Молекулярные маркеры как инструмент в селекции картофеля на устойчивость к фитофторозу

Устойчивость сортов картофеля к фитофторозу (возбудитель – оомицет Phytophthora infestans (Mont.) de Bary) является одним из приоритетных направлений мировой и отечественной селекции картофеля. Для совершенствования технологии селекционного процесса особую актуальность представляет выявление ДНК-маркеров генов устойчивости, эффективных для отбора ценных сегрегантов в гибридном потомстве. Цель работы – определить диагностическую ценность маркеров генов Rpi-R1, Rpi-R8, Rpi-R3b, Rpi-blb1 и Rpi-blb2 для отбора ценных сегрегантов в потомстве клонов межвидовых гибридов из коллекции ВИР – источников признака устойчивости к фитофторозу. Материалы и методы. Клоны 171-3 (к-25615), 16/27-09 (к-25628), 8-1-2004 (к-25621) и аборигенный чилийский сорт ‘Magelanes’ (к-7586), 76 клонов гибридов F₁ (‘Magelanes’ × 171-3), 80 клонов гибридов F₁ (16/27-09 × 8-1-2004), сорта ‘Алуэт’ (к-25544), ‘Наяда’ (к-12157) и ‘Сударыня’ (к-12206) были проверены на наличие пяти генов Rpi и протестированы на устойчивость к фитофторе P. infestans в полевых опытах. В качестве маркеров SCAR для генов Rpi были использованы Rpi-R1-1205, Rpi-R3b-377, Rpi-R8-1276, Rpi-blb1-821, Rpi-sto1-890 и Rpi-blb2-976. Секвенирование ПЦР-ампликонов использовалось для проверки наличия маркера Rpi-blb2-976. Экспериментальные данные были оценены с использованием стандартных статистических методов, таких как кластерный анализ, дисперсионный анализ (ANOVA), критерий хи-квадрат (критерий χ2) и коэффициент ассоциации. Результаты. Сорта и клоны межвидовых гибридов картофеля – источники признака устойчивости к фитофторозу и гибриды F₁ от двух разных типов скрещивания, различающихся по реакции на Phytophthora infestans родительских форм (среднеустойчивый × устойчивый и устойчивый × восприимчивый), охарактеризованы по целевому признаку и наличию SCAR-маркеров генов. Установлено, что родительские формы гибридов F₁ являются симплексами по SCAR-маркерам Rpi-генов: сорт ‘Magelanes’ – по маркеру гена Rpi-R1, гибрид 171-3 – по маркерам генов Rpi-R8 и Rpi-R3b, клон 16/27-09 – по маркерам генов – Rpi-R1, Rpi-R8 и Rpi-blb1. В поколении гибридов F₁ 16/27-09 × 8-1-2004 (тип скрещивания устойчивый × восприимчивый) выявлена достоверная связь между устойчивостью к фитофторе и наличием маркеров генов Rpi-R8 и Rpi-blb1 (коэффициент ассоциации r=0,24). Диагностическая ценность маркеров двух генов (Rpi-R8 и Rpi-blb1) составляет 85,4%. В поколении гибридов F₁ ‘Magelanes’ × 171-3 (тип скрещивания среднеустойчивый × устойчивый) связи между устойчивостью к фитофторозу и наличием маркеров Rpi-генов не обнаружено. Заключение. Маркеры генов Rpi-R8 и Rpi-blb1 могут быть использованы в программах селекции картофеля на основе клона 16/27-09, используемого в качестве источника признака устойчивости к фитофторе.

1. Andolfo G., D’Agostino N., Frusciante L., Ercolano M.R. The tomato interspecific NB-LRR gene arsenal and its impact on breeding strategies. Genes. 2021;12(2):184. DOI: 10.3390/genes12020184

2. Angmo D., Sharma S.P., Kalia A. Breeding strategies for late blight resistance in potato crop: recent developments. Molecular Biology Reports. 2023;50:7879-7891. DOI: 10.1007/s11033-023-08577-0

3. 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. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2018;22(6):693-702. DOI: 10.18699/VJ18.412

4. Beketova M.P., Chalaya N.A., Zoteyeva N.M., Gurina A.A., Kuznetsova M.A., Armstrong M., Hein I., Drobyazina P.E., Khavkin E.E., Rogozina E.V. Combination breeding and marker-assisted selection to develop late blight resistant potato cultivars. Agronomy. 2021;11:2192. DOI: 10.20944/preprints202110.0209.v1

5. Berindean I.V., Taoutaou A., Rida S., Ona A.D., Stefan M.F., Costin A., Racz I., Muntean L. Modern breeding strategies and tools for durable late blight resistance in potato. Plants. 2024;13:1711. DOI: 10.3390/plants13121711

6. Blossei J., Gaebelein R., Hammann T., Uptmoor R. Late blight resistance in wild potato species—Resources for future potato (Solanum tuberosum) breeding. Plant Breeding. 2022;141(3):314-331. DOI: 10.1111/pbr.13023

7. Bradshaw J.E. Potato breeding: Theory and practice. Cham: Springer International Publishing; 2021.

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 Sciences. 2017;8:1197-1209. DOI: 10.4236/ajps.2017.86079

9. Chizhik V., Kuznetsova M., Rogozina E., Martynov V. Polymorphism of Avr Genes in Russian Populations of Phytophthora infestans Journal of Phytopathology 2024;172:e13400. DOI: 10.1111/jph.13400

10. Elansky S.N., Pobedinskaya M.A., Kokaeva L.Y., Statsyuk N.V., Dyakov Yu.T. Phytophthora infestans populations from the European part of Russia: genotypic structure and metalaxyl resistance. Journal of Plant Pathology. 2015;97(8):439-447. DOI: 10.4454/JPP.V97I3.020

11. Enciso-Maldonado G., Lozoya-Saldaña H., Talavera-Stefani L., Burgos-Cantoni C., Mongelos-Franco Y., Díaz-García G. Detection of homologous resistance genes to the late blight in wild potatoes. Bonplandia. 2024;33(2):271-276. DOI: 10.30972/bon.3326434

12. Gadjiyev N.M., Lebedeva V.A., Rybakov D.A., Ivanov A.V., Zheltova V.V., Fomina N.A., Antonova O.Yu., Gavrilenko T.A. On using data from marker-assisted selection of source material and intervarietal hybrids in practical potato breeding. Agricultural Biology. 2020;55(5):981-994. DOI: 10.15389/agrobiology.2020.5.981eng

13. Gavrilenko T.A., Antonova O.Yu., Shuvalova A.R., Krylova E.A, Alpatyeva N.V., Spooner D.M., Novikova L.Yu. 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/s10722013-9968-1

14. 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

15. GenBank. BLAST: Basic Local Alignment Search Tool. Available from: https://blast.ncbi.nlm.nih.gov/ [accessed Sep. 24, 2024]

16. Gopa l J. Status and way-forward in breeding potato (Solanum tuberosum) for resistance to late blight. Indian Journal of Agricultural Sciences. 2023;93(1):3-10. DOI: 10.56093/ijas.v93i1.119721

17. Gurina A.A., Gancheva M.S., Alpatieva N.V., Rogozina E.V. In silico search for and analysis of R gene variation in primitive cultivated potato species. Vavilovskii Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2024;28(2):175-184. DOI: 10.18699/vjgb-24-21

18. Haesaert G., Vossen J.H., Custers R., De Loose M., Haverkort A., Heremans B., Hutten R., Kessel G., Landschoot S., Van Droogenbroeck B., Visser R.G.F., Gheysen G. Transformation of the potato variety Desiree with single or multiple resistance genes increases resistance to late blight under field conditions. Crop Protection. 2015;77:163-175. DOI: 10.1016/j.cropro.2015.07.018

19. Hall T.A. BioEdit: A user-friendly biological sequence alignment editor and analysis program for Windows 95/98/NT. Nucleic Acids Symposium Series. 1999;41:95-98.

20. Иванов А.И., Иванова Ж.А., Якушева О.И., Филиппов П.А. Отзывчивость картофеля на удобрение и потери урожая от фитофтороза в условиях Северо-Запада России. Картофель и овощи. 2019;8:23-26. DOI: 10.25630/PAV.2019.49.66.001

21. Islam S., Li J., Rahman M.A., Xie F., Song B., Nie B. Resistance to biotic and abiotic stress in potato: the origin of the genes and corresponding molecular markers. Phytopathology Research. 2024;6(4). DOI: 10.1186/s42483-023-00222-9

22. Методические указания по поддержанию и изучению мировой коллекции картофеля / сост.: С.Д. Киру, Л.И. Костина, Э.В. Трускинов, Н.М. Зотеева, Е.В. Рогозина, Л.В. Королева, В.Е. Фомина, С.В. Палеха, О.С. Косарева, Д.А. Кирилов ; под ред. С.Д. Киру. Санкт-Петербург : ВИР. 2010.

23. Khavkin E.E. Plant-pathogen molecular dialogue: evolution, mechanisms and agricultural implementation. Russian Journal of Plant Physiology. 2021;68:197-211. DOI: 10.1134/S1021443721020072

24. Kochetov A.V., Afonnikov D.A., Shmakov N., Vasiliev G.V., Antonova O.Y., Shatskaya N.V., Glagoleva A.Y., Ibragimova S.M., Khiutti A., Afanasenko O.S., Gavrilenko T.A. NLR genes related transcript sets in potato cultivars bearing genetic material of wild Mexican Solanum species. Agronomy. 2021;11:2426. DOI: 10.3390/agronomy11122426

25. Королева А.К., Деревягина М.К., Бирюкова В.А., Поливанова О.Б., Казаков О.Г. Оценка устойчивости перспективных гибридов цветного картофеля к фитофторозу // Аграрный вестник Урала. 2024;24(03):319-337. DOI: 10.32417/1997-4868-2024-24-03-319-337

26. Kumar S., Stecher G., Tamura K. MEGA7: molecular evolutionary genetics analysis Version 7.0 for bigger datasets. Molecular Biology and Evolution. 2016;33(7):1870-1874. DOI: 10.1093/molbev/msw054

27. Муратова О.А., Бекетова М.П., Кузнецова М.А., Рогозина Е.В., Хавкин Э.Е. Южноамериканские виды Solanum alandiae Card. и S. okadae Hawkes et Hjerting как потенциальные источники генов устойчивости к фитофторозу картофеля. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2020;181(1):73-83. DOI: 10.30901/2227-8834-2020-1-73-83

28. Paluchowska P., Sliwka J., Yin Z. Late blight resistance genes in potato breeding. Planta. 2022;255:127. DOI: 10.1007/s00425-022-03910-6

29. 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;25:910-919. DOI: 10.1094/mpmi-01-12-0010-r

30. Рогозина Е.В., Хавкин Э.Е. Межвидовые гибриды картофеля как доноры долговременной устойчивости к патогенам. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017;21(1):30-41. DOI: 10.18699/VJ17.221

31. Rogozina E.V., Beketova M.P., Muratova O.A., Kuznetsova M.A., Khavkin E.E. Stacking resistance genes in multiparental interspecific potato hybrids to anticipate late blight outbreaks. Agronomy. 2021;11:1-31. DOI: 10.3390/agronomy11010115

32. Рогозина Е.В., Чалая Н.А., Кузнецова М.А., Демидова В.Н., Рогожин А.Н., Сметанина Т.И., Бекетова М.П., Фадина О.А., Хавкин Э.Е. Устойчивые к фитофторозу гибридные клоны картофеля в коллекции генетических ресурсов растений ВИР. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2018;179(3):278-292. DOI: 10.30901/2227-8834-2018-3-278-292

33. Rogozina E.V., Gurina A.A., Chalaya N.A., Zoteyeva N.M., Kuznetsova M.A., Beketova M.P., Muratova O.A., Sokolova E.A., Drobyazina P.E., Khavkin E.E. Diversity of late blight resistance genes in the VIR potato collection. Plants. 2023;12(2):273. DOI: 10.3390/plants12020273

34. Rodewald J., Trognitz B. Solanum resistance genes against Phytophthora infestans and their corresponding avirulence genes. Molecular Plant Pathology 2013;14(7):740-757. DOI: 10.1111/mpp.12036

35. Savary S., Willocquet L., Pethybridge S.J., Esker P., McRoberts N., Nelson A. The global burden of pathogens and pests on major food crops. Nature Ecology and Evolution. 2019;3(3):430-439. DOI: 10.1038/s41559-018-0793-y

36. Шанина Е.П., Сергеева Л.Б., Стафеева М.А., Клюкина Е.М. Применение ДНК-маркеров для оценки исходного селекционного материала картофеля. Достижения науки и техники АПК. 2018;32(12):47-49. DOI: 10.24411/0235-2451-2018-11213

37. Симаков Е.А., Анисимов Б.В., Жевора В., Митюшкин А.В., Журавлев А.А., Митюшкин А.В., Гайзатулин А.С. Актуальные направления развития селекции и семеноводства картофеля в России. Картофель и овощи. 2020;12:22-26. DOI: 10.25630/PAV.2020.49.70.005

38. Симаков Е.А., Жарова В.А., Митюшкин А.В., Бирюкова В.А., Рогозина Е.В., Киру С.Д. Использование генетических ресурсов картофеля для повышения эффективности селекции. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 2017;178(2):113-121. DOI: 10.30901/2227-8834-2017-2-113-121

39. Соколова Е.А., Панкин А.А., Бекетова М.П. SCAR-маркеры R-генов и зародышевой плазмы дикорастущих видов Solanum для выведения устойчивых к фитофторозу сортов картофеля. Генетические ресурсы растений. 2011;9:309-312. DOI: 10.1017/s1479262111000347

40. Srivastava A.K., Kumar V., Joseph T.A., Sharma S., Bag T.K., Singh B.P. Screening potato germplasm for stable resistance against late blight (Phytophthora infestans). Potato Journal. 2012;39(2):177-184.

41. StatSoft Russia. Available from: http://statsoft.ru [accessed Sep. 24, 2024]

42. Totsky I.V., Rozanova I.V., Safonova A.D., Batov A.S., Gureeva Yu.A., Khlestkina E.K., Kochetov A.V. Genotyping of potato samples from the GenAgro ICG SB RAS collection using DNA markers of genes conferring resistance to phytopathogens. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2021;25(6):677-686. DOI: 10.18699/VJ21.077

43. van der Vossen E.A.G., Gros J., Sikkema A., Muskens M., Wouters D., Wolters P., Pereira A., Allefs S. The Rpi-blb2 gene from Solanum bulbocastanum is an Mi-1 gene homolog conferring broad-spectrum late blight resistance in potato. Plant Journal. 2005;44:208-222. DOI: 10.1111/j.1365-313X.2005.02527.x

44. Vossen J.H., van Arkel G., Bergervoet M., Jo K.-R., Jacobsen E., Visser R.G.F. The Solanum demissum R8 late blight resistance gene is an Sw-5 homologue that has been deployed worldwide in late blight resistant varieties. Theoretical and Applied Genetics. 2016;129:1785-1796. DOI: 10.1007/s00122-016-2740-0

45. Wang M., Allefs S., van den Berg R.G., Vleeshouwers V., 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

46. Зотеева Н.М., Антонова О.Ю., Клименко Н.С., Гавриленко Т.А. Маркеры генов устойчивости к фитофторозу, Y вирусу картофеля и золотистой картофельной нематоде у перспективных клонов межвидовых гибридов картофеля. Биотехнология и селекция растений. 2022;5(1):5-16. DOI: 10.30901/2658-6266-2022-1-o1

47. Zoteyeva N.M., Kosareva O.S., Rogozina E.V., Chalaya N.A. Resistance of potato cultivars and hybrid clones from the VIR collection to the northwestern population of Phytophthora infestans. Proceedings on Applied Botany, Genetics and Breeding. 2024;185(2):201-209. DOI: 10.30901/2227-8834-2024-2-201-209

48. Яшина И.М., Склярова И.П. Генетика полиплоидных видов картофеля. В кн.: Генетика картофеля. Москва: Наука; 1973. С.82-103.