Выбор исходного материала и закладка диплоидных инбредных линий в рамках программы гетерозисной селекции картофеля

Актуальность. Современный этап развития генетики и селекции картофеля характеризуется интенсификацией работ ведущих селекционных фирм по внедрению технологии получения диплоидных гибридов F₁, размножаемых ботаническими семенами. Однако широкое применение этой технологии осложняется недостатком или отсутствием в международных генетических банках образцов, необходимых для ее инициации. В Институте генетики и цитологии НАН Беларуси создана коллекция селекционного материала для проведения эффективной селекции картофеля на диплоидном уровне. Цель работы – оценить возможность и определить особенности использования этой коллекции для реализации программы маркер-опосредованной селекции диплоидных гибридов картофеля, которая стартовала в Институте генетики и цитологии НАН Беларуси в 2021 году. В задачи исследования входило: оценить эффективность схем получения исходного материала для закладки диплоидных инбредных линий картофеля; отобрать по клубневой продуктивности, признакам культурного картофеля, и устойчивости к болезням и вредителям фертильные самосовместимые диплоидные клоны S₁(F₂) для последующего создания инбредных линий; получить семена самоопыленных клонов S₂(F₃). Результаты. Показано, что наиболее эффективными для закладки инбредных линий являются схемы с участием селекционно продвинутых диплоидных клонов на основе межвидовых гибридов и доноров фертильности и самосовместимости Solanum tuberosum L. Всего получено 3212 семян (36,5 семян/ягоду) от самоопыления 38 перспективных гибридов пяти схем. Отобрано для получения инбредных линий самоопыленное потомство 29 образцов диплоидного картофеля. Семена от самоопыления диплоидных клонов обладали пониженной всхожестью и слабым развитием сеянцев: в горшки с торфогрунтом высажено менее 20% возможного их количества. При уборке отобрано по признакам культурного картофеля 167 сеянцев самоопыленных клонов S₁. По результатам полевых испытаний 67 клонов S₁ из 156 (42,9%) завязали ягоды от самоопыления. Из них отобрали по признакам культурного картофеля и полевой устойчивости к фитофторозу 36 клонов (23,1%). Они ведут происхождение от 17 диплоидных клонов, несущих ДНК-маркеры ряда генов устойчивости к болезням и вредителям. Семена от их самоопыления: всего 4699 шт., из которых 4382 от клонов S₁ на основе межвидовых гибридов, будут использованы для получения и отбора самоопыленных клонов S₂. Заключение. Использованная в работе коллекция диплоидного картофеля пригодна для закладки инбредных линий. Наиболее эффективные схемы создания исходного материала – на основе межвидовых гибридов и оригинальных линий S. tuberosum доноров фертильности и самосовместимости. Получены семена от самоопыления фертильных самосовместимых клонов S₁ на основе исходных диплоидных клонов, несущих ДНК-маркеры ряда ценных для селекции генов устойчивости к болезням и вредителям.

1. Alsahlany M., Enciso-Rodriguez F., Lopez-Cruz M., Coombs J., Douches D.S. Developing self-compatible diploid potato germplasm through recurrent selection. Euphytica. 2021;217:47. DOI: 10/1007/s10681-021-02785-0

2. Bradshaw J.E. Breeding diploid F1 hybrid potatoes for propagation from botanical seed (TPS): comparisons with theory and other crops. Plants. 2022;11:1121. DOI: 10.3390/plants11091121

3. Budin K.Z., Gavrilenko T.A. Genetic basis of remote hybridization in potato (Review). Russian Journal of Genetics. 1994;30(10):1225-1233.

4. Carroll C.P., Low R.J. Aspects of male fertility in group Tuberosum dihaploids. Potato Research. 1976;19:109-121. DOI: 10.1007/bf02360411

5. Charlesworth D., Willis J.H. The genetics of inbreeding depression. Nature Reviews Genetics. 2009;10:783-796. DOI: 10.1038/nrg2664

6. Clot C.R., Polzer C., Prodhomme C., Schuit C., Engelen C.M.E., Hutten R.C.B., van Eck H.E. The origin and widespread occurrence of Sli-based self-compatibility in potato. Theoretical and Applied Genetics. 2020;133:2713-2728. DOI: 10.1007/s00122-020-03627-8

7. Cunha A.L., Pinto B.P., Davide L.C. Flowering and 2n pollen production in dihaploid Solanum tuberosum and Solanum chacoense hybrids. Review of Brazilian Genetics. 1994;17(3):305-308.

8. De Maine M.J. Potato haploid technologies. Ch.2.35. In: M. Maluszynsky, K.J. Kasha, B.P. Forster, I. Szarejka (eds) Doubled haploids production in crop plants. A Manual. USA: Kluwer Academic Publishers; 2003. p.241-247.

9. Gebhardt C., Bellin D., Henselewski H., Lehmann W., Schwarzfischer J., Valkonen J.P.T. Marker-assisted combination of major genes for pathogen resistance in potato. Theoretical and Applied Genetics. 2006;112(8):1458-1464. DOI: 10.1007/s00122-006-0248-8

10. Hermundstad S.A., Peloquin S.J. Germplasm enhancement with potato haploids. Journal of Heredity. 1985;76:463-467. DOI: 10.1093/oxfordjournals.jhered.a110146.

11. Lindhout P., Meijer D., Schotte T., Hutten R.C.B., Visser R.G.F., van Eck H.J. Towards F1 hybrid seed potato breeding. Potato Research. 2011;54:301-312. DOI: 10.1007/s11540-011-9196-z

12. Lindhout P., de Vries M.E., ter Maat M., Ying Su, Viques-Zamora M., van Heusden S. Hybrid potato breeding for improved varieties. In: G. Wang-Pruski (ed.). Achieving sustainable cultivation of potatoes. Vol. 1 Breeding improved varieties. Canada: Burleigh Dodds Science Publishing, Dalhousie University; 2018. p.99-123. DOI: 10.19103/AS2016.0016.04

13. Jansky S.H., Charkowski A.O., Douches D.S., Gusmini G., Richarl C., Bethke P.C., Spooner D.M., Novy R.G., De Jong H., De Jong W.S., Bamberg J.B., Thompson L., Bizimungu B., Holm D.G., Brown C.R., Haynes K.G., Sathuvalli V.R., Veilleus R.E., Miller J.C. Jr., Bradeen J.M., Jiang J. Reinventing potato as a diploid inbred line-based crop. Crop Science. 2016;56:1-11. DOI: 10.2135/cropsci2015.12.0740

14. Jansky S.H., Chungand Y., Kittipadukal P. M6: a diploid potato inbred line for use in breeding and genetics research. Journal of Plant Registrations. 2014;8(2):195-199. DOI: 10.3198/jpr2013.05.0024crg

15. Jansky S.H., Peloquin S.J., Yerk G.L. Use of potato haploids to put 2x wild species germplasm in usable form. Plant Breeding. 1990;104:290-294. DOI: 10.1111/j.1439-0523.1990.tb00438.x

16. Jansky S.H., Spooner D.M. The evolution of potato breeding. In: Plant Breeding Reviews. First Edition. John Wiley & Sons Inc.; 2018. Vol. 41. p.169-214. DOI: 10.1002/9781119414735.ch4

17. Kaiser N.R., Jansky S., Coombs J.J., Collins P., Alsahlany M., Douches D.S. Assessing the contribution of Sli to self-compatibility in North American diploid potato germplasm using KASP™ markers. American Journal of Potato Research. 2021;98:104-113. DOI: 10.1007/s12230-021-09821-8

18. Kardile H., Yilma S., Sathuvalli V. Molecular approaches to overcome self-incompatibility in diploid potatoes. Plants. 2022;11(10):1328-1342. DOI: 10.3390/plants11101328

19. 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

20. Kostrica P., Domkarova J. Possibilities of indirect determination of the ploidy in potato regenerants in vitro. Rostlinna Viroba UZPI. 1993;39(2):139-148.

21. M’Ribu H.K., Veilleux R.E. Phenotypic variation and correlations between monoploids and doubled monoploids of Solanum phureja. Euphytica. 1991;54:279-284. DOI: 10.1007/BF00023004

22. Phumichai C., Mori M., Kobayashi A., Kamijima O. Hosaka K. Toward the development of highly homozygous diploid potato lines using the self-compatibility controlling Sli gene. Genome. 2005;48(4):977-984. DOI: 10.1139/g05-066

23. 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 Interaction. 2012;25(7):910-919. DOI: 10.1094/MPMI-01-12-0010-R

24. Ross R.W., Peloquin S.J., Hougas R.W. Fertility of hybrids from Solanum phureja and haploid S. tuberosum matings. European Potato Journal. 1964;7:81-89.

25. Sanetomo R., Asai I., Yasuga A., Suzuki K., Yamashita M., Hosaka K. Characterization of the Solanum tuberosum-derived Sli gene. Euphytica 2025;221:156. DOI: 10.1007/s10681-025-03609-1

26. 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(2):315-321. DOI: 10.1111/j.1439-0523.2012.01949

27. Song L., Endelman J.B. Using haplotype and QTL analysis to fix favorable alleles in diploid potato breeding. Plant Genome. 2023;16(2):e20339. DOI: 10.1002/tpg2.20339

28. Su Y., Viquez-Zamora M., den Uil D., Sinnige J., Kruyt H., Vossen J., Lindhout P., van Heusden S. Introgression of genes for resistance against Phytophthora infestans in diploid potato. American Journal of Potato Research. 2020;97(1):33-42. DOI: 10.1007/s12230-019-09741-8

29. Vexler L., de la O Leyva-Perez M., Konkolewska A., Clot C.R., Byrne S., Griffin D., Ruttink T., Hutten R.C.B., Engelen C., Visser R.G.F., Prigge V., Wagener S., Lairy-Joly G., Driesprong J.-D., Sundmark E.H.R., Rookmaker A.N.O., van Eck H.J., Milbourne D. QTL discovery for agronomic and quality traits in diploid potato clones using PotatoMASH amplicon sequencing. G3 Genes. Genomes. Genetics. 2024;14(10):jkae164. DOI: 10.1093/g3journal/jkae164

30. 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

31. Yermishin A.P. The development of initial parental material for breeding disease resistant potatoes at the diploid level. Plant Breeding and Seed Science. 2000;44(1):105-115.

32. Ермишин А.П., Полюхович Ю.В., Воронкова Е.В., Гукасян О.Н. SvSv-линии – эффективный инструмент для вовлечения в селекцию ценного генофонда 1 EBN диких диплоидных видов картофеля. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2017;21(1):42-50. DOI: 10.18699/VJ17.222

33. Yermishin A.P., Voronkova E.V. Development of initial material for marker assisted potato (Solanum tuberosum L.) parental line breeding at the diploid level (review) Agricultural Biology. 2017;52(1):50-62. DOI: 10.15389/agrobiology.2017.1.50eng

34. Ермишин А.П., Воронкова Е.В., Лукша В.И., Полюхович Ю.В., Левый А.В., Гукасян О.Н., Жарич В.М. Коллекция диплоидного картофеля Института генетики и цитологии НАН Беларуси. Минск: Институт генетики и цитологии НАН Беларуси; 2020.

35. Ермишин А.П., Воронкова Е.В., Козлов В.А., Полюхович Ю.В., Лукша В.И., Левый А.В., Яковлева Г.А., Семанюк Т.А., Дубинич В.Л., Родькина И.А. Межвидовая гибридизация в селекции картофеля/ под ред. А.П. Ермишина. Минск: Беларуская навука; 2021.

36. Zhang C., Wang P., Tang D., Yang Z., Lu F., Qi J., Tawari N.R., Shang Y., Li C., Huang S. The genetic basis of inbreeding depression in potato. Nature Genetics. 2019;51:374-378. DOI: 10.1038/s41588-018-0319-1

37. Zhang C., Yang Z., Tang D., Zhu Y., Wang P., Li D., Zhu G., Xiong X., Shang Y., Li C., Huang S. Genome design in diploid potato. Cell. 2021;184:3873-3883. DOI: 10.1016/j.cell.2021.06.006.

38. Zienkiewicz M. Bayer and Solynta are bringing hybrid true potato seeds to smallholder markets. Seed World. 2024.