Маркеры генов устойчивости к фитофторозу, Y вирусу картофеля и золотистой картофельной нематоде у перспективных клонов межвидовых гибридов картофеля

Актуальность. Вредные организмы, поражающие растения картофеля, наносят большой экономический ущерб во всех зонах, где выращивают эту культуру. Одним из наиболее экономически значимых патогенов является возбудитель фитофтороза картофеля (Phytophthora infestans Mont. (de Bary)). Также существенные потери урожая вызывают Y вирус картофеля (PVY) и золотистая картофельная нематода (ЗКН) единственного распространенного в РФ патотипа Ro1. Материалы и методы. В фитопатологических опытах и молекулярно-генетических исследованиях изучали клоны оригинальных межвидовых гибридов, полученных в 11-ти комбинациях скрещиваний, 7 из которых изучены впервые. Гибриды получены с участием образцов диких мексиканских и южноамериканских видов – источников устойчивости к фитофторозу и PVY. Оценку полевой устойчивости к фитофторозу проводили в условиях повышенного инфекционного фона в течение трех лет, часть материала проходила оценку в лабораторных опытах. В ПЦР тестах использовали 9 ДНК маркеров генов устойчивости к Ph. infestans, PVY и ЗКН (патотип Ro1), которые применяли в наших предыдущих исследованиях. Результаты. В полевом изучении гибридные клоны в большинстве проявляли высокую, часть из них – умеренную устойчивость к фитофторозу. У большинства клонов из комбинаций скрещиваний, изученных впервые, выявлено не менее двух, у части из них до четырех маркеров генов устойчивости к Ph. infestans. У ряда гибридных генотипов также выявлены маркеры генов устойчивости к PVY и ЗКН. Отобраны клоны с маркерами нескольких генов устойчивости к PVY.  Заключение. В небольшой, но разнообразной по происхождению выборке межвидовых гибридов детектированы маркеры генов устойчивости ко всем трем вредным организмам. У части клонов, полученных с участием выделенных нами источников устойчивости к Ph. infestans и PVY, идентифицированы маркеры двух и более генов устойчивости к этим патогенам. Оригинальные межвидовые гибриды с определенными в данном изучении уровнями устойчивости к фитофторозу, типом цитоплазмы и маркерами генов устойчивости могут быть использованы в дальнейших возвратных скрещиваниях с сортами картофеля.

1. Adams M.J., Antoniw J.F., Bar-Joseph M., Brunt A.A., Candresse T., Foster G.D., Martelli G.P., Milne R.G., Fauquet C.M. The new plant virus family Flexiviridae and assessment of molecular criteria for species demarcation. Archives of viroljgy. 2004;149(5):1045-1060. DOI: 10.1007/s00705-003-0304-0

2. Antonova O.Y., Klimenko N.S., Evdokimova Z.Z., Kostina L.I., Gavrilenko T.A. Finding RB/Rpi-blb1/Rpi-sto1-like sequences in conventionally bred potato varieties. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(6):693-702. DOI: 10.18699/VJ18.412

3. Black W., Mastenbroek C., Mills W.R., Peterson L.C. A proposal for an international nomenclature of races of Phytophthora infestans and of genes controlling immunity in Solanum demissum derivatives. Euphytica. 1953;2:173-179. DOI: 10.1007/BF00053724

4. Brown C., Corsini D. Genetics and breeding of virus resistance: traditional methods. In: G. Loebenstein, P. Berger, A.A. Brunt, R.H. Lawson (eds). Virus and virus-like diseases of potatoes and production of seed potatoes. Springer, Dordrecht; 2001. p.323-340. DOI: 10.1007/978-94-007-0842-6_26

5. Brown-Donovan K.M. Pyramiding approaches for potato disease resistance breeding [dissertation]. University of Maine; 2020. Available from: https://digitalcommons.library.umaine.edu/etd/3286 [accessed Nov. 13, 2021].

6. Brylińska M., Śliwka J. Laboratory assessment of potato resistance to Phytophthora infestans. Plant Breeding and Seed Science. 2017;76:17-23. DOI: 10.1515/plass-2017-00016

7. Букасов С.М., Камераз А.Я., Лехнович В.С., Корнейчук В.А., Костина Л.И. Широкий унифицированный классификатор СЭВ и международный классификатор СЭВ видов картофеля секции Tuberarium (Dun.) Buk. рода Solanum L. Ленинград: Всесоюзный НИИ растениеводства им. Н.И. Вавилова (ВИР); 1977.

8. Chen S.H., Borza T., Byun B., Coffin R., Coffin J., Peters R., Wang-Pruski G. DNA markers for selection of late blight resistant potato breeding lines. American Journal of Plant Science. 2017;8:1197-1209. DOI: 10.4236/ajps.2017.86079

9. Flis B., Hennig J., Strzelczyk-Żyta D., Gebhardt C., Marczewski W. The Ry-fsto gene from Solanum stoloniferum for extreme resistant to Potato virus Y maps to potato chromosome XII and is diagnosed by PCR marker GP122718 in PVY resistant potato cultivars. Molecular Breeding. 2005;15:95-101. DOI: 10.1007/s11032-004-2736-3

10. Fry W. Phytophthora infestans: the plant (and R gene) destroyer. Molecular Plant Pathology. 2008;9(3):385-402. DOI: 10.1111/j.1364-3703.2007.00465.x

11. Гаджиев Н.М., Лебедева В.А., Рыбаков Д.А., Иванов А.В., Желтова В.В., Фомина Н.А., Антонова О.Ю., Гавриленко Т.А. Использование в практической селекции картофеля результатов ДНК-маркирования исходных родительских форм и межсортовых гибридов. Сельскохозяйственная биология. 2020;55(5):981-994. DOI: 10.15389/agrobiology.2020.5.981rus

12. 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 Resourсes and Crop Evolution. 2013;60(7):1997-2015. DOI: 10.1007/s10722-013-9968-1

13. 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

14. Gavrilenko Т.А., Klimenko N.S., Alpatieva N.V., Kostina L.I., Lebedeva V.A., Evdokimova Z.Z., Apalikova O.V., Novikova L.Y., Antonova O.Yu. Cytoplasmic genetic diversity of potato varieties bred in Russia and FSU countries. Vavilovskii Zhurnal Genetiki i Selektsii = Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2019;23(6):753-764. DOI: 10.18699/VJ19.534

15. Gebhardt C. Potato genetics: molecular maps and more. In: H. Lörz, G. Wenzel (eds). Molecular marker systems in plant breeding and crop improvement. New York: Springer; 2005. p.215-227. DOI: 10.1007/3-540-26538-4_12

16. Goverse A., Struik P.C. Debate on the exploitation of natural plant diversity to create late blight resistance in potato. Potato Research. 2009;52:265-271. DOI: 10.1007/s11540-009-9135-4

17. Holgado R., Magnusson C. Management of PCN (Globodera spp.) populations under Norwegian conditions. Aspects of Applied Biology. Applied Biology. 2010;103:83-92.

18. Hosaka K., Sanetomo R. Development of a rapid identification method for potato cytoplasm and its use for evaluating Japanese collections. Theoretical and Applied Genetics. 2012;125:1237-1251. DOI: 10.1007/s00122-012-1909-4

19. Huang S., van der Vossen E.A., Kuang H., Vleeshouwers V.G., Zhang N., Borm T.J., van Eck H.J., Baker B., Jacobsen E., Visser R.G. Comparative genomics enabled the isolation of the R3a late blight resistance gene in potato. Plant Journal. 2005;42(2):251-261. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2005.02365.x

20. Jansky S.H., Rouse D.I. Multiple disease resistance in interspecific hybrids of potato. Plant Disease. 2003;87(3):266-272. DOI: 10.1094/PDIS.2003.87.3.266

21. Janssen G.J.W., van Norel A., Verkerk-Bakker B., Janssen R., Hoogendoorn J. Introgression of resistance to root-knot nematodes from wild Central American Solanum species into S. tuberosum ssp. tuberosum. Theoretical and Applied Genetics.1997;95(3):490-496. DOI: 10.1007/s001220050588

22. Jo K.-R., Zhu S., Bai Y., Hutten R.C.B., Kessel G.J.T., Vleeshouwers V.G.A.A., Jacobsen E., Lotz B., Visser R. Problematic crops: 1. Potatoes: towards sustainable potato late blight resistance by cisgenic R gene pyramiding. In: D.B. Collinge (ed.). Plant pathogen resistance biotechnology. New Jersey: John Wiley & Sons Inc; 2016. p.171-191. DOI: 10.1002/9781118867716

23. Kasai K., Morikawa Y., Sorri V.A., Valkonen J.P., Gebhardt C., Watanabe K.N. Development of SCAR markers to the PVY resistance gene Ryadg based on a common feature of plant disease resistance genes. Genome. 2000;43:1-8. DOI: 10.1139/g99-092

24. Клименко Н.С., Антонова О.Ю., Костина Л.И., Мамадбокирова Ф.Т., Гавриленко Т.А. Маркер-опосредованная селекция отечественных сортов картофеля с маркерами генов устойчивости к золотистой картофельной нематоде (патотип Ro1). Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2017;178(4):66-75. DOI: 10.30901/2227-8834-2017-4-66-75

25. Lenman M., Ali A., Mühlenbock P., Carlson-Nilsson U., Liljeroth E., Champouret N., Vleeshouwers V.G.A.A., Andreasson E. Effector-driven marker development and cloning of resistance genes against Phytophthora infestans in potato breeding clone SW93-1015. Theoretical and Applied Genetics. 2016;129(1):105-115. DOI: 10.1007/s00122-015-2613-y

26. Lima F.S.O., Mattos V.S., Silva E.S., Carvalho M.A.S., Teixeira R.A., Silva J.C., Correa V.R. Nematodes affecting potato and sustainable practices for their management. In: M. Yildiz (ed.). Potato – from Incas to all over the World. London: Intechopen; 2018. DOI: 10.5772/intechopen.73056

27. Rakotonindraina T., Chauvin J.E., Pellé R., Faivre R., Chatot C., Savary S., Aubertot J.N. Modeling of yield losses caused by potato late blight on eight cultivars with different levels of resistance to Phytophthora infestans. Plant Disease. 2012;96(7):935-942. DOI: 10.1094/PDIS-09-11-0752

28. Ramakrishnan A.P., Ritland C.E., Sevillano R.H.B., Riseman A. Review of potato molecular markers to enhance trait selection. American Journal of Potato Research. 2015;92:455-472. DOI: 10.1007/s12230-015-9455-7

29. Sanetomo R., Gebhardt C. Cytoplasmic genome types of European potatoes and their effects on complex agronomic traits. BMC Plant Biology. 2015;15:162. DOI: 10.1186/s12870-015-0545-y

30. Schultz L., Cogan N.O.I., McLean K., Dale M.F.B., Bryan G.J., Forster J.W., Slater A.T. Evaluation and implementation of a potential diagnostic molecular marker for H1-conferred potato cyst nematode resistance in potato (Solanum tuberosum L.). Plant Breeding. 2012;131:315-321. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2012.01949.x

31. Śliwka J., Jakuczun H., Chmielarz M., Hara-Skrzypiec A., Tomczyńska I., Kilian A., Zimnoch-Guzowska E. Late blight resistance gene from Solanum ruiz-ceballosii is located on potato chromosome X and linked to violet flower colour. BMC Genetics. 2012;13:11. DOI: 10.1186/1471-2156-13-11

32. Sokolova E., Pankin A., Beketova M., Kuznetsova M, Spiglazova S., Rogozina E., Yashina I., Khavkin E. SCAR markers of the R-genes and germplasm of wild Solanum species for breeding late blight-resistant potato cultivars. Plant Genetic Resources: Characterization and Utilization. 2011;9(2):309-312. DOI: 10.1017/S1479262111000347

33. Song Y.S., Schwarzfischer A. Development of STS markers for selection of extreme resistance (Rysto) to PVY and maternal pedigree analysis of extremely resistant cultivars. American Journal of Potato Research. 2008;85:159-170. DOI: 10.1007/s12230-008-9012-8

34. Spooner D.M., Ghislain M., Simon R., Jansky S.H., Gavrilenko T. Systematics, diversity, genetics, and evolution of wild and cultivated potatoes. Botanical Review. 2014;80(4):283-383. DOI: 10.1007/s12229-014-9146-y

35. Valkonen J.P.T., Wiegmann K., Hämäläinen J.H., Marczewski W., Watanabe K.N. Evidence for utility of the same PCR-based markers for selection of extreme resistance to Potato Virus Y controlled by Rysto of Solanum stoloniferum derived from different sources. Annals of Applied Biology. 2008;152:121-130. DOI: 10.1111/j.1744-7348.2007.00194.x

36. Visker M.H.P.W. Association between late blight resistance and foliage maturity type in potato: Physiological and genetic studies [dissertation]. Wageningen University; 2005. Available from: https://edepot.wur.nl/121638 [accessed Nov. 13, 2021].

37. Воронкова Е. В., Русецкий Н. В., Лукша В. И., Гукасян О. Н., Жарич В. М., Ермишин А. П. Маркер-опосредованный отбор селекционных линий картофеля с комбинацией генов устойчивости к PVY от разных диких видов. Биотехнология и селекция растений. 2019;2(4):6-14. DOI: 10.30901/2658-6266-2019-4-o1

38. Wang M., Allefs S., van den Berg R.G., Vleeshouwers V.G.A.A., van der Vossen E.A.G., Vosman B. Allele mining in Solanum: conserved homologues of Rpi-blb1 are identified in Solanum stoloniferum. Theoretical and Applied Genetics. 2008;116:933-943. DOI: 10.1007/s00122-008-0725-3

39. Zoteyeva N., Chrzanowska М., Flis B., Zimnoch-Guzowska E. Resistance to pathogens of the potato accessions from the collection of N.I. Vavilov Institute of Plant Industry (VIR). American Journal of Potato Research. 2012;89:277-293. DOI: 10.1007/s12230-012-9252-5

40. Zoteyeva N., Mezaka I., Vilcane D., Carlson-Nilsson U., Skrabule I., Rostoks N. Assessment of genes R1 and R3 conferring resistance to late blight and of gene Rysto conferring resistance to Potato Virus Y in two wild species accessions and their hybrid progenies. Proceedings of the Latvian Academy of Sciences. Section B. 2014;68(3/4):133-141. DOI: 10.2478/prolas-2014-0015

41. Зотеева Н.М., Антонова О.Ю., Клименко Н.С., Апаликова О.В., Карлсон-Нильссон У., Карабицина Ю.И., Ухатова Ю.В., Гавриленко Т.А. Использование молекулярных маркеров R генов и типов цитоплазмы при интрогрессивной гибридизации диких полиплоидных мексиканских видов картофеля. Cельскохозяйственная биология. 2017;52:964-975. DOI: 10.15389/agrobiology.2017.5.964rus

42. Зотеева Н.М., Клименко Н.С., Хютти А.В. Пирамидирование генов устойчивости к патогенам в комбинации скрещивания мексиканского вида картофеля Solanum neoantipoviczii с сеянцем сорта ‘Аврора’. Вестник защиты растений. 2019;4(102):16-22. DOI: 10.31993/2308-6459-2019-4-102-16-22

43. Zoteyeva N., Sprûde G., Klimenko N., Mezaka I. Identification of interspecific potato hybrids with combined resistance to late blight (Phytophthora infestans) and nematode (Globodera rostochiensis). Proceedings of the Latvian Academy of Sciences. Section B. 2020;74(3):188-195. DOI: 10.2478/prolas-2020-0030

44. Zhu S., Li Y., Vossen J.H., Visser R.F., Jacobsen E. Functional stacking of three resistance genes against Phytophthora infestans in potato. Transgenic Research. 2012;21:89-99. DOI: 10.1007/s11248-011-9510-1