Диагностическая ценность молекулярных маркеров гена Rf1 подсолнечника

Актуальность. Современное производство семян подсолнечника основано на возделывании высокопродуктивных гетерозисных гибридов F₁ от скрещиваний линий с цитоплазматической мужской стерильностью (ЦМС) РЕТ1-типа и линий-восстановителей фертильности пыльцы. Донором функционального аллеля ядерного гена Rf1, ответственного за восстановление фертильности пыльцы растений F₁, служит отцовская линия. Выявление носителей рецессивных и доминантных аллелей локуса Rf1 с помощью диагностических молекулярных маркеров позволяет ускорить процесс селекции материнских и отцовских родительских линий для создания гибридов.

Материалы и методы. Материалом для исследования служили 75 линий генетической коллекции подсолнечника ВИР различного происхождения, а также гибриды от скрещиваний стерильной линии ВИР 116А с фертильными линиями, различавшимися по типу цитоплазмы (фертильный или стерильный) и наличию молекулярных маркеров, большинство которых сцеплены с локусом Rf1. Для валидации маркеров использовали два подхода: 1) анализ ассоциаций между способностью линии к восстановлению фертильности пыльцы, либо к закреплению стерильности, и присутствием в генотипе молекулярных маркеров, а также 2) оценку частоты рекомбинации между локусом Rf1 и маркерными локусами в четырех расщепляющихся гибридных популяциях F₂.

Результаты. Ни один из маркеров не показал 100% эффективности при анализе изученной выборки генотипов. Чаще всего, среди линий, предположительно несущих доминантный аллель Rf1, отмечался маркер ORS511. Показатели фертильности пыльцы гибридов F₁ от межлинейных скрещиваний составили 89–99%. Расщепление растений F₂ по признаку фертильность/стерильность пыльцы было близко к теоретически ожидаемому 3:1 при моногенном контроле признака. Маркеры HRG01, HRG02, ORS511 наследовались сцепленно с признаком восстановления фертильности, при этом частота рекомбинации между локусом Rf1 и маркерами различалась в разных комбинациях скрещиваний. По данным анализа гибридов ВИР 116А × ВИР 740 и ВИР 116А × RIL 130, среди изученных маркерных локусов ближе всех к локусу Rf1 расположен маркер ORS511 (2,2 и 3,3%, соответственно). В скрещивании ВИР 116А × ВИР 210 частота рекомбинации между локусами Rf1 и ORS511 составила 7,5%, а в комбинации ВИР116 × ВИР195 –8,9%.

Заключение. Для идентификации аллелей гена Rf1 в коллекции генетических ресурсов подсолнечника и для маркер-опосредованного отбора в расщепляющихся гибридных популяциях, полученных с участием линий генетической коллекции ВИР, наиболее эффективны маркеры ORS511, HRG01 и HRG02.

1. Afjani J.A., Najafabadi M.S., Mirfakhraei R.G. Gene-based marker to differentiate among B, A, and R lines in hybrid production of rapeseed Ogura system. Iranian Journal of Biotechnology. 2019;17(3):50-54. DOI: 10.29252/ijb.1870

2. Анисимова И.Н., Алпатьева Н.В., Абдуллаев Р.А., Карабицина Ю.И., Кузнецова Е.Б. Скрининг генетических ресурсов растений с использованием ДНК-маркеров: основные принципы, выделение ДНК, постановка ПЦР, электрофорез в агарозном геле: (методические указания) / под ред. Е.Е. Радченко. Санкт-Петербург: ВИР; 2018. DOI: 10.30901/978-5-905954-81-8

3. Anisimova I.N., Gavrilova V.A., Rozhkova, Port A.I., Timofeeva G.I., Duka M.V. Genetic diversity of sources of sunflower pollen fertility restorer genes. Russian Agricultural Sciences. 2011;37:192-196. DOI: 10.3103/S1068367411030025

4. Анисимова И.Н., Гаврилова В.А., Алпатьева Н.В., Кузнецова Е.Б., Карабицина Ю.И., Рожкова В.Т. Коллекция подсолнечника в исследованиях генетических механизмов восстановления фертильности пыльцы. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2014;175(4):72-82.

5. Anisimova I.N., Gavrilova V.A., Rozhkova V.T., Timofeeva G.I., Tikhonova M.A. Molecular markers in identification of sunflower pollen fertility restorer genes. Russian Agricultural Sciences. 2009;35:367-370. DOI: 10.3103/S1068367409060020

6. Bulos M., Ramos M.L., Altieri E., Sala C.A. Molecular mapping of a sunflower rust resistance gene from HAR6. Breeding Science. 2013;63(1):141-146. DOI: 10.1270/jsbbs.63.141

7. Челюстникова Т.А., Гучетль С.З., Антонова Т.С. Применение молекулярных маркеров для идентификации ЦМС-Rf системы в родительских линиях гибридов подсолнечника. Масличные культуры. 2017;4(172):3-9.

8. Carvalho C.G.P., Toledo J.F.F. Extracting female inbred lines from commercial sunflower hybrids. Pesquisa Agropecuária Brasileira. 2008;43(9):1159-162. DOI: 10.1590/S0100-204X2008000900009

9. Feng J., Zhang X., Zhang M., Guo L., Qi T., Tang H., Zhu H., Wang H., Qiao X., Xing C., Wu J. Physical mapping and InDel marker development for the restorer gene Rf2 in cytoplasmic male sterile CMS-D8 cotton. BMC Genomics. 2021;22(1):24. DOI: 10.1186/s12864-020-07342-y

10. Гаврилова В.А., Рожкова В.Т. Доноры восстановления фертильности пыльцы линий ЦМС подсолнечника для гетерозисной селекции. В кн.: Идентифицированный генофонд растений и селекция. 2005;377-379.

11. Gavrilova V.A., Rozhkova V.T., Anisimova I.N. Sunflower genetic collection at the Vavilov Institute of Plant Industry. Helia. 2014;37(60):1-16. DOI: 10.1515/helia-2014-0001

12. Goryunov D.V., Anisimova I.N., Gavrilova V.A., Chernova A.I., Sotnikova E.A., Martynova E.U., Boldyrev S.V., Ayupova A.F., Gubaev R.F., Mazin P.V., Gurchenko E.A., Shumskiy A.A., Petrova D.A., Garkusha S.V., Mukhina Z.M., Benko N.I., Demurin Y.N., Khaitovich P.E., Goryunova S.V. Association mapping of fertility restorer gene for CMS PET1 in sunflower. Agronomy. 2019;9(2):49. DOI: 10.3390/agronomy9020049

13. Horn R., Kusterer B., Lazarescu E., Prüfe M., Friedt W. Molecular mapping of the Rf1 gene restoring fertility in PET1-based F1 hybrids in sunflower (Helianthus annuus L.). Theoretical and Applied Geneics. 2003;106(4):599-606. DOI: 10.1007/s00122-002-1078-y

14. Horn R., Radanovic A., Fuhrmann L., Sprycha Y., Hamrit S., Jockovic M., Miladinovic D., Jansen C. Development and validation of markers for the fertility restorer gene Rf1 in sunflower. International Journal of Molecular Sciences. 2019;20(6):1260. DOI: 10.3390/ijms20061260

15. Hu X., Sullivan-Gilbert M., Kubik T., Danielson J., Hnatiuk N., Marchione W., Greene T., Thompson S.A. Mapping of the Ogura fertility restorer gene Rfo and development of Rfo allele-specific markers in canola (Brassica napus L.). Molecular Breeding. 2008;22:663-674. DOI: 10.1007/s11032-008-9207-1

16. Leclerq P. Une sterilite cytoplasmique chez le tournesol. Ann. Amelior. Plant. 1969;19(2):99-106. [In French].

17. Леонова И.Н. Молекулярные маркеры: использование в селекции зерновых культур для идентификации, интрогрессии и пирамидирования генов. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2013;17(2):314-325). DOI: 10.1134/S2079059713060051

18. Li J.T., Yang J., Chen D.C., Zhang X.I., Tang Z.S. An optimized mini-preparation method to obtain high-quality genomic DNA from mature leaves of sunflower. Genetics and Molecular Research. 2007;6(4):1064-1071.

19. Маркин Н.В. Усатенко Т.В., Усатов А.В., Тихобаева В.Е., Горбаченко О.Ф., Кулишова Г.А., Азарин К.В. Определение информативных ДНК-маркеров гена Rf1 – восстановителя фертильности пыльцы ЦМС PET1 подсолнечника. Современные проблемы науки и образования. 2013;4:110-122.

20. Markin N., Usatov A., Makarenko M., Azarin K., Gorbachenko O., Kolokolova N., Usatenko T., Markina O., Gavrilova V. Study of informative DNA markers of the Rf1 gene in sunflower for breeding practice. Czech Journal of Genetics and Plant Breeding. 2017;53(2):69-75. DOI: 10.17221/108/2016-CJGPB

21. Навашин, С.Г. Избранные труды. Т. 1 / под ред. В.Н. Сукачева, П.А. Баранова, М.С. Навашина. Москва; Ленинград: Изд-во АН СССР; 1951.

22. Owens G.L., Baute G.J., Hubner S., Rieseberg L.H. Genomic sequence and copy number evolution during hybrid crop development in sunflowers. Evolutionary Applications. 2018;12(1):54-65. DOI: 10.1111/eva.12603

23. Рокицкий П.Ф. Введение в статистическую генетику. Минск: Вышэйшая школа; 1974.

24. Şahin E., Kalenderoğlu A., Aydın Y., Evci G., Uncuoğlu A. SSR markers suitable for marker assisted selection in sunflower for downy mildew resistance. Open Life Sciences. 2018;13(1):319-326. DOI: 10.1515/biol-2018-0039

25. Schnabel U., Engelmann U., Horn R. Development of markers for the use of the PEF1 cytoplasm in sunflower hybrid breeding. Plant Breeding. 2008;127(6):587-591. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2008.01516.x

26. Sun X., Liu Y., Wang L., Zhu X., Gong Y., Xu L., Liu L. Molecular characterization of the Rs-Rf1 gene and molecular marker-assisted development of elite radish (Raphanus sativus L.) CMS lines with a functional marker for fertility restoration. Molecular Breeding. 2012;30(4):1727-1736. DOI: 10.1007/s11032-012-9756-1

27. Tang S., Yu J.K., Slabaugh M.B., Shintani K., Knapp J. Simple sequence repeat map of the sunflower genome. Theoretical and Applied Genetics. 2002;105:1124-1136. DOI: 10.1007/s00122-002-0989-y

28. Воронова О.Н., Гаврилова В.А. Количественный и качественный анализ пыльцы подсолнечника (Helianthus L.) и его использование в селекционной работе. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2019;180(1):95-104. DOI: 10.30901/2227-8834-2019-1-95-104

29. Yue B., Vick B.A., Cai X., Hu J. Genetic mapping for the Rf1 (fertility restoration) gene in sunflower (Helianthus annuus L.) by SSR and TRAP markers. Plant Breeding. 2010;129(1):24-28. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2009.01661.x