CC BY
112
СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ БИОЛОГИЯ, 2011, № 5
УДК 633.491:632.4.01/.08:577.29:631.52/.524
молекулярно-генетические взаимодействия в
системе «патоген-хозяин» при фитофторозе
картофеля и современные: стратегии селекции
(обзор)* Е.В. РОГОЗИНА
Представлены данные литературы о структуре и функциональной активности генома возбудителя Phytophthora infestans (Mont.) de Bary (последовательность митохондриального и ядерного геномов, локализация генов патогенности и авирулентности), фенотипическом проявлении и молекулярно-генетических основах устойчивости к фитофторозу у образцов разных видов So-lanum, депонированных в мировых коллекциях, механизмах взаимодействия патогена и растения. Обсуждаются перспективы использования выделенных образцов — источников признака и генов фитофтороустойчивости для создания новых сортов картофеля, сохраняющих устойчивость к фитофторозу в течение длительного времени, применения молекулярных маркеров с целью усовершенствования процесса селекции.
Ключевые слова: картофель, фитофтороз, Phytophthora infestans, селекция, виды Solanum.
Keywords: potato, late blight, Phytophthora infestans, breeding, Solanum ssp.
Фитофтороз картофеля распространен повсеместно и остается наиболее опасным заболеванием этой культуры. Впервые поражение картофеля фитофторозом засвидетельствовано в 1843 году в США (1). В Европу инфекция была завезена вместе с селекционным материалом, и первые признаки болезни отмечены в Бельгии в 1844 году. В 1845-1849 годах распространение патогена, переносимого ветром, вызвало вспышку «картофельной чумы» в Ирландии, после которой ее население сократилось на четверть из-за смертей и эмиграции. В других европейских странах в 18451846 годах наряду с гибелью зерновых от ржавчины, нашествием полевок, холодом и засухой эпидемия фитофтороза достаточно сильно повлияла на уровень жизни, что в конечном счете привело к серьезным социальным потрясениям в 1848 году (2). В современном мире картофель, возделываемый на 193 тыс. км2 пахотных земель, — важный продукт в глобальной продовольственной системе (3), однако из-за фитофтороза ежегодно теряется 16 % мирового урожая этой культуры. Размер такого ущерба оценивается в 5,2 млрд € (4). Решению этой проблемы уделяется большое внимание (5, 6), в частности осуществляются исследования в научных лабораториях восьми европейских стран в рамках программы ЕС BIOEXPLOIT (Exploitation of natural plant biodiversity for the pesticide-free production of food) (7). Современные молекулярно-генетические исследования структуры и функции генома возбудителя фитофтороза Phytophthora infestans и его хозяев из рода Solanum коренным образом изменили представления о природе взаимоотношений растений картофеля с возбудителем и позволили наметить перспективные подходы к созданию новых сортов картофеля с высокой и долговременной устойчивостью к фитофторозу.
Б и о л о г и я п а т о г е н а. Патоген Phytophthora infestans (Mont.) de Bary относится к группе оомицетов (Oomycetes). Оомицеты обладают рядом отличий от других эукариотов и способны инфицировать растения независимо от прочих паразитов. Современные молекулярные и биохимические исследования указывают на слабую таксономическую связь оомице-тов с истинными грибами (Fungi), а также их близость к диатомовым (Bacillariophyta) и бурым (Phaeophyta) водорослям. В состав клеточных сте-
* Работа выполнена при поддержке гранта МНТЦ 3714р.
нок оомицетов входит главным образом целлюлоза (при низком содержании хитина), их жизненный цикл включает, помимо стадии вегетативного роста и размножения, также половой процесс. Эти свойства характерны и для представителей рода Phytophthora, которые выделяются особенностями метаболизма (они принадлежат к ауксотрофам и нуждаются в экзогенных источниках стеролов и тиамина). Род Phytophthora включает более 60 видов, в том числе возбудителей болезней картофеля, томата, перца, сои, люцерны (8). P. infestans в основном поражает культурный картофель и томат, встречается на растениях паслена и петунии в США и Канаде, обнаружен на неклубненосных растениях рода Solanum, диких видах картофеля и томата в Эквадоре и Перу (9, 10), наносит серьезный ущерб культуре дынной груши S. muricatum на южноамериканском континенте (11).
Многим видам Phytophthora, в том числе P. infestans, свойственна высокая популяционная изменчивость, наблюдаемая даже при вегетативном воспроизведении. До конца 1980-х годов в популяциях возбудителя фитоф-тороза в большинстве регионов (за исключением Мексики) преобладала линия US-1 с А1-типом спаривания. Однако молекулярный анализ изолятов этого клона из разных мест обитания выявил наличие у них мутаций в ядерной и митохондриальной ДНК (12). В Европе А2-тип спаривания обнаружен в конце 1970-х годов, но частота встречаемости А2 генотипов была низкой (13). В 1990-е годы повсеместно отмечены существенные изменения популяционного состава патогена: в Европе и Северной Америке появляются новые агрессивные клоны и половой процесс на основе типов спаривания А1 и А2. В России изолят «старого типа» последний раз был обнаружен на растении томата в 1993 году в Московской области. За прошедшее десятилетие фитофтороз, кроме листьев, стал поражать стебли и черешки, тем самым ускоряя полное уничтожение растений (14). Популяция фитофторы на посадках картофеля и томата в России в настоящее время представлена высоковирулентными изолятами (среднее число генов вирулентности 8,4). В московском регионе популяция фитофтороза состоит из множества клонов, в азиатской части России преобладает клональная линия SIB-1 (15).
У четырех гаплотипов P. infestans: (Ia, IIa, Ib и IIb) определена последовательность митохондриального генома, у изолята Т30-4 — полная последовательность ядерного генома (16, 17). Установлено, что в отличие от других оомицетов и представителей разных групп водорослей у P. infestans геном более сложный и протяженный (примерно 240 Mb). Гаплоидное число хромосом у вида P. infestans равно 8-10 (как и у многих оомицетов, точное определение затруднено из-за присутствия некоторого числа слабо различимых мелких хромосом). Для генома P. infestans характерна высокая доля ДНК-повторов (около 74 %) и необычная организация: участки с высокой плотностью консервативных последовательностей чередуются с областями повторов, в которых редко расположены гены эффекторов патогенности (в основном из семейств RXLR и CRN). Локализация этих генов в наиболее изменчивых участках генома объясняет способность патогена быстро эволюционировать, сочетая видоспецифичность и высокое разнообразие. Такая структура обеспечивает динамичные изменения вирулентности, что позволяет патогену быстро преодолевать устойчивость растений-хозяев.
В з а и м о д е й с т в и е в о з б у д и т е л я ф и т о ф т о р о з а и р а с т е н и я к а р т о ф е л я. Взаимоотношения фитопатогена и растения определяют как совместимые (растение восприимчиво к поражению) или несовместимые (растение проявляет устойчивость). Генетические основы устойчивости растения-хозяина для различных патосистем изучены в той или иной степени, тогда как феномен устойчивости, не специфичной по отношению к хозяину, исследован недостаточно. Согласно гипотезе Х.Г. Флора «ген-на-ген» (1940 год), геноспецифическая, или вертикальная,
устойчивость растения-хозяина обеспечивается одновременной экспрессией гена авирулентности (Avr) у патогена и соответствующего гена устойчивости (R) у растения-хозяина. В результате быстро наступает локальная гибель инфицированных растительных клеток (реакция сверхчувствительности), которая предотвращает дальнейшее распространение патогена. Установлено, что Ä-гены контролируют устойчивость растений к патогенам разной природы — бактериям, вирусам, грибам, оомицетам и даже нематодам, но при этом кодируют только пять типов белков (18).
Первоначально для описания взаимодействия R—Avr генов использовали лиганд-рецепторную модель, согласно которой продукты Ä-генов в качестве рецепторов напрямую взаимодействуют с продуктами ^vr-генов. Однако во многих сочетаниях R—Avr прямое взаимодействие отсутствует, а один и тот же белок может обусловливать авирулентность при несовместимых реакциях и действовать как фактор вирулентности — в совместимых. Согласно современным представлениями, белки авирулентности рассматриваются как часть обширного набора эффекторов, продуцируемых патогеном. Концептуальная ограниченность термина «авирулентность» привела к замене его более широким понятием «эффектор» (19).
В фитомикробиологии к эффекторам относят белки и другие молекулы — продукты секреторной деятельности патогена, которые изменяют структуру и функции клеток хозяина. Эти изменения либо способствуют инфицированию (факторы вирулентности и токсины), либо инициируют защитные механизмы (факторы авирулентности и элиситоры), либо могут осуществлять обе функции (20, 21). Таким образом, эффекторы представляют собой продукты активности генов с широким спектром фенотипических проявлений. В зависимости от локализации различают эффекторы апопла-стические, функционирующие в межклеточном пространстве, и цитоплаз-матические, проникающие внутрь растительной клетки. Для описания механизма иммунитета, проявляемого в ответ на проникновение эффекторов, J. Dangle и J. Jones в 2001 году разработали модель («guard model»), согласно которой охранные функции в растительной клетке выполняют R-белки (18). Продуцируемые патогеном эффекторы действуют на определенные объекты-мишени. R-белки контролируют состояние таких мишеней, и при возникновении в них изменений (в результате деятельности эффекторов) активируют гены устойчивости, то есть ответную реакцию растения-хозяина. Непрямой механизм восприятия эффекторов объясняет способность одного R-белка распознавать множество эффекторов и возможность противостоять разнообразным фитопатогенам при участии относительно небольшого набора Ä-генов. Эта модель подразумевает, что для проявления вирулентной функции белка-эффектора в растительной клетке и в отсутствие соответствующего R-белка обязательно должна присутствовать мишень-эффектор. Экспериментально показано существование у растения-хозяина множества мишеней для многих фитопатогенов (19).
Дальнейшие исследования взаимоотношений растительных организмов с бактериями и грибами привели к созданию модели ловушки («decoy model»), которая предполагает существование двух типов мишеней для эффекторов. Воздействие эффекторов на активные мишени приводит к изменению ответной реакции растения-хозяина (проявлению устойчивости или, напротив, восприимчивости). Эффекторы инициируют реакцию растения через мишени-ловушки лишь в присутствии соответствующего R-белка. Обе модели, объясняющие механизмы взаимодействия растений и фитопатогенов, не являются взаимоисключающими, равно как возможен и соответствующий промежуточный вариант (22).
В патосистеме возбудитель фитофтороза—растение картофеля гено-
специфическая, или вертикальная, устойчивость была обнаружена в 1909 году у мексиканского вида S. demissum и его естественных гибридов с культурным картофелем — S. х edinense (цит. по 23). S. demissum, другие виды Solanum и некоторые сорта картофеля обладают также неспецифической, или горизонтальной, устойчивостью к этому заболеванию. Полагают, что такая устойчивость контролируется многочисленными генами, некоторые из них картированы как локусы количественных признаков (quantitative trait loci, QTL). Ряд исследователей отмечают, что в условиях естественного развития инфекции трудно различить проявления двух типов устойчивости картофеля к фитофторозу (24-26).
Инфекционный процесс у патогена P. infestans типичен для геми-биотрофа и состоит из двух фаз. Цитологический анализ показал, что у растений рода Solanum, а также табака, петрушки и арабидопсиса, иноку-лированных P. infestans, реакция сверхчувствительности наблюдается при любой форме взаимодействия. Во всех случаях инфицирование начинается с проникновения патогена в клетки эпидермиса. В отсутствие защитной реакции у восприимчивого растения мицелий растет в межклеточном пространстве, формирует гаустории внутри клеток мезофилла, а во вторую фазу инфекционного цикла при распространении патогена в тканях хозяина происходит их некротизация, за которой следует образование спорангиев. При взаимодействии патогена с устойчивым растением (как и с «нехозяином») происходит немедленная некротизация инфицированных клеток растения и гибель патогена. Размер очага некротизации определяется генотипом растения и патогена и может быть ограничен одной-двумя клетками или их группой (27-29). Обнаружение реакции сверхчувствительности во всех патосистемах инициировало разработку новой гипотезы, согласно которой неспецифическая устойчивость к P. infestans возникает как комплексный результат многоуровневой специфической устойчивости, контролируемой широким арсеналом Ä-генов, способных распознавать множество основных генов авирулентности (30). В то же время ряд авторов указывают на возможность проявления в несовместимой патосистеме продуктов общей (неспецифической) и специфической защитной реакции (28, 31).
Подобно другим оомицетам патоген P. infestans секретирует как внеклеточные, так и цитоплазматические эффекторы. Их модульная структура включает N-терминальный сигнальный пептид и С-терминальную часть, где расположены домены с функциями элиситоров. У апопластических эффекторов P. infestans С-терминальный домен содержит ингибиторы ферментов растения-хозяина — протеаз, глюканаз, хитиназ. В основном цито-плазматические эффекторы относятся к RXLR-dEER семейству, у представителей которого в N-терминальной области рядом с сигнальным пептидом расположены консервативные сайты, участвующие в транслокации эффектора внутрь растительной клетки (19). С-терминальный участок RXLR-эф-фекторов P. infestans характеризуется высоким полиморфизмом (выявлено 563 кодирующих их гена). Большинство генов RXLR-эффекторов — члены одного обширного семейства и составляют наиболее быстро эволюционирующую часть генома. Полагают, что увеличение числа генов в этом семействе происходит за счет неаллельной гомологичной рекомбинации и тан-демной дупликации благодаря локализации в высокодинамичной области генома, богатой повторами и транспозонами (17).
Экспрессия генов эффекторов зависит от стадии взаимодействия растения-хозяина и паразита P. infestans. Так, некоторые RXLR-эффек-торы обнаружены на предшествующем инфицированию (прорастание зооспор) этапе и в ранний период инфицирования растения, другие появляются
в фазу биотрофного питания патогена (2-3 сут после инокуляции), третьи действуют на некротрофной стадии (32). Идентификация и функциональная характеристика генов, кодирующих эффекторы, относятся к наиболее интенсивно развивающимся современным областям геномики P. infestans (информация представлена на сайте Phytophthora Functional Genomics Database — PFGD, www.pfgd.org, который совместим с сайтом Solanaceae Genomics Database — SolGD, www.solgd.org, где размещены данные о взаимодействии P. infestans с растениями культурного картофеля, томата и видов рода Nicotiana) (33).
К настоящему времени у P. infestans картированы шесть генов ави-рулентности: Avr1, Avr2, Avr3, Avr4, Avr10 и Avr11. Установлено, что авиру-лентность доминантна и пять из шести картируемых генов локализованы вблизи теломеры, то есть в наиболее нестабильном участке генома (34). Большинство охарактеризованных генов авирулентности P. infestans (Avr-blbl, Avr3a, Avr4) кодируют секрецию RXLR-эффекторов (35). Достаточно подробно изучено взаимодействие пары генов Avr3a—R3a. Ген Avr3a — единственный экспрессируемый в небольшом семействе генов; он контролирует выработку эффектора Avr3a, способного инициировать и подавлять нек-ротизацию растительных клеток. В изолятах P. infestans, вирулентных/авиру-лентных по отношению к растениям с геном RR3a, кодируемые геном Avr3a белки различаются лишь по трем аминокислотам, две из которых входят в состав домена с элиситорной функцией (36). Гены Avr3a и Avr4 контролируют синтез эффекторов RXLR-dEER типа, то есть имеющих цитоплазма-тическую локализацию. Однако в растениях с геном R4 реакция сверхчувствительности наблюдалась сразу при появлении белка Avr4 в межклеточном пространстве. Специфический ответ растений был инициирован экспрессией сигнального пептида (37). Ген Avr4 представлен в геноме паразита одной копией, его вирулентный аллель в пределах рамки считывания имеет мутацию, которая ограничивает способность патогена продуцировать белок-эффектор (35). Авирулентные аллели генов Avr3a и Avr4 встречаются редко, и у большинства изолятов P. infestans найдены вирулентные варианты.
Экспериментально показано, что высокий уровень экспрессии гена ipiO на стадии вторжения гиф паразита приводит к выработке белков-элиситоров, препятствующих некротизации клеток в тканях устойчивых растений. Защитная реакция возникает при взаимодействии генов Rpi-blb1/Rpi-sto1 с RXLR-эффекторами патогена (38). В результате изучения генетического разнообразия 29 изолятов P. infestans из разных стран обнаружено 16 вариантов генов из семейства ipiO, которые сгруппированы в три класса. Варианты различаются точечными мутациями либо длиной молекулы продуцируемых белков. Большинство изолятов относятся к первому классу семейства ipiO, а отсутствие генов этого класса коррелирует с вирулентностью P. infestans на растениях с геном Rpi-blb1 (39). Найден независимый от ipiO (Avr-blb1/Avr-sto1) ген авирулентности P. infestans — Avr-blb2. Он кодирует секрецию цитоплазматических RXLR-эффекторов (в составе которых, однако, отсутствует dEER-домен) и взаимодействует с геном Rpi-blb2. В отличие от Avr3a и Avr4 гены Avr-blb1/Avr-sto1 и Avr-blb2 — члены обширных вариабельных семейств, которые распознаются соответствующими генами устойчивости картофеля Rpi-blb1/Rpi-sto1 и Rpi-blb2. Для проявления вирулентного фенотипа необходимо множество независимых мутаций в геноме оомицета, где, по-видимому, всегда присутствуют жизненно важные последовательности генов Avr-blb (40). Кроме генов ави-рулентности, непосредственно взаимодействующих с генами устойчивости растений картофеля, у P. infestans в локусе Avr3b-Avr10-Avr11 обнаружен ген, кодирующий выработку белка, сходного по структуре с белком — регуля-
тором транскрипции. Этот ген, возможно, обеспечивает скоординированную экспрессию трех генов, контролирующих секрецию эффекторов авиру-лентности (35).
Опубликованные к настоящему времени результаты исследований по геномике и протеомике P. infestans указывают на структурное и функциональное разнообразие существующих генов авирулентности и различия в механизмах взаимодействия между эффекторами патогена и белками устойчивости растения, что создает реальную основу для оптимизации стратегии селекции на устойчивость к фитофторозу.
И с т о ч н и к и у с т о й ч и в о с т и к а р т о ф е л я к ф и т оф т о р о з у. После обнаружения в начале XX столетия первых устойчивых к фитофторозу форм S. demissum выполнено множество работ, посвященных изучению ответных реакций на инвазию P. infestans у видов Solanum при естественном и искусственном заражении. Результаты фенотипиче-ской оценки опубликованы в обзорах, каталогах крупнейших мировых коллекций картофеля, внесены в информационные базы данных (41-47).
Так, в базе данных объединенной немецко-голландской коллекции, депонированной в Центре генетических ресурсов Голландии (Centre for Genetic Resources, the Netherlands — CGN) представлены результаты оценки диких и культурных видов картофеля на горизонтальную (расонеспецифи-ческую) устойчивость к фитофторозу в полевых (1686 образцов) и лабораторных (1257 образцов) условиях. При искусственном заражении сеянцев в полевых испытаниях оценивали размер поражения листовой поверхности, листовых дисков в лабораторных тестах — размер площади спороношения. Высокой полевой устойчивостью характеризовались 73 образца растений картофеля 42 видов, в лабораторном эксперименте высокую устойчивость обнаруживали 103 образца 40 видов. Устойчивость (как в лабораторном, так и полевом тесте) выявлена у ряда образцов 22 видов, в том числе S. poly-adenium, S. bulbocastanum, S. stoloniferum, S. brachistotrichium, S. pinnatisectum, S. verrucosum, S. demissum, S. hougasii, S. berthaultii, S. multiinterruptum, S. ver-nei, S. microdontum, S. sucrense, S. mochiquense (www.cgn.wur.nl).
В базе данных коллекции Всероссийского НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова (ВИР) суммированы результаты изучения устойчивости диких видов Solanum к фитофторозу в полевых (1200 образцов) и лабораторных (98 образцов) условиях соответственно при оценке растений, выращенных из клубней, и искусственном заражении листьев. В полевом испытании устойчивыми оказались 220 образцов 38 видов, в лабораторном — 34 образца 16 видов. Высокая устойчивость в обоих тестах выявлена у некоторых образцов S. berthaultii, S. polytrichon, S. ruiz-ceballosii, S. simplicifolium, S. demissum, S. stoloniferum (www. vir.nw.ru).
В базу данных коллекции Генбанка США (United States Potato Genebank — NRSP-6, Sturgeon Bay) включены экспериментальные данные по оценке устойчивости у 689 образцов растений картофеля, полученные разными авторами. Иммунными к фитофторозу оказались два образца вида S. demissum, сверхчувствительный тип реакции обнаружен у 34 образцов S. demissum, S. stoloniferum, S. verrucosum, S. hougasii, S. bulbocastanum, S. pinnatisectum, S. polyadenium (www.ars-grin.gov/npgs).
База данных коллекции Генбанка Соединенного Королевства Великобритании (the Commonwealth Potato Collection — CPC) объединяет сведения по проявлению устойчивости к фитофторозу у 371 образца Solanum при инокуляции листьев. Найдены 29 высокоустойчивых образцов, относящихся к видам S. demissum, S. stoloniferum, S. ehrenbergii, S. polytrichon, S. semidemissum, S. iopetalum, S. hougasii (www. germinate.scri.sari.ac.uk). В базе данных коллекции Международного центра картофеля (International
Potato Center — CIP, www.cipotato.org) описаны 2622 образца диких видов картофеля, однако сведения об их устойчивости к вредителям и болезням не приводятся.
Анализ показывает, что в каждом генбанке имеется значительное число образцов с высокой полевой и/или лабораторной устойчивостью к фитофторозу. Однако эти результаты получены разными методами (на естественном или искусственном инфекционном фоне) при испытании разнокачественного материала (сеянцев или интактных растений) и заражении различными изолятами P. infestans. Единая шкала оценки фитофторо-устойчивости, применяемая при характеристике образцов из коллекций США, Великобритании и Германии—Нидерландов (46), отличается от использованной в коллекции ВИР (47).
1. Характеристика устойчивости к фитофторозу у образцов двух видов Solanum, депонированных в нескольких мировых коллекциях картофеля
№ образца в № по каталогу Устойчи- № по каталогу Устойчи- Другие Устойчи-
экспедиции ВИР (к-) вость, балла NRSP-6-PI вость6 коллекции" вость6
S. d e m i s s u m
COR 14212 23295, 21359 9, 7 160208 R BGRC 009973 R
COR 14200 19074 8 160221 HI BGRC 009975 R
COR 14201 23297 9 160222 R BGRC 009976 R
COR 14244 21364 7 161169 HR BGRC 009991 R, VR
COR 14265 23303 7 161179 RS BGRC 009994 M
COR 14266 21365, 23304 9 161180 RS BGRC 009995 R
COR 14267 23305 7 161181 RS BGRC 009996 R
COR 14283 19075, 23306 7, 9 161366 HR BGRC 009998 R
EBS 48B/8 21368 7 175405 RS BGRC 010011 R
EBS 46/33 21369 7 175408 HR
EBS 48B/36 21370, 23312 9, 7 175423 R BGRC 010014 R, VR
BB s.n. 23315 9 218047 HR BGRC 010031 M, VR
HAW 1295 23321, 21375 6 275206 R BGRC 010046 R, VR
HAW 1782 15176 9 275211 S
S. s t o l o n i f e r u m
COR 14211 16912 5 160225 MR
COR 14231 16913, 23645 7 161158 HS
COR 14233 15292, 21614 7 161160 RS
COR 14246 15293, 23646 5, 4 161170 RS
COR 14247 15294 5 161171 S
COR 14263 15295, 21615, 6 161178 HR
COR 14271 15296 6 161281 R
COR 14270 15297, 24263 7, 3 161364 RS
CPC 2093 17493, 23651 7 195166 HR CPC 2093 rr
CPC 9 23652 7 195169 RS CPC 9 9
CPC 28.4 23655 7 205522 R CPC 28.4 9
CB 82-502 16914, 23656 6 230477 MR
GRA 403 23660 9 239411 S
CCC 72 23661 7 243458 RS
GRA 341 19195 3 255533 S
HAW 1293 Отсутствует 275244 RS CPC 7080 VR
HAW 1392 Отсутствует 275246 MR CGN18348 VR/VR
П р и м е ч а н и е. NRSP-6 — United States Potato Genebank, США; CPS — the Commonwealth Potato Collection, Великобритания; а — по шкале от 1 до 9 баллов, где отсутствию поражения соответствуют 9 баллов (47); б — I, H, VR, R, rr, M и S означает соответственно иммунитет, сверхчувствительность, очень высокую устойчивость, устойчивость, полевую устойчивость, среднюю устойчивость и восприимчивость (46); в — образцы из коллекции CGN (Centre for Genetic Resources, Нидерланды). Пропуски в таблице означают, что в других коллекциях образцы отсуствуют.
Сопоставление характеристик, полученных для дублетных форм вцдов S. demissum и S. stoloniferum, депонированных в нескольких мировых коллекциях картофеля, свидетельствует о том, что показатели устойчивости к фитофторозу не совпадают у образцов общего происхождения (табл. 1). Так, по данным Генбанка США образец S. demissum COR 14200 имеет наивысшую степень устойчивости к фитофторозу — HI (иммунитет), по данным ВИР — несколько меньшую (8 баллов). Образец S. demissum BB s.n., у которого при испытании в ВИР отсутствовали признаки поражения, по данным Генбанка США проявил сверхчувствительный тип реакции, а в голландской коллекции охарактеризован как среднеустойчивый в полевых
условиях и высокоустойчивый при лабораторном исследовании. Так же изменяется ранжирование по признаку устойчивости к фитофторозу у образцов S. stoloniferum в коллекциях ВИР, NRSP-6 и CPC (см. табл. 1).
По результатам оценки, проведенной в разных генбанках, для некоторых образцов выявлены существенные различия в реакции на заражение возбудителем фитофтороза (S. demissum HAW 1295, HAW 1782, S. stoloniferum COR 14263, GRA 403, HAW 1293). Подобным варьированием затрудняется непосредственное вовлечение образцов диких видов картофеля в практическую селекцию в качестве источников признака устойчивости к фитофторозу. На основе современных технологий, например методов попу-ляционной молекулярной генетики, возможна более надежная оценка генетического потенциала коллекций культурных растений и их диких сородичей по агрономически важным признакам и поиск ценных аллелей (48). Использование рекуррентной селекции и фенотипическая оценка расщепляющегося потомства позволяют идентифицировать гены со значимым индивидуальным вкладом в проявление признака. Для идентификации генов, контролирующих сложные комплексные признаки, разработаны новые методы анализа — картирование сцепления (linkage mapping) и картирование ассоциаций, или неравновесия по сцеплению (association mapping).
Г е н е т и ч е с к а я п р и р о д а у с т о й ч и в о с т и к а р т оф е л я к ф и т о ф т о р о з у. В последние 20 лет благодаря средствам мо-лекулярно-генетического анализа достигнут значительный прогресс в исследовании генома растений картофеля (49), в том числе генетической природы устойчивости к P. infestans. Ранее методами классической генетики были выявлены 11 доминантных Ä-генов, которые контролируют сверхчувствительную реакцию к определенным расам P. infestans в системе «ген-на-ген» у вида S. demissum и его гибридов-беккроссов с культурным картофелем (50, 51). Другие мексиканские виды картофеля — S. stoloniferum, S. pinnatisectum, S. poly-adenium также обладают расоспецифической и неспецифической устойчивостью к фитофторозу (52, 53). В ВИР еще в 1960-е годы выявлено генотипиче-ское разнообразие фитофтороустойчивых форм диких видов картофеля. В полевых условиях среди более чем 4,5 тыс. образцов, относящихся к 92 видам, от 23 до 32 % в зависимости от года испытания не имели признаков поражения фитофторозом до конца вегетации. При оценке таких устойчивых образцов методом искусственного заражения листьев разными расами патогена (0, 1, 2, 4, 1.2, 1.4, 2.4, 3.4, 1.2.4, 1.3.4, 1.2.3.4) были выявлены фитофто-роустойчивые генотипы у южноамериканских и центральноамериканских видов картофеля (соответственно у 48 и более чем у 100 образцов). Оказалось, что генотипы R1, R4, R1R4, R1R2R4, R1R2R3R4, или Rx (обозначение генотипа, устойчивого к расе 1.2.3.4), имеет небольшое число форм южноамериканских видов картофеля из серий Transaequatorialia, Simpliciora, Minutifoliola, Piurana, Circaeifolia. Среди центральноамериканских видов образцы с высокой полевой устойчивостью и различным набором Ä-генов встречались чаще, особенно в сериях Demissa, Longipedicellata, Pinnatisecta, Trifida, Cardiophylla, Bulbocastana. Наибольшее разнообразие генотипов установлено среди образцов, относящихся к видам S. demissum, S. stoloniferum, S. hjertingii, S. polytrichon, S. pinnatisectum, S. sambucinum, S. cardiophyllum, S. bulbocastanum (54, 55). Зарубежные исследователи обнаружили Ä-гены в гибридном потомстве, созданном с участием S. berthaultii, S. sucrense, S. venturii, S. commersonii и S. andi-genum (56-59). В настоящее время эти гены идентифицированы у растений 16 видов картофеля (табл. 2).
Локусы генов количественной устойчивости (QTLs) к фитофторозу найдены у S. berthaultii, S. caripense, S. microdontum, S. paucissectum и гибридов
культурного картофеля с дикими видами. рТЬв найдены на всех 12 хромосомах в геноме картофеля. Анализ генетических карт у нескольких диплоидныж и тетраплоидныж популяций картофеля выгавил локализацию некоторыж РТ^ у разныж популяций в одних и тех же районах хромосом III, IV, V, VI (87-91).
2. Гены устойчивости к фитофторозу у клубнеобразующих видов Solanum
Вид | Хромосома | Ген | Источник литературы
S. demissum IV R2 60-62
S. demissum V R1 63, 64
S. demissum XI R3a, R3b, R5, R11 65-68
S. bulbocastanum IV Rpi-blb 3 69
S. bulbocastanum IV Rpi-abpt 70
S. bulbocastanum VI Rpi-blb 2 71
S. bulbocastanum VIII RB/Rpi-blb1 72-74
S. bulbocastanum Не установлена Rpi-bt 75
S. fendleri Не установлена Гомолог Rpi-blb1 7
S. stoloniferum VIII Гомолог Rpi 76
S. polytrichon VIII Гомолог Rpi 76
S. papita VIII Гомолог Rpi 7
S. berthaultii X Rber 77
S. berthaultii X Rpi-ber1, Rpi-ber2 78
S. pinnatisectum VII Rpi1 79
S. mochiquense IX Rpi-moc1 80
S. mochiquense IX Rpi-mcq1 www.ayeaye.tsl.ac.uk
S. phureja IX Rpi-phu1 81
S. okadae IX Rpi-oka1, Rpi-oka2 Rpi-oka3 www.ayeaye.tsl.ac.uk
S. neorossii IX Rpi-nrs1 www.ayeaye.tsl.ac.uk
S. venturii IX Rpi-vnt1.1, Rpi-vnt1.3 82, 83
S. microdontum IV Rpi-mcd1 84
S. paucissectum XI Rpi-pcs 85
S. verrucosum Не установлена RBver 86
Результаты картирования свидетельствуют о кластеризации генов устойчивости картофеля к вредным организмам (49). Феномен кластеризации генов устойчивости к болезням — общий для широкого круга растений: льна, салата, кукурузы, сои, картофеля и томата (92). В геноме картофеля локусы R-генов могут быть представлены серией аллелей (например, R5, R8, R9, R10, R11 — аллельные варианты гена R3) (68), кластер может быть сформирован из генов разной специфичности, например R3a, R3b (67), или же из нескольких активных генов и псевдогенов, например Rpi-bt (75).
У мексиканских видов картофеля клонированы четыре R-гена: два доминантных R1 и R3a у S. demissum (64, 68), а также RB-Rpi-blb1 (74) и Rpi-blb2 (73) у S. bulbocastanum. Установлена их принадлежность к одному семейству генов, кодирующих тип белков CC-NBS-LRR (coiled-coil— nucleotide binding site—leucine rich repeat). Гены S. demissum являются ра-соспецифичными. Анализ участка генома в месте локализации гена R1 свидетельствует о существовании значительных различий в длине и структуре последовательностей у трех гаплотипов S. demissum (93).
Практическим результатом молекулярно-генетических исследований, выполненных на растениях диких видов картофеля, стало обнаружение генов устойчивости к фитофторозу у ранее не использовавшихся в селекции представителей североамериканской (S. fendleri, S. papita) и южноамериканской (S. mochiquense, S. okadae, S. neorossii, S. paucissectum, S. venturii) групп. Установлена сходная генетическая природа устойчивости некоторых мексиканских видов: гомологичные гены найдены у S. bulbocastanum (Rpi-blb1) и S. fendleri, S. stoloniferum, S. polytrichon, S. papita. Однако у некоторых образцов вида S. bulbocastanum фитофтороустойчивость контролируют независимые гены (см. табл. 2). Исследователи, работающие по программе BIOEXPLOIT, отмечают, что, несмотря на разнообразие выявленных ранее источников фи-тофтороустойчивости среди видов картофеля, истинное число функционально активных генов фитофтороустойчивости может быть значительно меньше.
В то же время использование в селекции Л-генов, распознающих инвариантные, функционально ограниченные эффекторы P. infestans, возможно, позволит достичь длительной устойчивости картофеля к фитофторозу (94).
С о в р е м е н н ы е с т р а т е г и и с е л е к ц и и ф и т о ф т о-р о у с т о й ч и в о г о к а р т о ф е л я. Создание сортов картофеля с устойчивостью к фитофторозу, сохраняемой в течение нескольких десятков лет на значительной площади выращивания культуры, представляет собой основное звено в общей стратегии борьбы с этим опасным заболеванием. Генетические механизмы такой устойчивости до сих пор остаются дискуссионными. Селекция на основе интрогрессии только расоспецифических Л-генов в настоящее время неэффективна, так как в популяциях P. infestans повсеместно преобладают сложные высоковирулентные расы. В качестве альтернативы выдвинута идея об использовании родительских форм, «свободных от Л-генов» (95). В то же время сравнение сортов картофеля, «свободных от Л-генов», с гибридами, имеющими гены Л1, Л10, Л11, и потомством сорта Stirling (создан с участием видов S. demissum и S. micro-dontum) в условиях жесткого инфекционного фона показало, что все формы, несущие Л-гены, проявляют более высокую устойчивость к фитофто-розу. Генетическая основа подобной устойчивости остается неясной, но эффект, обеспечиваемый «слабыми» Л-генами или другими сцепленными с ними генами, статистически значим (96).
Функционально активные гены, обнаруженные у разных представителей рода Solanum, в том числе гены «широкого спектра действия» у вида S. bulbocastanum, эффективные против распространенных в Европе высоковирулентных рас возбудителя фитофтороза, создают реальную основу для расширения генетической базы селекции. Помимо обычной схемы селекции для создания новых сортов картофеля широко используются технологии MAS (marked-assisted selection). Эффективность селекции на основе молекулярных маркеров зависит от размера исследуемой популяции, степени наследуемости признака и наличия тесной связи между используемыми маркерами и селектируемым признаком (97). Новые предлагаемые технологии — цисгенез и интрагенез сочетают преимущества традиционной селекции и генной инженерии (98). Практическая реализация подобных идей требует знания последовательности ДНК в геномах растений — как источников ценных признаков, так и улучшаемых форм.
Проект BIOEXPLOIT, который упоминался выше, организован с целью ускорения селекционного процесса за счет более широкого использования результатов молекулярно-генетических исследований. В связи с проблемой фитофтороза картофеля в рамках этого проекта проводится оценка существующих и создание новых высокопроизводительных маркеров, тесно сцепленных с локусами генов устойчивости, которые станут полезным инструментом MAS, а также создание пирамиды Л-генов и QTL для достижения длительной устойчивости к фитофторозу (7). В Нидерландах в 2005 году начата 10-летняя программа по улучшению существующих сортов картофеля методом цисгенеза. На первом этапе работы происходит идентификация и выделение Л-генов устойчивости к фитофторозу из растений дикого картофеля для их последующего переноса (по одному или в виде кассеты из нескольких разных генов) в сорта картофеля (4). Получение информации о структуре, строении и функциях генов, а также создание и использование молекулярных маркеров, тесно сцепленных с перспективными Л-генами, служат ключевыми аспектами современных селекционных программ.
Таким образом, молекулярно-генетические исследования патогена и растения-хозяина показали сложный характер взаимоотношений в пато-
системе Phytophthora infestans—растение картофеля. Разнообразие наследственной основы и механизмов регуляции взаимодействия паразита с растением-хозяином обеспечивает динамичность их сосуществования. Обнаружение у патогена жизненно важных генов авирулентности создает основу для поиска комплементарных ему генов с длительным защитным эффектом. Полученные данные позволяют усовершенствовать процесс интрогрессивной селекции картофеля на устойчивость к фитофторозу.
Л И Т Е Р А Т У Р А
1. G i a n e s s i L., S a n k u l a S., R e i g n e r N. Plant biotechnology: Potential impact or improving pest management in European agriculture. Potato case study. Executive summary. Washington, USA, 2003.
2. Z a d o k s J.C. The potato murrain on the European continent and the revolutions of 1848. Potato Res., 2008, 51: 5-45.
3. New light on a hidden treasure. International year of the potato 2008. An end-of-year review. Rome, Italy, 2009.
4. H a v e r k o r t A., S t r u i k P., V i s s e r R. Applied biotechnology to combat late blight in potato caused by Phytophthora infestans. Potato Res., 2009, 52(3): 249-264.
5. Proc. the Global Initiative on Late Blight Conference «Late blight: Managing the global threat». Hamburg, Germany, 2002.
6. Proc. IIIrd International late blight conference (Beijing, China, 2008) /G.A. Forbes, F. Govers, W.E. Fry (eds.). Acta Horticulturae, 834 (June 2009).
7. H o e k s t r a R. Exploring the natural biodiversity of potato for late blight resistance. Potato Res., 2009, 52(3): 237-244.
8. K a m o u n S. Molecular genetics of pathogenic oomycetes. Eukaryotic Cell, 2003: 191-199.
9. F r y W. Late blight of potatoes and tomatoes. Vegetable crops. Cornell Cooperative Extension, Ithaca, USA, 1998.
10. A l d e r N., C h a c o n G., F o r b e s G. E. ел. Phytophthora infestans sensu lato in South America — Population substructuring through host specificity. Proc. the Global initiative on late blight conference «Late blight: Managing the global threat». Hamburg, Germany, 2002: 13-22.
11. G a r r y G., F o r b e s G., S a l a s A. e.a. Genetic diversity and host differentiation among isolates of Phytophthora infestans from cultivated potato and wild solanaceous hosts in Peru. Plant Pathol., 2005, 54: 740-748.
12. G o o d w i n S. The population genetics of Phytophthora. Phytopathology, 1997, 87: 462-473.
13. S h a w D., W a t t i e r R. Evolution of Phytophthora infestans: A global overview. Proc. the Global initiative on late blight conference «Late blight: Managing the global threat». Hamburg, Germany, 2002: 23-27.
14. D y a k o v Y.T., D e r e v j a g i n a M.K. Late of potato and its control in Russia. Pesticide Outlook, 2000, 11: 230-232.
15. E l a n s k y S., S m i r n o v A., D y a k o v Y. Genotypic analysis of Russian isolates of Phytophthora infestans from the Moscow region, Siberia and Far East. J. Phytopathol., 2001, 149: 605-611.
16. J u d e l s o n H., R a n d a l l T. Families of repeated DNA in the oomycete Phytophthora infestans and their distribution within the genus. Genome, 1998, 41: 605-615.
17. H a a s B.J., K a m o u n S., Z o d y M.C. e.a. Genome sequence and comparative analysis of the Irish potato famine pathogen Phytophthora infestans. Nature, 2009, 461: 393-398.
18. D a n g l e J., J o n e s J. Plant pathogens and integrated defense responses to infection. Nature, 2001, 411: 826-833.
19. H o g e n h o u t S.A., V a n d e r H o o r n R.A., T e r a u c h i R. e.a. Emerging concepts in effector biology of plant-associated organisms. Mol. Plant-Microbe Interact., 2009, 22: 115-122.
20. H u i t e m a E., B o s J.I.B., T i a n M. e.a. Linking sequence to phenotype in Phy-tophthora—plant interactions. Trends Microbiol., 2004, 12: 193-200.
21. K a m o u n S. Groovy times: Filamentous pathogen effectors revealed. Curr. Opin. Plant Biol., 2007, 10: 358-365.
22. V a n d e r H o o r n R., K a m o u n S. From guard to decoy: A new model for perception of plant pathogen efectors. The Plant Cell, 2008, 20: 2009-2017.
23. К а м е р а з А., Я ш и н а И., С к л я р о в а Н. Генетика устойчивости картофеля к патогенам. В сб.: Генетика картофеля. М., 1973: 175-233.
24. R i v e r a - P e n a A. Wild tuber-bearing species of Solanum and incidence of Phytophthora infestans (Mont.) de Bary on the Western slopes of the volcano Nevado de Toluca. 5. Type of resistance to P. infestans. Potato Res., 1990, 33: 479-486.
25. C o v a r r u b i a s O., D i a z C., D i a z M. Field evaluation of horizontal and vertical resistance to late blight in potato in the Toluca Valley, Mexico. Proc. the Global initiative on late blight conference «Late blight: Managing the global threat». Hamburg, Germany, 2002: 152.
26. S i m k o I., J a n s k y S., S t e p h e n s o n S. e.a. Genetics of resistance to pests and disease.
In: Potato biology and biotechnology advances and perspectives. Oxford, UK, 2007: 117-155.
27. V l e e s h o u w e r s V.G., V a n D o o i j e w e e r t W., G o v e r s F. e.a. The hypersensitive response is associated with host and nonhost resistance to Phytophthora infestans. Planta, 2000, 210: 853-864.
28. H u i t e m a E., V l e e s h o u w e r s V., F r a n c i s D. e.a. Active defense responses associated with non-host resistance of Arabidopsis thaliana to oomycete pathogen Phytophthora infestans. Mol. Plant Pathol., 2003, 4(6): 487-500.
29. K a m o u n S., H u i t e m a E., V l e e s h o u w e r s V.G. Resistance to oomycetes: A general role for the hypersensitive response? Trends Pant Sci., 1999, 4: 196-200.
30. K a m o u n S. Nonhost resistance to Phytophthora: novel prospects for a classical problem. Curr. Opin. Plant Biol., 2001, 4: 295-300.
31. A v r o v a A., T a l e b N., R o k k a V. Potato oxysterol binding protein and cathepsin B are rapidly up-regulated in independent defense pathways that distinguish R gene-mediated and field resistances to Phytophthora infestans. Mol. Plant Pathol., 2004, 5(1): 45-56.
32. S c h o r n a c k S., H u i t e m a E., C a n o L. e.a. Ten things to know about oomycete effectors. Mol. Plant Pathol., 2009, 10(6): 795-803.
33. G a j e n d r a n K., G o n z a l e s M., F a r m e r A. e.a. Phytophthora functional genomics database (PFGD): functional genomics of phytophthora—plant interactions. Nucl. Acids Res., 2006, 34: 465-470.
34. V a n d e r L e e T., R o b o l d A., T e s t a A. e.a. Mapping of avirulence genes in Phy-tophthora infestans with amplified fragment length polymorphism markers selected by bulked segregant analysis. Genetics, 2001, 157: 949-956.
35. B o u w m e e s t e r K., V a n P o p p e l P.M.J.A., G o v e r s F. Genome biology cracks enigmas of oomycete plant pathogens. In: Molecular aspects of plant disease resistance /J.E. Parker (ed.). Oxford, UK, 2009: 102-134.
36. A r m s t r o n g M.R., W h i s s o n S.C., P r i t c h a r d L. e.a. An ancestral oomycete locus contains late blight avirulence gene Avr3a, encoding a protein that is recognized in the host cytoplasm. PNAS USA, 2005, 102: 7766-7771.
37. V a n P o p p e l P.M., G u o J., V a n d e V o n d e r v o o r t P.J. e.a. The phytophthora infestans avirulence gene Avr4 encodes an RXLR-dEER effector. Mol. Plant-Microbe Interact., 2008, 21: 1460-1470.
38. V l e e s h o u w e r s V.G.A.A., R i e t m a n H., K r e n e k P. e.a. Effector genomics accelerates discovery and functional profiling of potato disease resistance and Phytophthora infestans avirulence genes. PLoS ONE, 2008 (August), 3(8): e2875.
39. C h a m p o u r e t N., B o u w m e e s t e r K., R i e t m a n H. e.a. Phytophthora infestans isolates lacking class 1 ipiO variants are virulent on Rpi-blb 1 potato. Mol. Plant-Microbe Interact., 2009, 22: 1535-1545.
40. O h S.-K., Y o u n g C., L e e M. e.a. In planta expression screens of Phytophthora infestans RXLR effectors reveal diverse phenotypes, including activation of the Solanum bulbocastanum disease resistance protein Rpi-blb2. The Plant Cell, 2009, 21: 2928-2947.
41. Б у к а с о в С.М., К а м е р а з А.Я. Селекция и семеноводство картофеля. Л., 1972.
42. V a n S o e s t L., S c h о b e r B., T a z e l a a r M. Resistance to Phytophthora infestans in tuber-bearing species of Solanum and its geographical distribution. Potato Res., 1984, 27: 393-411.
43. B a m b e r g J., M a r t i n M., S c h a r t n e r J. Elite selections of tuber-bearing Solanum species germplam. Sturgeon Bay, USA, 1994.
44. Устойчивость образцов диких видов картофеля к болезням и вредителям. Каталог мировой коллекции ВИР, вып. 761. СПб, 2004.
45. Р о г о з и н а Е.В., К и р у С.Д. Доноры устойчивости картофеля к патогенам и качества продукции. В сб.: Идентифицированный генофонд растений и селекция. СПб, 2005: 443-470.
46. H o e k s t r a R., B a m b e r g J.B., H u a m a n Z. A case study on merging evaluation data from different genebanks: the Inter-genebank Potato Database. Proc. Central Crop Databases: Tools for plant genetic resources management (Budapest, Hungary, 1996). IPGRI/CGN, Rome, Italy, 1997: 69-71.
47. Широкий унифицированный классификатор СЭВ и международный классификатор СЭВ видов картофеля секции Tuberarium (Dun.) Buk. рода Solanum L. Л., 1997.
48. P r a d a D. Molecular population genetics and agronomic alleles in seed banks: searching for a needle in a haystack? J. Exp. Bot., 2009, 60(9): 2541-2552.
49. G e b h a r d t C., V a l k o n e n J.P. Organization of genes controlling disease resistance in the potato genome. Annu. Rev. Phytopathol., 2001, 39: 79-102.
50. B l a c k W., M a s t e n b r o e k C., M i l l s W. e.a. A proposal for an international nomenclature of races of Phytophthora infestans and genes controlling immunity in Solanum demissum derivatives. Euphytica, 1953, 2: 173-179.
51. M a l c o l m s o n J., B l a c k W. New R-genes in Solanum demissum Lindl. and their complementary races of Phytophthora infestans (Mont.) de Bary. Euphytica, 1966, 15: 199-203.
52. B l a c k W., G a l l e g l y M. Screening of Solanum species for resistance to physiologic races of Phytophthora infestans. Am. Potato J., 1957, 34: 273-281.
53. N i e d e r h a u s e r J.S., C e r v a n t e s J., S e r v i n L. Late blight in Mexico and its implications. Phytopathology, 1954, 44: 406-408.
54. К и с е л е в И.И. Выделение исходного материала для селекции картофеля на устойчивость к специализированным расам фитофторы. Канд. дис. Л., 1968.
55. А н т о н о в И.И. Устойчивость к различным расам фитофторы диких и культурных видов и межвидовых гибридов картофеля. Канд. дис. Л., 1974.
56. C o l o n L.T., B u d d i n g D.J. Resistance to late blight (Phytophthora infestans) in ten wild Solanum species. Euphytica, 1988, 39(Suppl 3): 77-86.
57. E w i n g E., S i m k o I., S m a r t C. e.a. Genetic mapping from field tests of qualitative and quantitative resistance to Phytophthora infestans in a population derived from Solanum tuberosum and Solanum berthaultii. Mol. Breed., 2000, 6: 25-36.
58. M i c h e l e t t o S., B o l a n d R., H u a r t e M. Argentinian wild diploid Solanum species as sources of quantitative late blight resistance. Theor. Appl. Genet., 2000, 101: 902-906.
59. T r o g n i t z B. Inheritance of resistance in potato to lesion expansion and sporulation by Phytophthora infestans. Plant Pathol., 1998, 47: 712-722.
60. L i X., V a n E c k H., V a n d e r V o o r t J. e.a. Autotetraploids and genetic mapping using common AFLP markers: the R2 allele conferring resistance to Phytophthora infestans mapped on potato chromosome 4. Theor. Appl. Genet., 1998, 96: 1121-1128.
61. P a r k T.-H., V l e e s h o u w e r s V., H u i g e n D.J. e.a. Characterization and highresolution mapping of a late bight resistance locus similar to R2 in potato. Theor. Appl. Genet., 2005, 111: 591-597.
62. H e i n I., M c L e a n K., C h a l h o u b B. Generation and screening of a BAC library from a diploid potato clone to unravel durable resistance on linkage group IV. Int. J. Plant Ge-nomics, 2007, Article ID 51421.
63. L e o n a r d s - S c h i p p e r s C., G i e f f e r s W., S a l a m i n i F. e.a. The R1 gene conferring race specific resistance to Phytophthora infestans in potato is located on potato chromosome V. Mol. Gen. Genet., 1992, 233: 278-283.
64. B a l l v o r a A., E r c o l a n o M.R., W e i s s J. e.a. The R1 gene for potato resistance to late blight (Phytophthora infestans) belongs to the leucine zipper/NBS/LRR class of plant resistance genes. Plant J., 2002, 30: 361-371.
65. E l - K h a r b o t l y A., L e o n a r d s - S c h i p p e r s C., H u i g e n D. e.a. Segregation analysis and RFLP mapping of the R1 and R3 alleles conferring race specific resistance to Phytophthora infestans in progeny of dihaploid potato parents. Mol. Gen. Genet., 1994, 242: 749-754.
66. E l - K h a r b o t l y A., P a l o m i n o - S a n c h e z C., S a l a m i n i F. ел. R6 and R7al-leles of potato conferring race-specific resistance to Phytophthora infestans Mont. De Bary identified genetic loci clustering with the R3 locus on chromosome XI. Theor. Appl. Genet., 1996, 92: 880-884.
67. H u a n g S., V l e e s h o u w e r s V.G.A.A., W e r i j J.S. e.a. The R3 resistance to Phytophthora infestans in potato is conferred by two closely linked R genes with distinct specificities. Mol. Plant-Microbe Interact., 2004, 17: 428-435.
68. H u a n g S., V o s s e n E.A.G., K u a n g H. e.a. Comparative genomics enabled the isolation of the R3a late blight resistance gene in potato. Plant J., 2005, 42: 251-261.
69. P a r k T.-H., G r o s A., S i k k e m a A. e.a. The late blight resistance locus Rpi-blb3 from Solanum bulbocastanum belongs to a major late blight R gene cluster on chromosome 4 of potato. Mol. Plant-Microbe Interact., 2005, 18: 722-729.
70. P a r k T.-H., V l e e s h o u w e r s V., H u t t e n R. e.a. High resolution mapping and analysis of the resistance locus Rpi-abpt against Phytophthora infestans in potato. Mol. Breed., 2005, 16: 33-43.
71. V a n d e r V o s s e n E., G r o s J., S i k k e m a A. e.a. The Rpi-blb2 gene from Solanum bulbocastanum is an Mi-1 gene homolog conferring broad-spectrum late blight resistance in potato. Plant J., 2005, 44: 208-222.
72. N a e s s S., B r a d e e n J., W i e l g u s S. e.a. Resistance to late blight in Solanum bulbocastanum is mapped to chromosome 8. Theor. Appl. Genet., 2000, 101: 697-704.
73. S o n g J., B r a d e e n J., N a e s s S. e.a. Gene RB cloned from Solanum bulbocastanum confers broad spectrum resistance to potato late blight. PNAS USA, 2003, 100(16): 9128-9133.
74. V a n d e r V o s s e n E., S i k k e m a A., H e k k e r t B. e.a. An ancient R gene from the wild potato species Solanum bulbocastanum confers broad-spectrum resistance to Phy-tophthora infestans in cultivated potato and tomato. Plant J., 2003, 36: 867-882.
75. O o s u m i T., R o c k h o l d D., M a c c r e e M. e.a. Gene Rpi-bt1 from Solanum bulbocasta-num confers resistance to late blight in transgenic potatoes. Am. J. Pot. Res., 2009, 86: 456-465.
76. W a n g M., A l l e f s S., V a n d e n B e r g R. e.a. Allele mining in Solanum: conserved homologues of Rpi-blb1 are identified in Solanum stoloniferum. Theor. Appl. Genet., 2008, 116: 933-943.
77. R a u s c h e r G., S m a r t C., S i m k o I. e.a. Characterization and mapping of Rpi-ber, a novel potato late blight resistance gene from Solanum berthaultii. Theor. Appl. Genet., 2006, 112: 674-687.
78. P a r k T.H., F o s t e r S., B r i g n e t i G. e.a. Two distinct potato late blight resistance genes from Solanum berthaultii are located on chromosome 10. Euphytica, 2009, 165: 269-278.
79. K u h l J., H a n n e m a n R., H a v e y M. Characterization and mapping of Rpi1, a late blight resistance locus from diploid (1EBN) Mexican Solanum pinnatisectum. Mol. Genet. Genomics, 2001, 265: 977-985.
80. S m i l d e W., B r i g n e t i G., J a g g e r L. e.a. Solanum mochiquense chromosome IX carries a novel late blight resistance gene Rpi-mocl. Theor. Appl. Genet., 2005, 110: 252-258.
81. S l i w k a J., J a k u c z u n H., L e b e c k a R. e.a. A novel late blight resistance gene Rpi-phul mapped to potato chromosome IX is not related to long vegetation period. Theor. Appl. Genet., 2006, 113: 685-695.
82. F o s t e r S.J., P a r k T.H., P e l M. e.a. Rpi-vnt-1.1, a Tm-22 homolog from Solanum
venturii, confers resistance to potato late blight. Mol. Plant-Microbe Interact., 2009, 22: 589-600.
83. P e l M., F o s t e r S.J., P a r k T.H. e.a. Mapping and cloning of late blight resistance gene from Solanum venturii using an interspecific candidate gene approach. Mol. Plant-Microbe Interact., 2009, 22: 601-615.
84. T a n M., H u t t e n R., C e l i s C. e.a. The Rpi-mcd1 Locus from Solanum microdontum involved in resistance to Phytophthora infestans, causing a delay in infection, maps on potato chromosome 4 in a cluster of NBS-LRR genes. Mol. Plant-Microbe Interact., 2008, 21(7): 909-918.
85. V i l l a m o n F.G., S p o o n e r D.M., O r r i l l o M. Late light resistance linkages in a novel cross of the wild potato species Solanum paucissectum (series Piurana). Theor. Appl. Genet., 2005, 111: 1201-1204.
86. L i u Z., H a l t e r m a n D. Identification and characterization of RB-ortologous genes from the late blight resistant wild potato species Solanum verrucosum. Physiol. Mol. Plant Pathol., 2006, 69: 230-239.
87. O b e r h a g e m a n n P., C h a t o t - B a l a n d r a s C., S c h a f e r - P r e g l R. e.a. A genetic analysis of quantitative resistance to late blight in potato: towards marker-assisted selection. Mol. Breed., 1999, 5: 399-415.
88. T r o g n i t z F., M a n o s a l v a P., G i y s i n R. e.a. Plant defense genes associated with quantitative resistance to potato late blight in Solanum phureja^S. tuberosum hybrids. Mol. Plant-Microbe Interact., 2002, 15(6): 587-597.
89. V i s k e r M., K e i z e r L., V a n E c k H. e.a. Can the QTL for late blight resistance on potato chromosome 5 be attributed to foliage maturity type? Theor. Appl. Genet., 2003, 106: 317-325.
90. B r a d s h a w J., B r y a n G., L e e s A. e.a. Mapping the R10 and R11 genes for resistance to late blight (Phytophthora infestans) present in the potato (Solanum tuberosum) R-gene differentials of Black. Theor. Appl. Genet., 2006, 112: 744-751.
91. S l i w k a J., J a k u c z u n H., L e b e c k a R. e.a. Tagging QTLs for late blight resistance and plant maturity from diploid wild relatives in a cultivated potato (Solanum tuberosum) background. Theor. Appl. Genet., 2007, 115: 101-112.
92. M i c h e l m o r e R., M e y e r s B. Clusters of resistance genes in plants evolved by divergent selection and a birth-and-death process. Genome Res., 1998, 8: 1113-1130.
93. K u a n g H., W e i F., M a r a n o M. e.a. The R1 resistance gene cluster contains three groups of independently evolving type I R1 homologues and shows substantial structural variation among haplotypes of Solanum demissum. Plant J., 2005, 44: 37-51.
94. H e i n I., B i r c h P.R., D a n a n S. e.a. Progress in mapping and cloning qualitative and quantitative resistance against Phytophthora infestans in potato and its wild relatives. Potato Res., 2009, 52: 215-227.
95. L a n d e o J. Durable resistance: Quantitative/qualitative resistance. Proc. the Global initiative on late blight conference «Late blight: Managing the global threat». Hamburg, Germany, 2002: 29-36.
96. S t e w a r t H.E., B r a d s h a w J.E., P a n d e B. The effect of the presence of R-genes for resistance to late blight (Phytophthora infestans) of potato (Solanum tuberosum) on the underlying level of field resistance. Plant Pathol., 2003, 52: 193-198.
97. M o r e a u L., C h a r c o s s e t A., H o s p i t a l F. e.a. Marker-assisted selection efficiency in populations of finite size. Genetics, 1998, 148: 1353-1365.
98. D a v i e s H., B r y a n G., T a y l o r M. Advances in functional genomics and genetic modification of potato. Potato Res., 2008, 51: 283-299.
ГНУ Всероссийский НИИ растениеводства Поступила в редакцию
им. Н.И. Вавилова Россельхозакадемии, 4 февраля 2010 года
197000 г. Санкт-Петербург, ул. Большая Морская, 42-44, e-mail: [email protected]
MOLECULAR-GENETIC INTERACTION IN THE SYSTEM «PATHOGEN— HOST» DURING THE LATE BLIGHT DISEASE OF POTATO AND THE CURRENT STRATEGY OF BREEDING (review)
E.V. Rogozina
S u m m a r y
The data of literature are presented about structure and functional activity of Phytophthora in-festans de Bary genome (sequence of mitochondrial and nuclear genomes, localization of pathogenicity and avirulence genes), phenotypic manifestation and molecular-genetic basic of resistance to the late blight in variants of different species of Solanum, deposited in world collections, about mechanisms of interaction of pathogen and plants. The prospects of using of isolated variants — sources of determinants of resistance to late blight for creation of new potato cultivars, remaining during long time, and also the application the molecular markers for the purpose of advanced of breeding process are discussed.
