Использование андрогенеза in vitro для вовлечения в селекцию межвидовых гибридов Solanum tuberosum L. с диким аллотетраплоидным видом картофеля S. stoloniferum Schltdl. et Bouché

Дикий аллотетраплоидный вид картофеля из Мексики Solanum stoloniferum Schltdl. & Bouché рассматривают как ценный источник генов устойчивости к болезням и вредителям для использования в селекции. Однако интрогрессия генов устойчивости этого вида в селекционный материал затруднена из-за жестких межвидовых репродуктивных барьеров. Один из них − геномные различия между S. stoloniferum (геномный состав ААВВ) и S. tuberosum L. (AAAA). Это ставит под сомнение возможность переноса в геном культурного картофеля многообразия ценных генов дикого вида, локализованных на хромосомах его генома В. Предлагается получать тетраплоидные (4х, АААВ) межвидовые гибриды c S. stoloniferum, у которых предпосылки для гомеологичной рекомбинации выше, чем у обычно используемых в схемах интрогрессии пентаплоидных гибридов (ААААВ). Однако тетраплоидные гибриды имеют эффективную плоидность 3 EBN, что затрудняет их беккроссирование на культурный картофель (4х, 4 EBN). Так, попытки вовлечь в гибридизацию с сортами картофеля полученный нами тетраплоидный гибрид S. stoloniferum IGC16/36.1 в течение ряда лет были безуспешными. Для решения проблемы нами предложено использовать методический прием, основанный на получении тетраплоидных растений-регенерантов в культуре пыльников этого гибрида. Целью настоящего исследования было оценить эффективность применения этого приема.

В 2018 году было получено тридцать одно растение-регенерант (андрогенные клоны, андроклоны) в культуре пыльников гибрида IGC 16/36.1. Большинство андроклонов превосходили исходный гибрид по мощности габитуса и интенсивности цветения. В результате скрещиваний 2019 года получено 1039 гибридных семян (8,7 семян/ опыление) между 21 андроклоном и сортом ‘Lemhi Russet’, 1017 семян (7,5 семян/ опыление) между 23 андроклонами и сортом ‘Quarta’, 716 семян (12,3 семян/ опыление) между 11 андроклонами и диплоидной линией IGC 17n8, способной образовывать фертильную нередуцированную (2n) пыльцу. Семена обладали высокой всхожестью – 70-90%. Среди андроклонов, давших потомство в скрещиваниях с сортами, выявлены генотипы, несущие маркеры генов устойчивости к фитофторозу (Rpi-sto1, R2 и R3b), PVY (Ry_adg, Ry_sto и Ry_chc) и раку картофеля Sen2, отмеченные у исходного образца S. stoloniferum PI 205522 и у гибрида IGC 16/36.1. Несмотря на сложный характер наследования анализируемых маркеров в поколениях, которые были получены от беккросса андроклонов, выделен ряд гибридов, несущих несколько маркеров, в том числе гена Rpi-sto1 высокой устойчивости к фитофторозу широкого спектра действия. Отобраны гибриды с относительно высокой клубневой продуктивностью и признаками культурного картофеля (клубнями правильной формы с мелкими глазками), обладающие высокой полевой устойчивостью к фитофторозу.

Обсуждаются перспективы использования андроклонов тетраплоидного межвидового гибрида IGC 16/36.1 для повышения частоты гомеологичной А/В рекомбинации хромосом.

1. Adiwilaga K.D., Brown C.R. Use of 2n pollen-producing triploid hybrids to introduce tetraploid Mexican wild species germplasm to cultivated tetraploid potato gene pool. Theoretical and Applied Genetics. 1991;81(5):645-652. DOI: 10.1007/BF00226732

2. Антонова О.Ю., Ермишин А.П., Левый А.В., Агеева А.С., Воронкова Е.В. Гавриленко Т.А. Разработка хромосомо-специфичных ДНК-маркеров для изучения интрогрессивной гибридизации картофеля с диким мексиканским аллотетраплоидным видом Solanum stoloniferum Schltdl. Биотехнология и селекция растений. 2019;2(4):24-35. DOI: 10.30901/2658-6266-2019-4-o3

3. Bamberg J.B. Allelism of endosperm balance number (EBN) in Solanum acaule Bitt. and other wild potato species. Theoretical and Applied Genetics. 1994;89(6):682-686. DOI: 10.1007/BF00223705

4. Bamberg J.B., Hanneman R.E. Jr, Palta J.P., Harbage J.F. Using disomic 4x (2EBN) potato species germplasm via bridge species Solanum commersonii. Genome. 1994:37(5):866-870. DOI: 10.1139/g94-122

5. Brown C.R. Characteristics of 2n pollen producing triploid hybrids between Solanum stoloniferum and cultivated diploid potatoes. American Potato Journal. 1988;65(2):75-84. DOI: 10.1007/BF02867455

6. Camadro E.L., Espinillo J.C. Germplasm transfer from the wild tetraploid species Solanum acaule Bitt. to the cultivated potato, S. tuberosum L. using 2n eggs. American Journal of Potato Research. 1991;67(11):737-749. DOI: 10.1007/BF03044524

7. Drobyazina P.E., Khavkin E.E. FLORICAULA/LEAFY intron 2-based markers of wild Solanum species and genomes for introgression breeding. In: H.T.A.M. Schepers (ed.). PPO-Special Report no. 15. Wageningen: DLO Foundation; 2012. p.187-192.

8. Fry W.E. Quantification of general resistance of potato cultivars and fungicide effects for integrated control of potato late blight. Phytopathology. 1978;68:1650-1655. DOI: 10.1094/Phyto-68-1650

9. Gavrilenko T.A., Pendinen G.I., Rokka V.-M. Antonova O.Y. Thieme R. Homeologous chromosome pairing in distant allohaploid hybrids of the genus Solanum. Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2015;5(3):182-190. DOI: 10.1134/S2079059715030065

10. Gavrilenko T.A., Pendinen G.I., Yermishin A.P. GISH analysis of the introgression of the B subgenome genetic material of wild allotetraploid species Solanum stoloniferum into backcrossing progenies with potato. Agronomy. 2022;12(4):787. DOI: 10.3390/agronomy12040787

11. Iwanaga M., Freyre R., Watanabe K. Breaking of the crossability barriers between disomic tetraploid Solanum acaule and tetrasomic tetraploid S. tuberosum. Euphytica. 1991;52(3):183-191. DOI: 10.1007/00029395

12. 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

13. 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):1-8. DOI: 10.1139/g99-092

14. Kim H.-J., Lee H.R., Jo K.-R., Mortazavian S.M.M., Huigen D.J., Evenhuis B., Kessel G., Visser R.G.F., Jacobsen E., Vossen J.H.. Broad spectrum late blight resistance in potato differential set plants MaR8 and MaR9 is conferred by multiple stacked R genes. Theoretical and Applied Genetics. 2012;124(5):923-935. DOI: 10.1007/s00122-011-1757-7

15. Lamm R. Investigation of some tuber-bearing Solanum hybrids. Hereditas. 1953;39(1-2):97-112. DOI: 10.1111/j.1601-5223.1953.tb03404.x

16. Mori K., Mukojima N., Nakao T., Tamiya S., Sakamoto Y., Sohbaru N., Hayashi K., Watanuki H., Nara K., Yamazaki K., Ishii T., Hosaka K. Germplasm release: Saikai 35, a male and female fertile breeding line carrying Solanum phureja-derived cytoplasm and potato cyst nematode resistance (H1) and Potato Virus Y resistance (Rychc) genes. American Journal of Potato Research. 2012;89(10):63-72. DOI: 10.1007/s12230-011-9221-4

17. Murashige T., Skoog F. A revised medium for rapid growth and bioassays with tobacco tissue cultures. Physiologia Plantarum. 1962;15(13):473-479. DOI: 10.1111/j.1399-3054.1962.tb08052.x

18. Nitsch J.P., Nitsch C. Haploid plants from pollen grains. Science. 1969;163(3862):85-87. DOI: 10.1126/science.163.3862.85

19. Panahandeh J., Valizadeh M., Khosroshahly M., Yermishin A.P. Khoei F.R., Mahna N. Microsporogenesis and crossing behavior of a tetraploid, interspecific inter-EBN hybrid potato. Scientia Horticulturae. 2008;116(4):348-353. DOI: 10.1016/j.scienta.2008.02.006

20. Plich J., Przetakiewicz J., Śliwka J., Flis B., Wasilewicz-Flis I., Zimnoch-Guzowska E. Novel gene Sen2 conferring broad-spectrum resistance to Synchytrium endobioticum mapped to potato chromosome XI. Theoretical and Applied Genetics. 2018;131(3):2321-2331. DOI: 10.1007/s00122-018-3154-y

21. Rietman H., Bijsterbosch G., Cano L.M., Lee H.-R., Vossen J.H., Jacobsen E., Visser R.G.F., Kamoun S., Vleeshouwers V.G.A.A. Qualitative and quantitative late blight resistance in the potato cultivar Sarpo Mira is determined by the perception of five distinct RXLR effectors. Molecular Plant-Microbe Interactions. 2012;25(7):910-919. DOI: 10.1094/MPMI-01-12-0010-R

22. Shaner G., Finney R.E. The effect of nitrogen fertilization on the expression of slow-mildewing resistance in Knox wheat. Phytopathology. 1977;67(8):1051-1056. DOI: 10.1094/Phyto-67-1051

23. Song Ye-S., Schwarzfischer A. Development of STS markers for selection of extreme resistance (Ry sto) to PVY and maternal pedigree analysis of extremely resistant cultivars. American Journal of Potato Research. 2008;85(2):159-170. DOI: 10.1007/s12230-008-9044-0

24. Spooner D.M., Rodríguez F., Polgár Z., Ballard H.E. Jr., Jansky S.H. Genomic origins of potato polyploids: GBSSI gene sequencing data. The Plant Genome [A Supplement to Crop Science]. 2008;48(1):S-27-S-36. DOI: 10.2135/cropsci 2007.09.0504tpg

25. Swaminathan M.S. Notes on induced polyploids in the tuber-bearing Solanum species and their crossability with Solanum tuberosum. American Journal of Potato Research. 1951;28(1):472-489. DOI: 10.1007/BF02854980

26. 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(7):933-943. DOI: 10.1007/s00122-008-0725-3

27. Wangenheim K.H. von. Zur Ursache der Kreuzungsschwierigkeiten zwischen Solanum tuberosum L. und S. acaule Bitt. bzw. S. stoloniferum Schlechtd. et Bouche. Zeitschrift für Pflanzenzüchtung.1954;34:7-48 [in German].

28. Watanabe K., Arbizu C., Schmiediche P. Potato germplasm enhancement with disomic tetraploid Solanum acaule. I. Efficiency of introgression. Genome. 1992;35(1):53-57. DOI: 10.1139/g92-009

29. Ермишин А.П. Генетические основы селекции картофеля на гетерозис. Минск: Технология, 1998.

30. Yermishin A.P., Makhan’ko O.V., Voronkova E.V. Production of potato breeding material using somatic hybrids between Solanum tuberosum L. dihaploids and wild diploid species Solanum bulbocastanum Dunal. from Mexico. Russian Journal of Genetics. 2008;44(5):559-566. DOI: 10.1134/S1022795408050086

31. Yermishin A.P., Svitoch O.V., Voronkova E.V., Gukasian O.N., Luksha V.I. Determination of the composition and the allelic state of disease and pest resistance genes in potato parental lines using DNA markers. Russian Journal of Genetics. 2016;52(5):498-506. DOI: 10.1134/S1022795416050057

32. Yermishin A.P., Levy A.V., Voronkova E.V., Polyukhovich Yu.V., Ageeva A.S. Overcoming unilateral incompatibility in crosses with wild allotetraploid potato species Solanum stoloniferum Schldtl. & Bouchet. Euphytica. 2017;213(11):249. DOI: 10.1007/s10681-017-2041-y

33. Ермишин А.П., Воронкова Е.В., Левый А.В. Вовлечение в селекцию ценного генофонда диких тетраплоидных (2 EBN) видов картофеля. В кн.: Межвидовая гибридизация в селекции картофеля / под ред. А.П. Ермишина. Минск: Беларуская навука, 2021. С.255-302.

34. Yermishin A.P., Levy A.V., Ageeva A.S., Voronkova E.V., Luksha V.I., Gukasian O.N., Zharich V.M. Specifics of transfer of DNA markers of wild allotetraploid potato species Solanum stoloniferum to backcross progenies depending on their subgenomic location and used schemes of introgression. Russian Journal of Genetics. 2023;59(7):642-653. DOI: 10.1134/S1022795423 0070050