CC BY
141
DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10705 УДК 635.21:633.491:632.4:631.527.5:577.21
СОЗДАНИЕ УНИКАЛЬНЫХ СЕЛЕКЦИОННЫХ ДОНОРОВ НА ОСНОВЕ МЕЖВИДОВЫХ ГИБРИДОВ КАРТОФЕЛЯ ПУТЕМ ПИРАМИДИРОВАНИЯ ГЕНОВ УСТОЙЧИВОСТИ К ФИТОФТОРОЗУ ПОД КОНТРОЛЕМ ДНК-МАРКЕРОВ*
Э. Е. ХАВКИН1, доктор биологических наук, зав. лабораторией (e-mail: [email protected]; orcid.org/0000-0001-9177-3997)
Е. В. РОГОЗИНА2, доктор биологических наук, зав. отделом (orcid.org/0000-0002-2743-068X)
М. А. КУЗНЕЦОВА3, кандидат биологических наук, зав. отделом (orcid.org/0000-0002-9880-5995)
всероссийский институт сельскохозяйственной биотехнологии, ул. Тимирязевская, 42, Москва, 127550, Российская Федерация
2Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений им. Н.И. Вавилова (ВИР), ул. Большая Морская, 42-44, Санкт-Петербург, 190000, Российская Федерация
3Всероссийский институт фитопатологии, вл. 5, р.п. Большие Вяземы, Одинцовский р-н, Московская обл.,143050, Российская Федерация
Резюме. Для устойчивого картофелеводства необходимы сорта со стабильной продуктивностью, устойчивые к воздействию абиотических и биотических стрессовых факторов. Создание таких сортов основано на использовании генетического разнообразия культурных и дикорастущих форм секции Petota рода Solanum L. Среди болезней картофеля особое место занимает фитофтороз, возбудителем которого служит оомицет Phytophthora infestans (Mont.) de Bary. Потери урожая резко возрастают при эпифитотий-ном развитии заболевания в климатических условиях, благоприятных для развития патогена, или вследствие появления новых па-тотипов P. infestans, которые менее восприимчивы к фунгицидам и поражают сорта картофеля, ранее устойчивые к этой болезни. Лучший способ противостоять такой угрозе - упреждающая селекция: создание устойчивых к фитофторозу сортов картофеля с использованием доноров на основе межвидовых гибридов, которые содержат гены устойчивости, перенесенные из дикорастущих сородичей культуры. Долговременная устойчивость этих гибридов определяется объединением (пирамидированием) в одном растении нескольких генов устойчивости, которые в совокупности обеспечивают распознавание широкого спектра патотипов P. infestans и возможность оперативно реагировать на быстрые изменения в популяциях возбудителя. ДНК-маркеры позволяют идентифицировать гены устойчивости, различающиеся по специфичности кпатотипам P. infestans, изолировать и контролировать перенос этих генов при гибридизации и генетической трансформации. Поэтому методы маркер-опосредованной селекции играют важнейшую роль на всех этапах поиска источников устойчивости, создания селекционных доноров и новых сортов, а также определения подлинности семенного материала. Ранняя идентификация патотипов P. infestans методами SSR (simple sequence repeat) генотипирования и анализа состава генов авирулентности повысит эффективность химической защиты от фитофтороза и снизит потери урожая благодаря подбору сортов, устойчивых к выявленным патотипам.
Ключевые слова: Solanum, Petota, Phytophthora infestans, межвидовые гибриды; маркер-опосредованная селекция (marker-assistedselection, MAS); Rpi (resistance to Phytophthora infestans) гены устойчивости к фитофторозу, долговременная устойчивость, пирамидирование Rpi генов, Avr (avirulence) гены (а)вирулентности.
Для цитирования: Хавкин Э. Е., Рогозина Е. В., Кузнецова М. А. Создание уникальных селекционных доноров на основе межвидовых гибридов картофеля путем пирамидирования генов устойчивости к фитофторозу под контролем ДНК маркеров //
Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 7. С. 21-25. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10705.
Продовольственная безопасность страны во многом определяется устойчивым производством картофеля - «второго хлеба России». Одна из самых серьезных проблем картофелеводства - фитофтороз, болезнь, вызываемая оомицетом Phytophthora infestans (Mont.) de Bary. В рядовые годы совокупный урон мирового картофелеводства от фитофтороза, включая потери приблизительно 15 % урожая и затраты на химическую защиту посадок, достигает 10 млрд долл. США в год [1]. Россия ежегодно теряет от фитофтороза в среднем половину всего урожая [2]. При климатических условиях, благоприятных для развития патогена, часто возникают эпифитотии, уносящие 70...100 % урожая культуры. Основные затруднения в борьбе с фитофторозом связаны с миграцией и эволюцией P. infestans: оба процесса изменяют состав популяций патогена, снижая эффективность фунгицидов и делая восприимчивыми ранее устойчивые сорта. Специфическая российская проблема - выращивание картофеля по преимуществу на частных огородах, где в результате использования в качестве семенного материала импортного продовольственного картофеля возникают генетически разнообразные популяции возбудителя фитофтороза [2, 3].
Цель исследований - выделить молекулярные факторы, определяющие вредоносность патотипов P. infestans и устойчивость растений картофеля, колонизируемых этими патотипами. Использование маркер-опосредственных технологий для анализа взаимодействия этих факторов поможет противостоять эпифитотийному развитию фи-тофтороза путем упреждающей селекции, основанной на создании пула доноров, совокупность которых обеспечивает широкий спектр устойчивости к P. infestans, в том числе ко вновь появляющимся патотипам.
Различение штаммов P. infestans. Раннее обнаружение патотипов P. infestans молекулярными методами [4] позволяет оптимизировать набор используемых фунгицидов и повысить эффективность мер химической защиты картофеля. В наших опытах изоляты P. infestans, собранные в различных точках Европейской части России, были генотипированы по 12 SSR (simple sequence repeat) локусам. Популяции, колонизующие картофель в полевой коллекции ВИР (Пушкин, С. Петербург), отличались от популяций из коммерческих посадок картофеля в различных регионах России от Ленинградской до Астраханской и Свердловской областей. Причем эти популяции отчетливо разнились с западно- и центральноевропейскими популяциями P. infestans [5, 6]. Другой метод различения патотипов P. infestans - определение состава генов ^вирулентности (Avr генов). Эти исследования значительно ускоряются при использовании SSCP (single-strand conformation polymorphism) анализа [5, 7]. Если SSR
* Исследования выполнены в рамках Госзадания 0574-2018-0010 (№ госрегистрации АААА-А17-117090540058-4).
профиль характеризует относительно стабильную часть генома P. infestans, то состав Avr генов, расположенных в эволюционно мобильной части генома [8], можно непосредственно соотнести с вирулентностью и вредоносностью патогена [6]. Оба метода отличаются высокой чувствительностью и позволяют достаточно рано обнаруживать новые патотипы P. infestans.
Необходимо подчеркнуть, что хотя оба метода хорошо различают изоляты P. infestans, их нельзя использовать для идентификации патотипов пока не создана система молекулярной классификации восточноевропейских штаммов P. infestans. Ранняя идентификация штаммов P. infestans методами SSR генотипирования и анализа состава Avr генов снизит потери урожая благодаря подбору наиболее эффективных фунгицидов и сортов, устойчивых к выявленным патотипам.
Долговременная устойчивость. Другой подход к борьбе с фитофторозом - это создание сортов картофеля, обладающих долговременной (durable) устойчивостью, которая сохраняется в течение длительного времени на значительном пространстве в условиях, благоприятных для развития болезни [9]. Это эмпирическое определение явления, обусловленного природой устойчивости растения и эволюционным потенциалом патогена. Его генетическая основа выяснена еще не полностью; в первую очередь это относится к механизмам изменчивости Avr генов и вкладу недостаточно изученных генов устойчивости, отличных от расоспеци-фичных NB-LRR генов (genes for resistance to P. infestans, Rpi гены) [10, 11, 12].
Изменения в популяции P. infestans. Быстрая эволюция патогена, которая может приводить клавиноо-бразному повышению его вирулентности, связана со специфической организацией и высокой пластичностью генома P. infestans. Его размеры в несколько раз превышают геномы других видов Phytophthora. В отличие от генов, обеспечивающих повседневную жизнедеятельность оомицета (house-keeping genes), Avr гены расположены в высокополиморфных областях генома, богатых повторяющимися последовательностями, которые обеспечивают высокую скорость эволюции Avr генов и генома в целом, в том числе при смене хозяина [8].
Потери урожая при изменении состава популяции P. infestans можно уменьшить, снижая скорость эволюции патогена и создавая новые сорта картофеля с высокой и долговременной устойчивостью к фитофторозу. Сохранение устойчивости определяется временем, за которое могут возникнуть новые мутации или рекомбинации Avr генов или генов устойчивости растения. Теоретический анализ показал, что мозаики сортов с различными генами устойчивости должны сохранять устойчивость к патогенам так же долго, как и сорта, в которых различные гены устойчивости пирамидированы в одном растении [13]. На практике эти эффекты сильно зависят от генетического фона каждого партнера в патосистеме хозяин-патоген, условий окружающей среды и используемой агротехники. Так, в опытах с перцем пирамидирование генов устойчивости к нематоде и ротация сортов с раз-
личными генами устойчивости давали сходные результаты, худший эффект обеспечивали мозаики сортов с различными генами устойчивости [14].
Гены устойчивости картофеля и гены авирулент-ности P. infestans. Устойчивость к фитофторозу должна быть не только долговременной, но и обладать широкой специфичностью (broad spectrum) - способностью противостоять большинству патотипов P. infestans [15].
Все охарактеризованные на сегодняшний день Rpi гены кодируют CC-NB-LRR рецепторные киназы, взаимодействующие с соответствующими Avr эффекторами (табл. 1). В соответствии с моделью «ген-на-ген», при вторжении патогена в растительную клетку высокоспецифичное узнавание эффектора соответствующей киназой запускает сигнальный каскад, вызывающий неспецифическую защитную реакцию (реакция сверхчувствительности), которая часто заканчивается смертью клетки и вторгшегося в нее патогена. Широкую специфичность таких генов устойчивости, как Rpi-blb1, Rpi-blb2, Rpi-vnt1 и R8 (Rpi-Smira2) связывают с присутствием соответствующих Avr генов у большинства патотипов P. infestans, колонизующих сорта картофеля. В пользу этой модели говорят данные о том, что устойчивость растения пропорциональна числу копий экспрессированного гена Rpi-blb1 [15].
Однако на сегодняшний день модель «ген-на-ген» представляется упрощением в связи с представлениями о непрямом взаимодействии эффекторов с рецепторной киназой и быстро накапливающимися сведениями о роли генов, отличных от NB-LRR генов, применительно к которым эта модель работает лучше всего [11].
Пирамидирование генов устойчивости. Если одиночные гены устойчивости быстро «преодолеваются» новыми штаммами патогена, то объединение нескольких генов в одном растении не только повышает устойчивость, но и делает ее более долговременной. Такое соединение в одном растении нескольких генов устойчивости, называют пирамидированием (stacking). Пирамида генов устойчивости эффективна, пока хотя бы один ее компонент распознает соответствующий ген вирулентности и запускает защитную реакцию. Предполагается, что с увеличением числа генов устойчивости в одном растении повышается доля генов авирулентности, которые не мутировали в гены вирулентности, и возрастает вероятность распознавания Avr эффекторов соответствующими NB-LRR киназами. Сходные результаты дает мозаика сортов, несущих широкий набор генов устойчивости. В сущности, такую мозаику можно рассматривать как пирамидирование в масштабах ценоза. Устойчивость пирамиды возрастает особенно
Таблица 1. Клонированные к настоящему времени Rpi гены дикорастущих сородичей картофеля и соответствующие им Avr гены P. infestans (по [10])
Rpiген Вид Solanum Хромосома Avr ген
R1 S. demissum V Avr1
R2, Rpi-blb3, Rpi-abpt, S. demissum,S.bulbocastanum, IV Avr2
R2-like, Rpi-edn1.1, S. edinense, S. schenckii,
Rpi-snk1, Rpi-hjt1.1 S. hjertingii
R3a S. demissum XI Avr3a
R3b S. demissum XI Avr3b
R4 (не клонирован) S. demissum Avr4
R8/Smira2 S. demissum IX Avr8/AvrSmira2
R9a/Smira1 S. demissum IX Avr9a/AvrSmira1
Rpi-blb1/RB, Rpi-sto1, Rpi- S. bulbocastanum, VIII Avr-blb1
pta1 S. stoloniferum
Rpi-bt1 S. bulbocastanum Неизв.
Rpi-ver1 S. verrucosum Неизв.
Rpi-blb2 S. bulbocastanum VI Avr-blb2
Rpi-mcq1 S. mochiquense IX Avr2
Rpi-vnt1.1/Rpi-phu1, S. venturii, S. phureja IX Avr-vnt1
заметно, когда в ее составе есть гены устойчивости, с которыми еще не сталкивались колонизующие растения штаммы патогена; прежде всего, это гены, перенесенные из дикорастущих видов Solanum, еще не вовлеченных в селекцию. Другим фактором результативности пирамиды генов устойчивости служит эффективный размер популяции патогена, определяющий генетическое разнообразие патотипов и частоту рекомбинаций, от которых зависит скорость появления новыхАуг генов. Необходимо подчеркнуть, что многие процессы эволюции Avr генов патогена и генов устойчивости растения-хозяина, которые определяют эффективность пирамидирования генов устойчивости, нуждаются в дальнейших исследованиях [16, 17].
Говоря о картофеле, следует прежде всего различать соединение в одном растении генов устойчивости к различным видам патогенов [18, 19] и объединение нескольких локусов или аллелей генов устойчивости к одной болезни, которые в совокупности обеспечивают широкий спектр специфичности. Объединение нескольких Rpi генов расширяет спектр распознаваемых патотипов P. infestans и резко повышает устойчивость растений [1, 15, 20].
В фундаментальных и прикладных исследованиях по пирамидированию генов устойчивости к фитофторозу можно выделить два достаточно самостоятельных направления.
Во-первых, поиск в генетических коллекциях культурных и дикорастущих форм картофеля образцов (accessions) с высокой устойчивостью к фитофторозу. При этом особый интерес представляют дикорастущие виды Solanum, которые ранее не были вовлечены в селекцию, и малоисследованные ландрасы - местные южноамериканские сорта картофеля.
Из таких образцов необходимо выделять устойчивые к фитофторозу клоны, которые в дальнейшем будут использоваться в качестве потенциальных источников генов устойчивости для создания гибридов. Не менее важно использование этих клонов для поиска и идентификации новых гомологов уже известных Rpi генов - или новых генов, ранее не описанных другими исследователями [15, 20, 21].
Во-вторых, собственно создание межвидовых гибридов картофеля, несущих по несколько генов устойчивости в каждом растении - в дополнение ко всем тем агрономическим признакам, которые делают эти гибриды перспективными селекционными донорами. Таким способом можно сформировать пул гибридов, перекрывающий все известное разнообразие патотипов P. infestans. Присутствие в этом пуле гибридных генотипов, несущих гены с широким спектром устойчивости, повышает вероятность того, что сорта, созданные на их основе, смогут противостоять и новым штаммам патогена [19, 22].
Среди известных гибридов картофеля мы встречаем формы, несущие пирамиды Rpi генов. В качестве примера можно привести высокоустойчивый сорт Sarpo Mira (пять генов), или несущий семь генов клон 2573 (2), также известный как MaR9, из набора растений - дифференциаторов рас возбудителя фитофтороза, созданного Бле-ком и Мастенброком. Особую ценность для интрогрессии представляют природные кластеры Rp/генов (см. табл. 1). Они описаны на хромосомах 4 (гены R2, Rpi-blb3 и их гомологи), 9 (гены R8, R9a и их гомологи) и 11 (гены R3a, R3b и их гомологи). Создание таких доноров традиционными методами половой и соматической гибридизации требует больших затрат сил и средств и занимает в несколько раз больше времени, чем трансформация картофеля двумя-тремя Rp/генами, тем более что в последнем случае отпадают проблемы совместимости при скрещивании [1, 15].
Однако важным преимуществом селекционных доноров на основе межвидовых гибридов остается сохранение сложившегося в родительских формах генетического окружения интрогрессированных Rpi генов, включая гены расонеспецифичной устойчивости к фитофторозу. Это стабилизирует устойчивость создаваемых сортов и замедляет процессы отбора более приспособленных форм патогена в посадках картофеля [19].
Необходимо подчеркнуть ключевую роль методов маркер-опосредованной селекции (marker-assisted selection, MAS) на всех этапах поиска источников устойчивости и создания селекционных доноров. Только молекулярные маркеры, в первую очередь, основанные на последовательностях самих генов устойчивости, позволяют идентифицировать Rpi гены, различающиеся по специфичности к патотипам P. infestans и изолировать их для последующего переноса в растения-реципиенты методами генетической инженерии. Молекулярные маркеры позволяют контролировать перенос генов устойчивости при гибридизации и трансформации. Методы MAS открывают принципиально новые возможности соединить в одном растении несколько Rp/генов, распознающих широкий круг патотипов P. infestans. Наконец, они позволяют следить за сохранением генов устойчивости в серии репродукций на последующих этапах селекции. Поэтомутак важно изучение специфичности Rpi генов и конструирование надежных ДНК маркеров, пригодных для лабораторных исследований и массового селекционного скрининга.
Новые доноры устойчивости. Лучший способ противостоять угрозе эпифитотий фитофтороза - конструирование селекционных доноров, несущих генетический материал нескольких дикорастущих видов Solanum и перенесенный с ним большой набор генов устойчивости к фитофторозу. При резких изменениях популяции патогена эти доноры можно оперативно использовать для создания сортов, способных сохранить высокую продуктивность в новой фитосанитарной обстановке.
Наши исследования клонов межвидовых гибридов с помощью маркеров Rpi генов позволили выделить две группы генотипов: селекционные доноры для создания новых сортов, уникальные по числу и комбинациям Rpi генов; гибриды, которые несут редкие аллели генов устойчивости и поэтому перспективны, прежде всего, в качестве исходного материала для поиска и выделения ранее неизвестных Rpi генов. Межвидовые гибриды из обеих групп передают признак устойчивости к фитофторозу большей части потомства от скрещивания с сортами или от самоопыления. Показан значимый вклад Rpi генов в устойчивость картофеля к фитофторозу. Она заметно возрастала при объединении (пирамидирова-нии) в одном растении нескольких Rpi генов, прежде всего, генов широкой специфичности [20, 23].
Использование генетического разнообразия культурных и дикорастущих сородичей картофеля из коллекции ВИР позволило создавать межвидовые гибриды - перспективные родительские формы для селекции на устойчивость к фитофторозу [19, 24, 25]. Высокая фитофтороустойчивость межвидовых гибридов картофеля обеспечена использованием в качестве источников образцов дикорастущих видов и культурных форм картофеля с разными наборами генов, проведением накапливающих скрещиваний и постоянным отбором по устойчивости к заболеванию [26, 27].
Депонированные в коллекции генетических ресурсов растений ВИР сорта и гибридные клоны картофеля поддерживаются вегетативно в условиях центрального полевого генного банка ВИР (Пушкин, С. Петербург).
Таблица 2. Межвидовые гибриды с длительной высокой устойчивостью к фитофторозу
Селекционный номер Происхождение Устойчивость к фитофторозу по данным авторов-селекционеров (20062008 гг.), балл* Источник Оценка во ВНИИФ полевая (2015*2016), балл
2372-60 1977-76 х Зарево 8,0 [27] 7,0...8,0
2585-80 Никулинский х Петербургский 8,0...9,0 [27] 6,0...7,0
97.1-17 Луговской х 88.16/20 7,5...8,0 [27] 6,0...7,0
10/5-09 Загадка Питера х смесь пыльцы 8,0 Колобаев, неопубл. 6,0...7,0
15/13-09 Сложный многовидовой гибрид 8,0 Колобаев, неопубл. 6,0
39-1-2005 ^1тЬа х 5. alandiae к-21240) 8,0 [23] 6,0...7,0
194-4т Загадка Питера х99-6-6 7,0...8,0 [23] 6,0...8,0
*полевая оценка в годы эпифитотий. Генетическое разнообразие и длительный (более 40 лет) период выращивания образцов картофеля на локальном участке сформировали уникальный агробиоценоз, условия которого благоприятны для проявления болезней и развития вредителей. Мониторинг популяций возбудителя фи-тофтороза на полях коллекции картофеля свидетельствует о наличии двух типов совместимости (А1 и А2), что служит предпосылкой для полового процесса в цикле размножения Р. 1^вв1апв, обеспечивающего высокое генетическое разнообразие патотипов. Генотипирование методом ББР анализа показало, что изоляты Р. Пвв1апв, собранные на образцах картофеля в этом банке, отличаются большим полиморфизмом, в сравнении с изолятами, собранными на коммерческих посадках картофеля в Ленинградской области [6]. Очевидно, что выращивание коллекционных образцов картофеля в условиях высокого инфекционного фона, при наличии в местной популяции генетически разнообразных патотипов Р. Пвв1апв, способствует отбору генотипов картофеля с высокой устойчивостью к широкому спектру рас возбудителя фитофтороза. Еще одна кло-новая коллекция межвидовых гибридов - потенциальных доноров устойчивости к фитофторозу поддерживается в Институте фитопатологии (ВНИИФ) в Больших Вяземах Московской области. Среди клонов межвидовых гибридов выделены формы, которые проявили высокую устойчивость к фитофторозу в течение более 10 лет наблюдений, в том числе в периоды эпифитотийного проявления заболевания, и в разных регионах. В качестве примера можно привести образцы, представляющие три группы гибридов (табл. 2). Все они, кроме 2372-60 и 2585-80, несут гены широкой специфичности Нр1-ЫЬ1 и/или Нр1-ЫЬ2 [23].
На сегодняшний день в коллекциях ВИР и ВНИИФ поддерживаются в виде клонов более 60 межвидовых гибридов, охарактеризованных морфофизиологически-ми, фитопатологическими и молекулярными методами. Как потенциальные доноры эти гибриды уникальны по
составу хозяйственно-ценных генов и служат наиболее перспективным селекционным материалом для создания новых сортов картофеля в сжатые сроки.
Заключение. Генотипирование по 12 SSR локусам и SSCP анализ Avr генов улиний P. infestans показали, что эти методы надежно дифференцируют патотипы P. infestans. Раннее различение патотипов P. infestans этими методами сможет повысить результативность химической защиты от фитофтороза и снизить потери урожая благодаря подбору наиболее эффективных фунгицидов и сортов, устойчивых к выявленным патотипам. Клоновая коллекция межвидовых гибридов, охарактеризованных морфофизиологическими, фитопатологическими и молекулярными методами, уникальна по составу хозяйственно-ценных генов и служит наиболее перспективным селекционным материалом для создания в сжатые сроки новых сортов картофеля. Исследования этой коллекции с помощью маркеров Rpi генов позволили выявить уникальных доноров для создания новых сортов и генотипы, которые несут новые Rp/'гены или редкие аллели уже известных Rpi генов устойчивости. Опираясь на пул детально охарактеризованных доноров и используя методы MAS для дальнейшего пирамидирования генов устойчивости путем накапливающих скрещиваний, можно в ближайшем будущем создать новые сорта картофеля с долговременной устойчивостью к фитофторозу, способные сохранять продуктивность даже при значительных изменениях в популяциях P. infestans.
Своевременное обнаружение новых патотипов P. infestans параллельно с созданием, путем пирамидирования Rpi генов, селекционных доноров, соответствующих Avr генам новых патотипов, можно определить как упреждающую селекцию на устойчивость к фитофторозу. При этом потребуются усилия для совершенствования классических и молекулярных методов ранней диагностики болезни и поиска новых Rpi генов, еще не вовлеченных в создание новых сортов картофеля.
Литература.
1. Durable late blight resistance in potato through dynamic varieties obtained by cisgenesis: Scientific and societal advances in the DuRPh project/A. J. Haverkort, P. M. Boonekamp, R. Hutten, etc.// Potato Res. 2016. Vol. 59. Pp. 35-66. DOI: 10.1007/s11540-015-9312-6.
2. Мониторинг изолятов Phytophthora infestans, выделенных с картофеля и томатов в Московской области (20092017 гг.) / М. А. Кузнецова, Н. В. Стацюк, А. Н. Рогожин и др. //Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 3. C. 28-33. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10306.
3. Еланский С.Н. Особенности развития фитофтороза в России// Защита картофеля. 2015. № 1. С. 8-11.
4. Cooke D. E. L., Lees A. K. Markers, old and new, for examining Phytophthora infestans diversity// Plant Pathol. 2004. Vol. 53. Pp. 692-704. DOI: 10.1111/j.1365-3059.2004.01104.x.
5. Сравнение фенотипических и молекулярно-генетических методов мониторинга возбудителя фитофтороза картофеля Phytophthora infestans / Е. А. Соколова, М. А. Кузнецова, А. Н. Рогожин и др. //Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 3. С. 24-27. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10305.
6. Pathogenicity of East European strains of Phytophthora infestans vs. resistance of colonized potato plants: the profiles of AVR genes vs. R gene pyramids/E. A. Sokolova, M. A. Kuznetsova, T. I. Ulanova, etc. //Schepers H.T.A.M. (ed.). PAGV-Special Report. Wageningen, DLO Foundation, 2017. No. 18. Pp. 259-267. [Электронный ресурс]. URL: http://euroblight.net/fileadmin/euroblight/ Workshops/AArhus/Proceedings/Special_Report_18_Totaal.pdf (дата обращения: 01.06.2018).
7. Чижик В. К., Соколова Е. А., Мартынов В. В. Применение метода SSCP для анализа генетического полиморфизма Phytophthora infestans / Эпидемии болезней растений: мониторинг, прогноз, контроль / под ред. С. С. Санина. Б. Вяземы: ВНИИФ, 2017. С. 280-287.
8. Genome evolution following host jumps in the Irish potato famine pathogen lineage / S. Raffaele, R. A. Farrer, L. M. Cano, etc. // Science. 2010. Vol. 330. Pp. 1540-1543. DOI: 10.1126/science.1193070.
9. Johnson R. A critical analysis of durable resistance // Annu. Rev. Phytopathol. 1981. Vol. 22. Pp. 309-330. [Электронный ресурс]. URL: https://D0I.org/10.1146/annurev.py.22.090184.001521 (дата обращения: 01.06.2018).
10. Du J., Vleeshouwers V. G. New strategies towards durable late blight resistance in potato / The Potato Genome, Compendium of Plant Genomes / eds. S. K. Chakrabarti et al. Springer Intern, 2017. Pp. 161-169. [Электронный ресурс]. URL: https://D0I. org/10.1007/978-3-319-66135-3_10 (дата обращения: 01.06.2018).
11. Michelmore R. W., Christopoulou M., Caldwell K. S. Impacts of resistance gene genetics, function, and evolution on a durable future //Annu. Rev. Phytopathol. 2013. Vol. 51. Pp. 291-319. DOI: 10.1146/annurev-phyto-082712-10233.
12. Zhang M., Coaker G. Harnessing effector-triggered immunity for durable disease resistance // Phytopathol. 2017. Vol. 107. Pp. 912-919. DOI: 10.1094/PHYT0-03-17-0086-RV.
13. Djidjou Demasse R., Moury B., Fabre F. Mosaics often outperform pyramids: insights from a model comparing strategies for the deployment of plant resistance genes against viruses in agricultural landscapes // New Phytol. 2017. Vol. 216. Pp. 239-253. DOI: 10.1111/nph.1470.
14. Pyramiding, alternating or mixing: comparative performances of deployment strategies of nematode resistance genes to promote plant resistance efficiency and durability / C. Djian-Caporalino, A. Palloix, A. Fazari, etc. // BMC Plant Biol. 2014. Vol. 14 (1). No. 53. [Электронный ресурс]. URL: https://bmcplantbiol.biomedcentral.com/10.1186/1471-2229-14-53 (дата обращения: 03.06.2018). DOI: 10.1186/1471-2229-14-5.
15. Problematic Crops: 1. Potatoes: Towards sustainable potato late blight resistance by cisgenic R gene pyramiding / K. R. Jo, S. Zhu, Y. Bai, etc. //Plant Pathogen Resistance Biotechnology. 2016. Pp. 171-191. DOI: 10.1002/9781118867716.ch.
16. Mundt C. Pyramiding for resistance durability: Theory and practice // Phytopathol. 2018. Vol. 108 (7). Pp. 792-802. DOI: 10.1094/PHYTO-12-17-0426-RVW.
17. Stam R., McDonald B. A. When resistance gene pyramids are not durable - the role of pathogen diversity // Mol Plant Pathol. 2018. Vol. 19. Pp. 521-524. DOI: 10.1111/mpp.12636.
18. Marker-assisted combination of major genes for pathogen resistance in potato / C. Gebhardt, D. Bellin, H. Henselewski, etc. // Theor. Appl. Genet. 2006. Vol. 112. Pp. 1458-1464. DOI: 10.1007/s00122-006-0248-8.
19. Рогозина Е. В., Хавкин Э. Е. Межвидовые гибриды картофеля как доноры долговременной устойчивости к патогенам // Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017. Т. 21 (1). C. 30-41. DOI: 10.18699/VJ17.221.
20. Revisiting late blight resistance genes in complex interspecific potato hybrids/O. A. Fadina, M. P. Beketova, M. A. Kuznetsova, etc.//PAGV-SpecialReport. Wageningen, DLO Foundation. 2017. No. 18. Pp. 245-256. [Электронный ресурс]. URL: http://euroblight. net/fileadmin/euroblight/Workshops/Aarhus/Proceedings/Special_Report_18_Totaal.pdf (дата обращения: 30.06.2018).
21. Utilizing «omic» technologies to identify and prioritize novel sources of resistance to the oomycete pathogen Phytophthora infestans in Potato Germplasm Collections/P. S. Van Weymers, K. Baker, X. Chen, etc. //Front. Plant Sci. 2016. Vol. 7. Pp. 672. DOI: 10.3389/fpls.2016.00672.
22. Упреждающая селекция: использование молекулярных маркеров при создании доноров устойчивости картофеля к фитофторозу на основе сложных межвидовых гибридов / О. А. Фадина, М. П. Бекетова, Е. А. Соколова и др. // Сельскохозяйственная биология. 2017. Т. 52(1). C. 84-94. DOI: 10.15389/agrobiology.2017.184.rus.
23. Межвидовые гибриды как родительские формы для упреждающей селекции картофеля на устойчивость к болезням и вредителям / Е. В. Рогозина, В. А. Бирюкова, Е. В. Симаков и др. // Достижения науки и техники АПК. 2018. Т. 32. № 1. C. 26-31. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10105.
24. Козлов В. А., Рогозина Е. В. Созданные в ВИР межвидовые гибридные клоны картофеля - источники ценных признаков для селекции картофеля в Беларуси// Тр. по прикл. бот., ген. и сел. 2014. Т. 175. Вып. 2. С. 61-72.
25. Использование генетических ресурсов картофеля для повышения эффективности селекции / Е. А. Симаков, В. А. Жарова, А. В. Митюшкин и др. // Тр. по прикл. бот., ген. и сел. 2017. Т. 177. Вып. 2. С. 113-121. DOI: 10.30901/2227-8834-2017-2-113-121.
26. Колобаев В. А. Принципы и методы создания высокоэффективных доноров горизонтальной устойчивости картофеля к фитофторозу: методические рекомендации. СПб., 2001. 18 с.
27. Доноры и генетические источники для использования в селекционном процессе картофеля (каталог) / И. М. Яшина, Е. А. Симаков, Н. Н. Морозова и др. М., 2010. 27 с.
BREEDING OF UNIQUE DONORS FROM INTERSPECIFIC POTATO HYBRIDS BY DNA MARKER-ASSISTED PYRAMIDING OF LATE BLIGHT RESISTANCE GENES
E. E. Khavkin1, E. V. Rogozina2, M. A. Kuznetsova3
'All-Russian Research Institute of Agricultural Biotechnology, ul. Timiryazevskaya, 42, Moskva, 127550, Russian Federation 2Federal Research Center the N. I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources (VIR), ul. B. Morskaya, 42-44, Sankt-Peterburg, 190000, Russian Federation
3All-Russian Research Institute of Phytopathology, ul. Institute, vl. 5, r.p. Bol'shie Vyazemy, Odintsovskii r-n, Moskovskaya obl.,143050, Russian Federation
Abstract. For sustainable potato industry, potato growers require varieties with stable productivity and resistant to abiotic and biotic stresses. Breeding such varieties employs a genetic diversity of cultured and wild species of genus Solanum, section Petota. Among potato diseases, a special place is occupied by late blight, which is caused by the oomycete Phytophthora infestans (Mont.) de Bary. Crop losses are dramatically increased by the epidemic progress of late blight under climatic conditions favourable for the pathogen development, or due to the appearance of new pathotypes of P. infestans, which are less susceptible to fungicides and are virulent to the potato varieties that were resistant to late blight previously. Breeding to anticipate is the best way to counter this threat: to develop potato varieties resistant to late blight from the donors derived from interspecific hybrids that comprise late blight resistance genes transferred from wild potato relatives. The stable resistance of these hybrids is provided by combining (pyramiding) of several resistance genes in one plant that collectively recognize a broad range of P. infestans pathotypes and can rapidly respond to sweeping changes in P. infestans populations. DNA markers allow to identify the resistance genes of diverse pathotype specificity, to isolate them and to control the transfer of these genes through hybridization and genetic transformation. Thus, marker-assisted breeding plays a crucial role when searching for sources of sustainability, breeding the donors and new varieties and assessing the authenticity of the seed material. Early identification of P. infestans pathotypes by SSR (simple sequence repeat) genotyping and avirulence gene profiling will increase the efficiency of chemical plant protection against late blight and reduce crop losses by choosing varieties resistant to recognized pathotypes. Keywords: Solanum; Petota; Phytophthora infestans; interspecific hybrids; marker-assisted selection (MAS); Rpi (resistance to Phytophthora infestans) genes; durable resistance; pyramiding Rpi genes; Avr (avirulence) genes.
Author Details: E. E. Khavkin, D. Sc. (Biol.), head of laboratory (e-mail: [email protected]; orcid.org/0000-0001-9177-3997); E. V. Rogozina, D. Sc. (Biol.), head of division (orcid.org/0000-0002-2743-068X); M. A. Kuznetsova, Cand. Sc. (Biol.), head of division (orcid.org/0000-0002-9880-5995).
For citation: Khavkin E. E., Rogozina E. V., Kuznetsova M. A. Breeding of Unique Donors from Interspecific Potato Hybrids by DNA Marker-Assisted Pyramiding of Late Blight Resistance Genes. Dostizheniya nauki i tekhniki APK. 2018. Vol. 32. No. 7. Pp. 21-25. (in Russ.). DOI: 10.24411/0235-2451-2018-10705.
