hosaka K. Development of a multiplex PCR method for simultaneous detection of diagnostic DNA markers of five disease and pest resistance genes in potato // Euphytica. – 2011. – V.80. – P. 347 – 355. doi: 10.1007/s10681-011-0381-6.
  8. Lopez Pardo R., Barandalla L., Ritter E., and de Galarreta J.I.R. Validation of molecular markers for pathogen resistance in potato // Plant Breeding. – 2013. – V.132. – №3. – P. 246–251. doi: 10.1111/pbr.12062
  9. Рогозина Е.В., Шувалов О.Ю., Антонова О.Ю., Гавриленко Т.А. Межвидовое и внутривидовое разнообразие картофеля по устойчивости к Y вирусу // Сельскохозяйственная биология. – 2012. – T. 47. – №5. – С. 64-69.
  10. Ермишин А.П., Свиточ О.В., Воронкова Е.В., Гукасян О.Н., Лукша В.И. Определение состава и аллельного состояния генов устойчивости к болезням и вредителям у родительских линий картофеля с помощью ДНК-маркеров // Генетика. – 201.6 – T. 52. – №.5 – С. 569-578. doi: 10.7868/S0016675816050052
  11. Гавриленко Т.А., Клименко Н.С., Антонова О.Ю., Лебедева В.А., Евдокимова З.З., Гаджиев Н.М., Апаликова О.В., Алпатьева Н.В., Костина Л.И., Зотеева Н.М., Мамадбокирова Ф.Т., Егорова К.В. Молекулярный скрининг сортов и гибридов картофеля северо-западной зоны Российской Федерации // Вавиловский журнал генетики и селекции. – 2018. – Т. 22. – № 1. – С. 35-45. doi: 10.18699/VJ18.329
  12. European cultivated potato database (http://www.europotato.org/ index.htm)
  13. Яшина И.М., Склярова Н.П., Симаков Е.А. Оценка эффективности исходного материала картофеля по результатам селекционной работы на устойчивость к вирусам и фитофторе. // Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. – 1998. – №5. – С. 5- 12.
  14. Рогозина Е.В., Бирюкова В.А., Симаков Е.А., Жарова В.А., Чалая Н.А., Кузнецова М.А., Рогожин А.Н., Бекетова М.П., Фадина О.А., Хавкин Э.Е. Межвидовые гибриды как родительские формы для упреждающей селекции картофеля на устойчивость к болезням и вредителям // Достижения науки и техники АПК. – 201.8 – Т. 32. – №1. – С. 26-31. doi: 10.24411/0235-2451-2018-10105
  15. Zimnoch-Guzowska E. Pedigree of European and north-American potato varieties // Plant Breeding and Seed Science. – 1997. – V.41. – №1. – P. 3-143
  16. Бирюкова В.А., Шмыгля И.В., Абросимова С.Б., Запекина Т.И., Мелёшин А.А., Митюшкин А.В., Мананков В.В. Поиск источников генов устойчивости к патогенам среди образцов селекционно-генетических коллекций ВНИИКХ с использованием молекулярных маркеров // Защита картофеля. – 2015. – №1. – С. 3-7.
  17. Бекетова М.П., Соколова Е.А., Рогозина Е.В., Кузнецова М.П., Хавкин Э.Е. Два ортолога гена R1 устойчивости к фитофторозу у дикорастущих и культурных форм картофеля // Физиология растений. – 2017. – Т. 64. – №5. – С. 372-382. doi: 10.7868/S0015330317050025
  18. Антонова О.Ю., Клименко Н.С., Евдокимова З.З., Костина Л.И., Гавриленко Т.А. Последовательности, гомологичные участкам гена RB/Rpi-blb1/Rpi-sto1, у сортов картофеля, созданных методами традиционной селекции // Вавиловский журнал генетики и селекции. – 2018. – T.22. – №6. – С. 693-702. doi: 10.18699/VJ18.412
  19. Бекетова М.П., Рогозина Е.В., Чалая Н.А., Хавкин Э.Е. (2018) 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
  20. Гавриленко Т.А., Афанасенко О.С., Антонова О.Ю., Рогозина Е.В., Хютти А.В., Шувалов О.Ю., Исламшина А.Р., Чалая Н.А. Разработка технологии оценки генетического разнообразия культурных и диких видов картофеля по устойчивости к вирусным заболеваниям и к раку на основе современных молекулярно-генетических и фитопатологических методов (08-04-13747). / В книге: Ориентированные фундаментальные исследования и их реализация в АПК России: материалы конференции,2009. – C. 94-100.
  21. Усков А.И., Варицев Ю.А., Бирюкова В.А., Галушка П.А., Варицева Г.П., Шмыгля И.В., Кравченко Д.В. Изучение штаммового состава Y вируса картофеля из различных регионов Российской Федерациии и Беларуси // Земледелие. –2016. – №8. – С. 36-38.

Supplementary files

There are no supplementary files to display.

Statistics

Views

Abstract - 206

PDF (Russian) - 58

Cited-By


PlumX

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2019 Russian academy of sciences

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies