SSR-анализ современных российских сортов картофеля с использованием ДНК номенклатурных стандартов

Во Всероссийском институте генетических ресурсов растений имени Н.И. Вавилова (ВИР) получают развитие новые подходы к документированию отечественных сортов c учетом рекомендаций Международного кодекса номенклатуры культурных растений параллельно с методами генетической паспортизации. Номенклатурный стандарт определенного сорта, представленный гербарным образцом, может служить эталоном, обеспечивая возможность проверки подлинности и однородности образцов сорта, полученных из различных источников. Для проведения такой проверки необходимы быстрые и надежные методы генотипирования образцов. В данной статье представлены протоколы модифицированных методов выделения ДНК, постановки ПЦР и проведения SSR-анализа, которые позволяют проводить генотипирование сортов картофеля без применения дорогостоящих наборов реагентов. С использованием набора из десяти хромосомспецифичных монолокусных микросателлитных маркеров изучен полиморфизм 66 современных российских сортов картофеля, представленных номенклатурными стандартами, а также 11 предсортов и селекционных клонов, представленных ваучерными образцами. В этой выборке из 77 образцов выявлен высокий уровень полиморфизма в десяти изученных микросателлитных локусах. По данным SSR-анализа было идентифицировано 73 аллеля, в среднем наблюдалось по 7,3 аллеля на локус, число которых варьировало от трех (локус STG0025) до 11 (локус StI046). Значения PIC варьировали от 0,544 (локус STG0025) до 0,836 (локус StI046). Уникальные для этой выборки аллели были обнаружены в шести изученных локусах. Высокий уровень полиморфизма в SSR-локусах позволил однозначно идентифицировать практически каждый сорт выборки за исключением ожидаемого совпадения микросателлитных профилей двух сортов, являющихся сомаклональными вариантами. С использованием оптимизированного набора из восьми микросателлитных маркеров изучены генетические взаимосвязи современных российских сортов картофеля.

1. Антонова О.Ю., Швачко Н.А., Новикова Л.Ю., Шувалов О.Ю., Костина Л.И., Клименко Н.С., Шувалова А.Р., Гавриленко Т.А. Генетическое разнообразие сортов картофеля российской селекции и стран ближнего зарубежья по данным полиморфизма SSR-локусов и маркеров R-генов устойчивости. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2016;20(5):596-606. DOI: 10.18699/ VJ16.181

2. Bali S., Sathuvalli V., Brown C., Novy R., Ewing L., Debons J., Douches D., Coombs J., Navarre D., Whitworth J., Charlton B., Yilma S., Shock C., Stark J., Pavek M., Knowles N.R. Genetic Fingerprinting of Potato Varieties from the Northwest Potato Variety Development Program. American Journal of Potato Research. 2017;94(1):54-63. DOI: 10.1007/s12230-016-9547-z

3. DARwin5 версия 5.0.158 – программа. URL: http://www.darwin.cirad. fr/darwin [дата обращения: 13.11.2020]

4. Implen: [website]. URL: https://www.implen.de/nanophotometer [дата обращения: 13.11.2020]

5. Dice L. Measures of the amount of ecologic association between species. Ecology. 1945;26(3):297-302. DOI: 10.2307/1932409

6. Favoretto P., Veasey E.A., Melo P.C.T. Molecular characterization of potato cultivars using SSR markers. Horticultura Brasileira. 2011;29(4):542-547. DOI: 10.1590/S0102-05362011000400017

7. Feingold S., Lloyd J., Norero N., Bonierbale M., Lorenzen J. Mapping and characterization of new EST-derived microsatellites for potato (Solanum tuberosum L.). Theoretical and Applied Genetics. 2005;111(3):456-466. DOI: 10.1007/s00122-005-2028-2

8. Фомина Н.А., Антонова О.Ю., Чухина И.Г., Гимаева Е.А., Сташевски З., Гавриленко Т.А. Номенклатурные стандарты и генетические паспорта сортов картофеля селекции Татарского НИИСХ «Казанский научный центр РАН». Биотехнология и селекция растений. 2020а;3(3):55-67. DOI: 10.30901/2658-6266-2020-3-o4

9. Gavrilenko T., Antonova O., Ovchinnikova A., Novikova L., Krylova E., Mironenko N., Pendinen G., Islamshina A., Shvachko N., Kiru S., Kostina L., Afanasenko O., Spooner D. A microsatellite and morphological assessment of the Russian National cultivated potato collection. Genetic Resources and Crop Evolution. 2010;57(8):1151-1164. DOI: 10.1007/s10722-010-9554-8

10. Gavrilenko T., Antonova O., Shuvalova A., Krylova E., Alpatyeva N., Spooner D.M., Novikova L. Genetic diversity and origin of cultivated potatoes based on plastid microsatellite polymorphism. Genetic Resources and Crop Evolution. 2013;60(7):1997-2015. DOI: 10.1007/s10722-013-9968-1

11. Гавриленко Т.А., Чухина И.Г. Номенклатурные стандарты современных российских сортов картофеля, хранящиеся в гербарии ВИР (WIR): новые подходы к регистрации сортового генофонда в генбанках. Биотехнология и селекция растений. 2020;3(3):6-17. DOI: 10.30901/2658-6266-2020-3-o2

12. Гавриленко Т.А., Клименко Н.С., Антонова О.Ю., Лебедева В.А., Евдокимова З.З., Гаджиев Н.М., Апаликова О.В., Алпатьева Н.В., Костина Л.И., Зотеева Н.М., Мамадбокирова Ф.Т., Егорова К.В. Молекулярный скрининг сортов и гибридов картофеля северо-западной зоны Российской Федерации. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018;22(1):35-45. DOI: 10.18699/VJ18.329

13. Ghebreslassie B.M., Githiri S.M., Mehari T., Kasili R.W., Ghislain M., Magembe E. Genetic diversity assessment of farmers’ and improved potato (Solanum tuberosum) cultivars from Eritrea using simple sequence repeat (SSR) markers. African Journal of Biotechnology. 2016;15(35):1883-1891. DOI: 10.5897/ AJB2016.15237

14. Ghislain M., Andrade D., Rodríguez F., Hijmans R., Spooner D.M. Genetic analysis of the cultivated potato Solanum tuberosum L. Phureja Group using RAPDs and nuclear SSRs. Theoretical and Applied Genetics. 2006;113:1515-1527. DOI: 10.1007/s00122-0060399-7

15. Ghislain M., Nunez J., Herera M. del R., Pignataro J., Guzman F., Bonierbale M., Spooner D.M. Robust and highly informative microsatellite-based genetic identity kit for potato. Molecular Breeding. 2009;23:377-388. DOI: 10.1007/s11032-008-9240-0

16. Ghislain M., Spooner D.M., Rodriguez F., Villamon F., Nunez J., Vasquez C., Waugh R., Bonierbale M. Selection of highly informative and user-friendly microsatellites (SSRs) for genotyping of cultivated potato. Theoretical and Applied Genetics. 2004;108(5):881-890. DOI: 10.1007/s00122-003-1494-7

17. Кондратюк А.В., Кильчевский А.В., Кузьминова Е.И. Анализ полиморфизма микросателлитных локусов сортов картофеля белорусской и иностранной селекции. Молекулярная и прикладная генетика: сборник научных трудов. 2012;13:25-29.

18. Kawchuk L.M., Lynch D.R., Thomas J., Penner B., Sillito D., Kulcsar F. Characterization of Solanum tuberosum simple sequence repeats and application to potato cultivar identification. American Potato Journal. 1996;73:325-335. DOI: 10.1007/BF02849164

19. Клименко Н.С., Гавриленко Т.А., Чухина И.Г., Гаджиев Н.М., Евдокимова З.З., Лебедева В.А. Номенклатурные стандарты и генетические паспорта сортов картофеля селекции Ленинградского НИИСХ «Белогорка». Биотехнология и селекция растений. 2020;3(3):18-54. DOI: 10.30901/26586266-2020-3-o3

20. Колобова О.С., Малюченко О.П., Шалаева Т.В., Шанина Е.П., Шилов И.А., Алексеев Я.И., Велишаева Н.С. Генетическая паспортизация картофеля на основе мультиплексного анализа 10 микросателлитных маркеров. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017;21(1):124-127. DOI: 10.18699/VJ17.230

21. Li-Cor: [website]. URL: https://www.licor.com [дата обращения: 13.11.2020]

22. Milbourne D., Meyer R.C., Collins A.J., Ramsay L.D., Gebhardt C., Waugh R. Isolation, characterisation and mapping of simple sequence repeat loci in potato. Molecular and General Genetics. 1998;259:233-245. DOI: 10.1007/s004380050809

23. Nei M. Analysis of gene diversity in subdivided populations. Proceedings of the National Academy of Sciences of USA. 1973;70(12):3321-3323. DOI: 10.1073/pnas.70.12.3321

24. Сорта картофеля, включенные в эколого-географическое испытание 2017-2018 годов. Новосибирск: Издательство СО РАН; 2018.

25. Provan J., Powell W., Waugh R. Microsatellite analysis of relationships within cultivated potato (Solanum tuberosum). Theoretical and Applied Genetics. 1996;92:1078-1084. DOI: 10.1007/BF00224052

26. Prysiazhniuk L.M., Klyachenko O.L., Dikhtiar I.O., Symonenko N.V. Analysis of diversity and genetic interactions of potato varieties (Solanum tuberosum L.) based on morphological characteristics and SSR markers. Plant Varieties Studying and protection. 2018;14(3):277-284. DOI: 10.21498/2518-1017.14.3.2018.145292

27. Reid A., Hof L., Felix G., Ruecker B., Tams S., Milczynska E., Esselink D., Uenk G., Vosman B., Weitz A. Construction of an integrated microsatellite and key morphological characteristic database of potato varieties on the EU Common Catalogue. Euphytica. 2011;182:239-249. DOI: 10.1007/s10681-011-0462-6

28. Рыжова Н.Н., Мартиросян Е.В., Кочиева Е.З. Анализ полиморфизма микросателлитных локусов сортов картофеля Solanum tuberosum отечественной селекции. Генетика. 2010;46(4):481-487.

29. Шанина Е.П., Клюкина Е.М. Картофель на Урале. Екатеринбург; 2018.

30. Швачко Н.А. Генетическое разнообразие селекционных сортов картофеля коллекции ВИР, выявленное SSR анализом: дис. … канд. биол. наук. Санкт-Петербург: ВИР; 2012.

31. Spooner D.M., Nuñez J., Rodríguez F., Naik P.S., Ghislain M. Nuclear and chloroplast DNA reassessment of the origin of Indian potato varieties and its implications for the origin of the early European potato. Theoretical and Applied Genetics. 2005;110:1020-1026. DOI: 10.1007/s00122-004-1917-0

32. Spooner D.M., Nunez J., Trujillo G., Herera M. del R., Guzman F., Ghislain M. Extensive simple sequence repeat genotyping of potato landraces supports a major reevaluation of their gene pool structure and classification. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2007;104(49):19398-19403. DOI: 10.1073_ pnas.0709796104

33. Tang J., Baldwin S.J., Jacobs J.M., Linden C.G., Voorrips R.E., Leunissen J.A.M., Eck H., Vosman B. Large-scale identification of polymorphic microsatellites using an in silico approach. BMC Bioinformatics. 2008;9:374. DOI: 10.1186/1471-2105-9-374

34. Tiwari J.K., Ali N., Devi S., Kumar V., Zinta R., Chakrabarti S.K. Development of microsatellite markers set for identification of Indian potato varieties. Scientia Horticulturae. 2018;231:22-30. DOI: 10.1016/j.scienta.2017.11.027

35. Veilleux R.E., Shen L.Y., Paz M.M. Analysis of the genetic composition of anther-derived potato by randomly amplified polymorphic DNA and simple sequence repeats. Genome. 1995;38 (6):11531162.

36. Есимсеитова А.К., Шустов А.В., Ахметоллаев И.А., Красавин В.Ф., Какимжанова А.А. Молекулярно-генетическая паспортизация сортов и форм картофеля с использованием SSRмаркеров. Биотехнология. Теория и практика. 2015;2:51-54. DOI: 10.11134/btp.2.2015.6