Определение аллельного состава гена S-RNase у образцов коллекции груши, поддерживаемой на Майкопской опытной станции ВИР

Актуальность. Груша (Pyrus L.) – одна из важнейших плодовых культур, широко распространённых в мире. При этом в Европе и исторически с ней связанных странах (США, Австралия) выращиваются сорта одного одомашненного вида Pyrus communis L., а в азиатском регионе (Китай, Корея, Япония, Дальний Восток) культурные сорта создавались на базе отдельных ботанических видов, прежде всего P. pyrifolia (Burm.fil.) Nakai, P. bretschneideri Rehder., P. ussuriensis Maxim. и P. × sinkiangensis T.T. Yu. Одним из важнейших центров формирования сортимента груши европейской считают кавказский регион. Сосредоточение на Кавказе большого числа видов с перекрывающимися ареалами способствовало интенсивной межвидовой гибридизации и появлению полигибридных форм, которые могли использоваться в народной селекции. Коммерческое выращивание груши сталкивается с рядом трудностей, среди которых не последнее место занимает самонесовместимость сортов. Гаметофитная самонесовместимость у груши контролируется S-локусом, который включает в себя ген S-RNase и множество генов SFBB. Эти гены отличаются высоким уровнем полиморфизма, поэтому изучение S-локуса может быть применено не только для подбора опылителей в коммерческих садах груши, но и для молекулярного S-генотипирования. Целью данной работы была характеристика коллекции груши, поддерживаемой на Майкопской ОС – филиале ВИР, и прежде всего местных стародавних сортов кавказского и крымского происхождения, при помощи различных систем маркеров аллелей S-локуса. Материалы и методы: изучена выборка, состоящая из 194 образцов, включающая 182 сорта и четыре гибридные формы из коллекции Майкопской опытной станции – филиала ВИР, а также восьми образцов, собранных в рамках экспедиции ВИР по Северному Кавказу в 2022 году. Основными анализируемыми группами были сорта европейской селекции (49) и селекционных учреждений Кавказа (63), местные кавказские сорта (46) и группа крымских сортов (13). В работе были использованы консенсусные PycomC1/PycomC5 и аллель-специфичные праймеры, подобранные по данным из литературы. Результаты: при помощи обеих систем молекулярных маркеров нам удалось дифференцировать в выборке 25 различных аллелей S-локуса. Семь аллелей (S₁₀₁, S₁₀₂, S₁₀₃, S_104-1, S_104-2, S₁₀₈ и S₁₂₂) присутствовали в выборке с частотой ≥ 10%, различия между частотами некоторых из них были статистически значимыми в группах местных кавказских, европейских и крымских сортов. Также данные группы различались по наличию редких и уникальных аллелей и по присутствию большого количества триплоидных форм. Заключение: в результате молекулярного скрининга значительной выборки образцов груши различного происхождения было установлено аллельное разнообразие S-локуса и выявлено своеобразие сортов народной селекции Кавказа и Крыма. Местные сорта с оригинальным профилем S-аллелей могут являться ценным материалом для селекции.

1. Aguiar B., Vieira J., Cunha A.E., Fonseca N.A., Reboiro-Jato D., Reboiro-Jato M., Fdez-Riverola F., Raspé O., Vieira C.P. Patterns of evolution at the gametophytic self-incompatibility Sorbus aucuparia (Pyrinae) S pollen genes support the non-self recognition by multiple factors model. Journal of Experimental Botany. 2013;64(8):2423-2434. DOI: 10.1093/jxb/ert098

2. Антонова О.Ю., Клименко Н.С., Рыбаков Д.А., Фомина Н.А., Желтова В.В., Новикова Л.Ю., Гавриленко Т.А. SSR-анализ современных российских сортов картофеля с использованием ДНК номенклатурных стандартов. Биотехнология и селекция растений. 2020;3(4):77-96. DOI: 10.30901/2658-6266-2020-4-o2

3. Bell R.L. Pears (Pyrus). Acta Horticulturae. 1991;290:657-697. DOI: 10.17660/ActaHortic.1991.290.15

4. Bennici S., Di Guardo M., Distefano G., Las Casas G., Ferlito F., De Franceschi P., Dondini L., Gentile A., La Malfa S. Deciphering S-RNase Allele Patterns in Cultivated and Wild Accessions of Italian Pear Germplasm. Forests. 2020;11(11):1228. DOI: 10.3390/f11111228

5. Claessen H., Keulemans W., Van de Poel B., De Storme N. Finding a compatible partner: self-incompatibility in European pear (Pyrus communis); molecular control, genetic determination, and impact on fertilization and fruit set. Frontiers in Plant Science. 2019;10:407. DOI: 10.3389/fpls.2019.00407

6. De Franceschi P., Pierantoni L., Dondini L., Grandi M., Sanzol J., Sansavini S. Cloning and mapping multiple S-locus F-box genes in European pear (Pyrus communis L.). Tree Genetics and Genomes. 2011a;7(2):231-240. DOI: 10.1007/s11295-010-0327-5

7. De Franceschi P., Pierantoni L., Dondini L., Grandi M., Sansavini S., Sanzol J. Evaluation of candidate F-box genes for the pollen S of gametophytic self-incompatibility in the Pyrinae (Rosaceae) on the basis of their phylogenomic context. Tree Genetics and Genomes. 2011b;7(4):663-683. DOI: 10.1007/s11295-011-0365-7

8. FAOSTAT. The Food and Agriculture Organization (FAO) of the United Nations. FAOstatistics. Available from: https://www.fao.org/faostat/en/#compare; https://www.fao.org/faostat/ru/#compare [accessed June 10, 2025].

9. Fisher R.A. On the interpretation of χ2 from contingency tables, and the calculation of P. Journal of the Royal Statistical Society. 1922;85(1):87-94. Available from: http://hdl.handle.net/2440/15173 [accessed June 10, 2025].

10. Gharehaghaji A.N., Arzani K., Abdollahi H., Shojaeiyan A., Dondini L., De Franceschi P. Genomic characterization of self-incompatibility ribonucleases in the Central Asian pear germplasm and introgression of new alleles from other species of the genus Pyrus. Tree Genetics and Genomes. 2014;10:411-428. DOI: 10.1007/s11295-013-0696-7

11. Goldway M., Takasaki-Yasuda T., Sanzol J., Mota M., Zisovich A., Stern R.A., Sansavini S. Renumbering the S-RNase alleles of European pears (Pyrus communis L.) and cloning the S109 RNase allele. Scientia Horticulturae. 2009;119(4):417-422. DOI: 10.1016/j.scienta.2008.08.027

12. Ikeda K., Watari A., Ushijima K., Yamane H., Hauck N.R., Lezzoni A.F., Tao R. Molecular markers for the self-compatible S4’-haplotype, a pollen-part mutant in sweet cherry (Prunus avium L.). Journal of the American Society for Horticultural Science. 2004;129(5):724-728. DOI: 10.21273/JASHS.129.5.724

13. Inglis P.W., Pappas M.D.C.R., Resende L.V., Grattapaglia D. Fast and inexpensive protocols for consistent extraction of high quality DNA and RNA from challenging plant and fungal samples for high-throughput SNP genotyping and sequencing applications. PLoS One. 2018;13(10):e0206085. DOI: 10.1371/journal.pone.0206085

14. Jaumien F. The causes of poor bearing of pear trees of the variety ‘Doyenne du Comice’. Acta Agrobotanica. 1968;21:75-106. DOI: 10.5586/aa.1968.003

15. Kubo K., Entani T., Takara A., Wang N., Fields A.M., Hua Z., Toyoda M., Kawashima S., Ando T., Isogai A., Kao T.H., Takayama S. Collaborative non-self recognition system in S-RNase-based self-incompatibility. Science. 2010;330:796-799. DOI: 10.1126/science.1195243

16. Lewis D., Modlibowska I. Genetical studies in pears. Journal of Genetics. 1942;43:211-222. DOI: 10.1007/BF02982754

17. Marchese A., Tobutt K.R., Raimondo A., Motisi A., Bošković R.I., Clarke J., Caruso T. Morphological characteristics, microsatellite fingerprinting and determination of incompatibility genotypes of Sicilian sweet cherry cultivars. Journal of Horticultural Science and Biotechnology. 2007;82:41-48. DOI: 10.1080/14620316.2007.11512197

18. Minamikawa M., Kakui H., Wang S., Kotoda N., Kikuchi S., Koba T., Sassa H. Apple S locus region represents a large cluster of related, polymorphic and pollen-specific F-box genes. Plant Molecular Biology. 2010;74:143-154. DOI: 10.1007/s11103-010-9662-z

19. Moriya Y., Yamamoto K., Okada K., Iwanami H., Bessho H., Nakanishi T., Takasaki T. Development of a CAPS marker system for genotyping European pear cultivars harboring 17 S alleles. Plant Cell Reports. 2007;26:345-354. DOI: 10.1007/s00299-006-0254-y

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

21. Okada K., Tonaka N., Taguchi T., Ichikawa T., Sawamura Y., Nakanishi T., Takasaki-Yasuda T. Related polymorphic F-box protein genes between haplotypes clustering in the BAC contig sequences around the S-RNase of Japanese pear. Journal of Experimental Botanics. 2011;62(6):1887-1902. DOI: 10.1093/jxb/erq381

22. Рубцов Г.А. Происхождение и эволюция культурной груши. Доклады Академии наук СССР. 1940;28(4):351-354.

23. Sanzol J. Genomic characterization of self-incompatibility ribonucleases (S-RNases) in European pear cultivars and development of PCR detection for 20 alleles. Tree Genetics and Genomes. 2009a;5:393405. DOI: 10.1007/s11295-008-0194-5

24. Sanzol J. Pistil-function breakdown in a new S-allele of European pear, S21 confers self-compatibility. Plant Cell Reports. 2009b;28(3):457-467. DOI: 10.1007/s00299-008-0645-3

25. Sanzol J. Two neutral variants segregating at the gametophytic self‐incompatibility locus of European pear (Pyrus communis L.) (Rosaceae, Pyrinae). Plant Biology. 2010.;12(5):800-805. DOI: 10.1111/j.1438-8677.2009.00277.x

26. Sanzol J., Herrero M.B. Identification of self-incompatibility alleles in pear cultivars (Pyrus communis L.). Euphytica. 2002;128:325-331. DOI: 10.1023/A:1021213905461

27. Sanzol J., Robbins T.P. Combined analysis of S-Alleles in European pear by pollinations and PCR-based S-genotyping; correlation between S-phenotypes and S-RNase genotypes. Journal of American Society for Horticultural Science. 2008;133(2):213-224. DOI: 10.21273/JASHS.133.2.213

28. Sanzol J., Sutherland B.G., Robbins T.P. Identification and characterization of genomic DNA sequences of the S‐ribonuclease gene associated with self‐incompatibility alleles S1 to S5 in European pear. Plant Breeding. 2006;125(5):513-518. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2006.01269.x

29. Sassa H., Kakui H., Miyamoto M., Suzuki Y., Hanada T., Ushijima K., Kusaba M., Hirano H., Koba T. S Locus F-Box Brothers: multiple and pollen-specific F-Box genes with S haplotype-specific polymorphisms in apple and Japanese pear. Genetics. 2007;175:1869-1881. DOI: 10.1534/genetics.106.068858

30. Супрун И.И., Токмаков С.В., Макаркина М.В. Анализ аллельного полиморфизма гена самонесовместимости у некоторых отечественных сортов груши (Pyrus communis L.) c использованием консенсусных и S5, S8, аллель-специфичных ДНК маркеров. Политематический сетевой электронный научный журнал Кубанского государственного аграрного университета. 2014;103(09):607-618.

31. Takasaki T., Moriya Y., Okada K., Yamamoto K., Iwanami H., Bessho H., Nakanishi T. cDNA cloning of nine S alleles and establishment of a PCR-RFLP system for genotyping European pear cultivars. Theoretical and Applied Genetics. 2006;112:1543-1552. DOI: 10.1007/s00122-006-0257-7

32. Туз А.С. Pyrus L. – Груша. В кн.: Лихоноса Ф.Д., Туза А.С., Лобачева А.Я. Культурная флора СССР. Т. 14. Семечковые. Москва; 1983. С.126-225.

33. Вавилов Н.И. Дикие родичи плодовых деревьев Азиатской части СССР и Кавказа и проблема происхождения плодовых деревьев. Труды по прикладной ботанике, генетике и селекции. 1931;26(3):85-107.

34. Wu J., Li M., Li T. Genetic features of the spontaneous self-compatible mutant, ‘Jin Zhui’ (Pyrus bretschneideri Rehd.). PloS One. 2013;8(10):e76509. DOI: 10.1371/journal.pone.0076509

35. Wu J., Wang Y., Xu J., Korban S.S., Fei Z., Tao S., Ming R., Tai S., Khan A.M., Chao Gu C., Yin H., Zheng D., Qi K., Li Y., Wang R., Deng C.H., Kumar S., Chagné D., Li X., Wu J., Huang X., Zhang H., Xie Z., Li X., Zhang M., Li Y., Yue Z., Fang X., Li J., Li L., Jin C., Qin M., Zhang J., Wu X., Ke Y., Wang J., Yang H., Zhang S. Diversification and independent domestication of Asian and European pears. Genome Biology. 2018;19:1-16. DOI: 10.1186/s13059-018-1452-y

36. Zisovich A.H., Stern R., Sapir G., Shafir S., Goldway M. The RHV region of S-RNase in the European pear (Pyrus communis) is not required for the determination of specific pollen rejection. Sexual Plant Reproduction. 2004;17:151-156. DOI: 10.1007/s00497-004-0225-9

37. Zuccherelli S., Tassinari P., Broothaerts W., Tartarini S., Dondini L., Sansavini S. S-Allele characterization in self-incompatible pear (Pyrus communis L.). Sexual Plant Reproduction. 2002;15:153-158. DOI: 10.1007/s00497-002-0145-5