CC BY
28DOI: 10.24411/2309-348X-2018-11044 УДК 575.827.5 : 577.112.825
ИНТРОГРЕССИЯ ДОМИНАНТНОГО ГЕНА УСТОЙЧИВОСТИ К МУЧНИСТОЙ РОСЕ ИЗ ГЕНОМА ДИКОГО ВИДА ГОРОХА PISUM FULVUM
С.В. БОБКОВ, кандидат сельскохозяйственных наук Т.Н. СЕЛИХОВА, кандидат биологических наук
ФГБНУ «ФНЦ ЗЕРНОБОБОВЫХ И КРУПЯНЫХ КУЛЬТУР» E-mail: [email protected]
В условиях тепличного бокса выделен образец дикого вида гороха P. fulvum и-609881 коллекции ФИЦ ВИГРР им Н.И. Вавилова, полностью устойчивый к возбудителю мучнистой росы Erysiphe pisi DC, и получены межвидовые гибриды Стабил х и-6098881. В популяциях межвидовых гибридов в результате возвратных скрещиваний выделена линия BC2F3 Стабил х и-609881, устойчивая к возбудителю мучнистой росы. Следующая генерация гибридов гороха получена в результате скрещивания растений указанной линии с восприимчивыми растениями сорта Темп. Все гибриды F1 характеризовались устойчивостью к возбудителю мучнистой росы. Анализ расщепления в гибридной популяции F2 по признаку устойчивости к мучнистой росе выявил 66 устойчивых растений и 20 пораженных, что соответствовало ожидаемому для моногенного наследования расщеплению 3 : 1 (хо52 тест, p=0,7087438). Изучение популяций гибридов F1 и F2 показало, что устойчивость к мучнистой росе является результатом интрогрессии генетического фактора устойчивости из генома образца P. fulvum и-609881 и кодируется доминантным аллелем одного гена.
Ключевые слова, горох, P. fulvum, межвидовой гибрид, мучнистая роса, ген устойчивости.
Мучнистая роса гороха (Erysiphe pisi DC, Ascomycetes) является специализированной формой E. pisi f. sp. pisi (Hammarl) Boerema, адаптированной к инфицированию только гороха [1]. Мучнистая роса является опасной болезнью, приводящей к снижению урожайности на 25-50% и заметному ухудшению качество зерна [2]. Мучнистая роса распространена во всем мире, особенно активно проявляется в климатических условиях, характеризующихся высокой температурой днем и низкой ночью [3]. Использование в сельскохозяйственном производстве сортов гороха, устойчивых к мучнистой росе, является наиболее эффективной, экономически и экологически обоснованной стратегией.
Впервые устойчивые к мучнистой росе источники были выделены из перуанских образцов гороха [4]. Устойчивость к мучнистой росе определялась рецессивным геном erl, который нашел широкое применение в селекции гороха. Если ген er1 обеспечивает почти полную устойчивость к заболеванию, то второй рецессивный ген er2 проявляет защитное действие только на листьях [5]. Использование гена er2 проблематично вследствие того, что его протекторное действие проявляется в определенных условиях произрастания растений, a его экспрессия зависит от температуры и возраста листьев [6]. Оба гена локализованы в различных группах сцепления [7, 8]. Третий доминантный ген Er3, обеспечивающий устойчивость к возбудителю мучнистой росы, был идентифицирован в образце дикого вида гороха P. fulvum и в результате интрогрессии стал доступен для использования в селекционном процессе [3]. Устойчивость к мучнистой росе у гена erl основана на барьере для проникновения, созданном в результате потери функции у фактора восприимчивости -кодируемом этим геном белка PsMLO [9], а у генов er2 и Er3 - на эффекте гиперчувствительности после проникновения патогена в клетки [3]. Для гена Er3 идентифицированы два RAPD маркера, локализованные в 2 альтернативных фазах на расстоянии от 0 до 2,8 см. Они были конвертированы в SCAR-маркеры, позволяющие с
высокой надежностью проводить маркерную селекцию [10]. Проведенные исследования выявили независимое моногенное наследование генов erl, er2 и Er3 [11].
Для пополнения генофонда культурного гороха новыми генами хозяйственно-ценных признаков в нашей лаборатории получена серия межвидовых гибридов гороха P. sativum х P. fulvum [12, 13, 14]. Исследование формообразовательного процесса в условиях инфекционного фона тепличного бокса в беккроссируемой популяции межвидовых гибридов Стабил х и-609881 позволило выделить линии гибридов BC1-2F3-5, устойчивые к возбудителю мучнистой росы [15]. Цель настоящего исследований состояла в изучении наследования признака устойчивости к мучнистой росе, полученного от образца P. fulvum и-609881, для использования в фундаментальных исследованиях и селекции гороха.
Материалы и методы Межвидовые гибриды гороха для интрогрессии устойчивости к мучнистой росе получены в комбинации Стабил х и-609881. Родительский сорт Стабил поражался мучнистой росой, а образец P. fulvum и-609881 коллекции ФИЦ ВИГРР им Н.И. Вавилова был полностью устойчивым к патогену. Межвидовые гибриды в течение нескольких лет выращивали в тепличном боксе, где проводили возвратные скрещивания с родительским сортом Стабил. Растения выращивали в условиях высокой температуры в летнее время и низких температур - в осенний период вегетации. В процессе вегетации растений наблюдались значительные перепады температуры днем и ночью, что создавало благоприятные условия для поражения растений мучнистой росой. В этих условиях в результате возвратных скрещиваний и отбора устойчивых растений была получена устойчивая к мучнистой росе линия гороха BC2F3 Стабил х и-609881 с долей генома P. fulvum 12,5%.
Устойчивые к мучнистой росе растения указанной линии гороха безлисточкового морфотипа (af) скрещивали с восприимчивыми к патогену растениями листочкового (Af) сорта Темп. Гибриды F1 и F2 выращивали в тепличном боксе и анализировали по признакам устойчивости к мучнистой росе и морфологии листа. Соответствие фактического и ожидаемого расщепления гибридов F2 оценивали по критерию X с использованием компьютерной программы EXCEL 2010.
Результаты и обсуждение В тепличном боксе культурные и дикие растения гороха выращивали в течение 10 лет. Каждый год растения гороха поражались мучнистой росой, создавая локальный инфекционный фон. Мучнистой росой поражались как культурный, так и дикий горох, включая образцы P. fulvum (рис. а). Однако среди образцов дикого вида гороха был обнаружен образец и-609881 с абсолютной устойчивость к возбудителю мучнистой росы (рис. б). Для получения межвидовых гибридов растения образца и-609881 скрещивали с растениями сорта гороха Стабил. Формообразовательный процесс изучали в беккроссируемых популяциях межвидовых гибридов гороха в условиях локального инфекционного фона тепличного бокса.
Отбор растений межвидовых гибридов гороха на инфекционном фоне в течение нескольких генераций позволил выделить линию BC2F3 Стабил х и-609881, растения которой были полностью устойчивыми к патогену Erysiphe pisi DC. В результате гибридизации устойчивых растений линии безлисточкового морфотипа (af) BC2F3 Стабил х И609881 с растениями листочкового (Af) восприимчивого сорта гороха Темп все полученные гибриды F1 отличались устойчивостью к мучнистой росе, что указывало на доминантный характер признака устойчивости.
Для определения числа генов, кодирующих устойчивость к возбудителю мучнистой росы, проведено изучение расщепления по признаку устойчивости в гибридной популяции F2. В опыте анализировали 86 гибридов F2. Для оценки качества расщепляющейся популяции, провели тестовый анализ расщепления по признаку «тип листа» с известным моногенным наследованием (af). Фактическое расщепление по контрольному признаку «тип
листа» соответствовало ожидаемому 3 : 1 (хо52 тест, р=0,5335653), что свидетельствовало о высоком качестве расщепляющейся популяции (таблица).
Рис. Образцы гороха P. fulvum: а) очаги поражения мучнистой росой листьев растений образца P. fulvum к-2523, б) устойчивый к мучнистой росе образец и-608881
Таблица
Расщепление гибридов по устойчивости к мучнистой росе и типу листа
Устойчивость к мучнистой росе Устойчивые Восприимчивые Всего Х052 тест, p
Фактическое расщепление 66 20 86 0,7087438
Ожидаемое расщепление (3 : 1) 64,5 21,5
Морфотип растений Листочковый (I AfAf, Afaf) Безлисточковый (afaf) Всего Х052 тест, p
Фактическое расщепление 62 24 86 0,5335653
Ожидаемой расщепление (3 : 1) 64,5 21,5
В результате исследования расщепления по признаку устойчивости к возбудителю мучнистой росы выявлено 66 устойчивых растений и 20 пораженных, что соответствовало ожидаемому для моногенного наследования расщеплению 3 : 1 (х052 тест, p=0,7087438). Анализ популяций гибридов F1 и F2 показал, что устойчивость к мучнистой росе является результатом интрогрессии доминантного аллеля одного локуса из генома образца P. fulvum и-609881 коллекции ФИЦ ВИГРР им Н.И. Вавилова. Для решения вопроса, определяется ли устойчивость ранее описанным геном Er3 [3, 10] или это новый ген (аллель), необходимо провести тест на аллелизм путём скрещивания наших линий с устойчивыми к мучнистой росе линиями, отселектированными в лаборатории Диего Рубиалеса (Institute of Sustainable Agriculture, Madrid, Spain). По меньшей мере, образцы дикого вида гороха могут иметь разные аллели гена Er3, обеспечивающие различную степень устойчивости к возбудителю мучнистой росы.
В отличие от гена er1, который является результатом мутации, приведшей к синтезу аберрантного белка - фактора восприимчивости PsMLO, создающего барьер для
проникновения патогена [9], доминантный характер нового гена открывает новые перспективы для исследования альтернативных молекулярных механизмов устойчивости растений к болезням.
Длительное использование гена er1 для предотвращения поражения растений гороха мучнистой росой может привести к преодолению устойчивости вследствие эволюции патогена. Идентификация новых генов устойчивости повышает конкурентные преимущества гороха перед возбудителем мучнистой росы в процессе перманентной коэволюции геномов. В перспективе пирамидирование различных генов позволит повысить устойчивость растений гороха к возбудителю мучнистой росы (Erysiphe pisi DC) и выиграть время у эволюции патогена, необходимое для преодоления устойчивости. Известно, что для описанных ранее генов устойчивости к мучнистой росе erl, er2 и Er3 разработаны генетические маркеры [10], позволяющие легко с помощью маркерной селекции совмещать указанные гены в одном геноме.
Литература
1. Ondrej M., Dostalova R., Hybl M., Odstrcilova L., Tyller R., Trojan R. Utilization of afila types of pea (Pisum sativum L.) resistant to powdery mildew (Erysiphe pisi DC.) in the breeding programs // Plant Soil and Environment. -2003. - V. 49 (11). - P. 481-485.
2. Warkentin, T.D., Rashid K.Y., Xue A.G. Fungicidal control of powdery mildew in field pea // Canadian Journal of Plant Science. - 1996. - V. 76. - P. 933-935.
3. Fondevilla S., Torres A.M., Moreno M.T., Rubiales D. Identification of a new gene for resistance to powdery mildew in Pisum fulvum, a wild relative of pea // Breeding Science. - 2007. - V. 57. - P. 181-184.
4. Harland S.C. Inheritance of immunity to mildew in Peruvian forms of Pisum sativum // Heredity. - 1948. - V. 2. - P. 263-269.
5. Tiwari K.R., Panner G.A., Warkentin T.D., Rashid K.Y. Pathogenic variation in Erysiphe pisi the causal organism of powdery mildew in pea // Can. J. Plant Pathol. - 1997. - V. 19. - P. 267-271.
6. Fondevilla S., Carver T.L.W., Moreno M.T., Rubiales D. Macroscopic and histological characterisation of genes erl and er2 for powdery mildew resistance in pea // European Journal of Plant Pathology. - 2006. - V. 115. - P. 309-321.
7. Timmerman G.M., Frew T.J., Weeden N.F. Linkage analysis of erl, a recessive Pisum sativum gene for resistance to powdery mildew fungus (Erysiphepisi D.C.) // Theoretical and Applied Genetics. - 1994. - V. 88. - P. 1050-1055.
8. Katoch V., Sharma S., Pathania S., Banayal D. K., Sharma S. K., Rathour R. Molecular mapping of pea powdery mildew resistance gene er2 to pea linkage group III // Mol. Breeding. - 2010. - V. 25. - P. 229-237.
9. Pavan S., Schiavulli A., Appiano M., Marcotrigiano A.R., Cillo F., Visser R.G.F., Bai Y., Lotti C., Ricciardi L. Pea powdery mildew erl resistance is associated to loss-of-function mutations at a MLO homologous locus // Theoretical Applied Genetics. - 2011. - V. 123. - P. 1425-1431.
10. Fondevilla S., Rubiales D., Moreno M.T., Torres A.M. Identification and validation of RAPD and SCAR markers linked to the gene Er3 conferring resistance to Erysiphe pisi DC in pea // Molecular Breeding. - 2008. - V. 22. - P. 193-200.
11. Fondevilla S., Cubero J.I., Rubiales D. Confirmation that the Er3 gene, conferring resistance to Erysiphe pisi in pea, is a different gene from erl and er2 genes // Plant Breed. - 2011. - V. 130. - P. 281-282.
12. Бобков С.В., Лазарева Т.Н. Компонентный состав электрофоретических спектров запасных белков межвидовых гибридов гороха // Генетика. - 2012. - Т. 48. - № 1. - С. 56-61.
13. Бобков С.В., Селихова Т.Н. Получение межвидовых гибридов для интрогрессивной селекции гороха // Экологическая генетика. - 2015. - T. XIII. - № 3. - 2015. - С. 40-49.
14. Bobkov S.V., Selikhova T.N. Obtaining interspecific hybrids for introgressive pea breeding // Russian Journal of Genetics: Applied Research. - 2017. - Vol. 7. - № 2. - P. 145-152.
15. Бобков С.В., Селихова Т.Н., Бычков И.А. Хозяйственно-ценные признаки образцов дикого вида гороха Pisum fulvum // Зернобобовые и крупяные культуры. - 2016. - № 4 (20). - С. 41-46.
INTROGRESSION OF A DOMINANT GENE CONFERRING RESISTANCE TO POWDERY MILDEW FROM GENOME OF PEA WILD SPECIES PISUM FULVUM
S.V. Bobkov, T.N. Selikhova
FSBSI «FEDERAL SCIENTIFIC CENTER OF LEGUMES AND GROAT CROPS»
E-mail: [email protected] Abstract: Accession of wild pea species P. fulvum i-60988l (collection of the N.I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources) was tested in greenhouse as completely resistant to powdery mildew (Erysiphe pisi DC). Interspecific hybrids were obtained as a result of its cross with variety Stabil. Interspecific hybrids BC2F3 Стабил х u-609881, homozygous for powdery mildew resistance, were crossed with plants of susceptible variety Temp. All hybrids Fl were resistant to
Erysiphe pisi DC. Analysis of plant segregation on resistance to powdery mildew pathogen in hybrid population F2 revealed бб resistant and 20 susceptible from total S6 plants. This segregation was fitted to expected ratio З: l for monogenic inheritance (x05 тест, p=0.70S743S). Study of hybrid populations Fl and F2 proved introgression of resistance from genome of P. fulvum accession í-609SS1 which was determined by a dominant allele of a single gene.
Keywords: pea, P. fulvum, interspecific hybrid, powdery mildew, resistant gene.
DOI: 10.24411/2309-348X-2018-11045 УДК 635.652./654:581.19
СКРИНИНГ КОЛЛЕКЦИИ ОВОЩНОЙ ФАСОЛИ ПО БИОХИМИЧЕСКИМ ПРИЗНАКАМ БОБОВ В ФАЗУ «ЛОПАТКИ»
О.Н. БЕЗУГЛАЯ, кандидат сельскохозяйственных наук Л.Н. КОБЫЗЕВА, доктор сельскохозяйственных наук О.Ю. ДЕРЕБИЗОВА, Н.К. ИЛЬЧЕНКО,
Л.И. РЕЛИНА, кандидат биологических наук
ИНСТИТУТ РАСТЕНИЕВОДСТВА имени В.Я. ЮРЬЕВА НААН, УКРАИНА
E-mail: [email protected]
Проведен скрининг 49 коллекционных образцов фасоли Национального центра генетических ресурсов Украины, происхождением из I2 европейских стран, которые отличаются по гидротермическому режиму. Анализ биохимических признаков качества технически зрелых бобов (содержание сухого вещества, редуцирующих моносахаридов, сахарозы, аскорбиновой кислоты) позволил выделить источники, которые рекомендуется использовать в качестве исходного материала при создании высококачественных сортов овощной фасоли. Четыре образца были выделены по комплексу признаков. Высокое содержание сухого вещества в технически зрелых бобах в комплексе с высоким содержанием сахарозы имели украинский сорт Росилка и молдавский Эпиранто. Высокое содержание сухого вещества и водорастворимых углеводов (редуцирующие моносахариды и сахароза) было у российского сорта Дарина. Высокое содержание сахарозы и аскорбиновой кислоты имел российский сорт Рашель. Выделены образцы с низким коэффициентом вариации по отдельным признакам, которые рекомендуются использовать в селекционном процессе как слабо реагирующие на изменение гидротермического режима. Особого внимания заслуживают образцы происхождением из Франции, Германии, Польши, Нидерландов, России, Молдовы и Украины. Установлены взаимосвязи между содержанием аскорбиновой кислоты и редуцирующих моносахаридов (коэффициент корреляции - 0,49); между содержанием сухого вещества и водорастворимых углеводов (редуцирующие моносахариды - 0,28, сахароза - 0,3I), при 5 - % уровне значимости r=0,27.
Анализ связи погодных условий с признаками качества технически зрелых бобов показал, что сильную зависимость от температуры воздуха имеют все биохимические признаки (коэффициент корреляции: сухое вещество - 0,9б, редуцирующие моносахариды -0,70, сахароза - 0,99, аскорбиновая кислота - 0,78). От суммы осадков сильная зависимость сохраняется с содержанием сахарозы (0,89). У остальных признаков зависимость слабее (содержание сухого вещества - 0,67, содержание аскорбиновой кислоты - 0,32, содержание редуцирующих моносахаридов - не наблюдается) и проявляется в комплексе с температурой воздуха.
Ключевые слова: фасоль овощная, сухое вещество, редуцирующие моносахариды, сахароза, аскорбиновая кислота.
