Маркер-опосредованный отбор селекционных линий картофеля с комбинацией генов устойчивости к PVY от разных диких видов

Y-вирус картофеля (PVY) относят к группе наиболее опасных вирусных инфекций этой культуры. Актуальным является выведение сортов картофеля, устойчивых к широкому набору штаммов PVY, создание исходного материала для такой селекции с комбинацией генов устойчивости из разных источников. Цель работы – (1) с помощью ДНК-маркеров генов устойчивости к PVY провести генотипирование коллекции, включающей 376 селекционных линий (СЛ) на основе сложных межвидовых гибридов, (2) выявить образцы с маркерами генов устойчивости от разных видов для последующего использования в маркер-опосредованной селекции (МОС или MAS), (3) оценить эффективность ДНК-маркеров генов устойчивости к PVY применительно к материалу, полученному с помощью межвидовой гибридизации. Установлено, что наиболее широко в коллекции представлены СЛ с маркерами RYSC3 гена Ry_adg (49,7%), Ry364 и RAPD38-530 гена Ry_chc (соответственно, 50,5% и 45,2%), Yes3-3A гена Ry_sto (29,8%). Маркеры Ry186 гена Ry_chc  и GP122/EcoRV₇₈₀ гена Ry_f-sto выявлены лишь у единичных образцов. Частоты СЛ, имеющих маркеры генов устойчивости к PVY от двух разных видов картофеля, колебались от 2,7% (маркер Yes3-3a гена Ry_sto + оба маркера гена Ry_chc) до 8,5- 9,0% (маркер RYSC3 гена Ry_adg + оба маркера гена Ry_chc или только маркер Ry364 этого гена, соответственно). Всего в коллекции выявлено 134 СЛ (47,6%), имеющих маркеры генов устойчивости к PVY от двух разных видов. Сочетание четырех маркеров к трем генам различного происхождения (Ry_adg, Ry_sto и Ry_chc) было обнаружено у 27 образцов (7,2%). Крайняя или, иначе, экстремальная (от англ. ER-extremely resistant) устойчивость к PVY большинства изученных СЛ (302 из 357) очевидно обусловлена наличием у них известных генов устойчивости к этому патогену, которые  выявляются с помощью использованных в работе ДНК-маркеров. Тем не менее, в коллекции была значительная доля образцов, которые не имели используемых маркеров генов устойчивости к PVY, но оказались устойчивы к вирусу (55 из 61). Также выявлено 13 (3,5%) образцов с ДНК маркерами генов устойчивости к PVY, которые были неустойчивы к патогену, что является приемлемым уровнем для первичного маркер-опосредованного отбора исходного селекционного материала. Полученные данные о наличии маркеров генов устойчивости к PVY и комбинации генов устойчивости разного происхождения у СЛ призваны обеспечить более эффективное их использование в селекции по сравнению с устойчивыми к вирусу линиями, не имеющими соответствующих маркеров.

1. Бирюкова В.А., Шмыгля И.В., Абросимова С.Б., Запекина Т.И., Мелешин А.А., Митюшкин А.В., Манаков В.В. Поиск источников устойчивости к патогенам среди образцов селекционно-генетических коллекций ВНИИКХ с использованием молекулярных маркеров. Защита картофеля. 2015;(1):3-7.

2. Блоцкая Ж.В. Штаммоспецифические особенности Y-вируса картофеля (PVY). Земледелие и защита растений. 2014;(4):49-50.

3. Brown C.R., Kim T.S., Ganga Z., Haynes K., De Jong D., Jahn M., Paran I., De Jong W. Segregation of total carotenoid in high level potato germplasm and its relationship to beta-carotene hydroxylase polymorphism. American Journal of Potato Research. 2006;83(5):365-372. DOI: 10.1007/BF02872013

4. Cockerham G. Genetical studies on resistance to potato viruses X and Y. Heredity. 1970;25(3):309-348. DOI: 10.1038/hdy.1970.35

5. De Ronde D., Butterbach P., Kormelink R. Dominant resistance against plant viruses. Frontier of Plant Science. 2014;5:307.DOI: 10.3389/fpls.2014.00307

6. Фадина О.А., Бекетова М.П., Соколова Е.А., Кузнецова М.А., Сметанина Т.И., Рогозина Е.В., Хавкин Э.Е. Упреждающая селекция: использование молекулярных маркеров при создании доноров устойчивости картофеля (Solanum tuberosum L.) к фитофторозу на основе сложных межвидовых гибридов. Сельскохозяйственная биология. 2017;52(1):84-94. DOI: 10.15389/agrobiology.2017.1.84rus

7. 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(1):95-101. DOI: 10.1007/s11032-004-2736-3

8. Fulladolsa A.C., Navarro F.M., Kota R., Severson K., Palta J.P., Charkowski A.O. Application of marker assisted selection for Potato virus Y resistance in the University of Wisconsin Potato Breeding Program. American Journal of Potato Research. 2015;92(3):444-450. DOI: 10.1007/s12230-015-9431-2

9. Fulladolsa A.C., Charkowski A., Cai X., Whitworth J., Gray S., Jansky S. Germplasm with resistance to potato virus Y derived from Solanum chacoense: clones M19 (39–7) and M20 (XD3). American Journal of Potato Research. 2019;96(4):390-395. DOI: 10.1007/s12230-019-09719-6

10. Haverkort A.J., Boonekamp P.M., Hutten R., Jakobsen E., Lotz L.A.P., Kessel G.J.T., Vossen J.H., Visser R.G.F. Durable late blight resistance in potato through dynamic varieties obtained by cisgenesis: scientific and societal advances in the DuRPh Project. Potato Research. 2016;59(1):35-66. DOI: 10.1007/s11540-015-9312-6

11. Hosaka K., Hosaka Y., Mori M., Maida T., Matsunaga H. Detection of simplex RAPD marker linked to resistance to potato virus Y in tetraploid potato. American Journal of Potato Research. 2001;78(3):191-196. DOI: 10.1007/BF02883544

12. Иванюк В.Г., Банадысев С.А., Журомский Г.К. Защита картофеля от болезней, вредителей и сорняков. Минск: Белпринт; 2005. C.420-466.

13. Kasai K., Morikawa Y., Sorri V.A., Valkonen J.P.T., 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. Лакин Г.Ф. Биометрия. Москва: Высшая школа; 1980. C.176-177.

15. Mori K., Sakamoto Yu., Mukojima N., Tamiya S. Development of a multiplex PCR method for simultaneous detection of diagnostic DNA markers of five disease and pest resistance genes in potato. Euphytica. 2011;180(3):347-355. DOI: 10.1007/s10681-011-0381-6.

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: Saikai35, 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(1):63-72. DOI: 10.1007/s12230-011-9221-4

17. Nie X., Sutherland D., Dickison V., Singh M., Murphy A.M., De Koeyer D. Development and validation of high-resolution melting markers derived from Rysto STS markers for highthroughput marker-assisted selection of potato carrying Rysto. Phytopathology. 2016;106(11):1366-1375. DOI: 10.1094/PHYTO05-16-0204-R

18. Ottoman R.J., Hane D.C., Brown C.R., Yilma S., Mosley A.R., Vales M. Validation and implementation of marker-assisted selection (MAS) for PVY resistance (Ryadg gene) in tetraploid potato breeding. American Journal of Potato Research. 2009;86(4):304-314. DOI: 10.1007/s12230-009-9084-0

19. Pогозина Е.В., Терентьева Е.В., Потокина Е.В., Юркина Е.Н., Никулин А.В., Алексеев Я.И. Идентификация родительских форм для селекции картофеля, устойчивого к болезням и вредителям, методом мультиплексного ПЦР-анализа Сельскохозяйственная биология. 2019;54(1):19-30. DOI: 10.15389/agrobiology.2019.1.19rus

20. Ross H. Potato breeding – problems and perspectives. Berlin, Hamburg: Paul Parey, Advances in Plant Breeding series no. 13; 1986. 132 p.

21. Русецкий Н.В. Оценка исходного материала картофеля на иммунитет к вирусам картофеля. В кн.: Картофелеводство: сборник научных трудов. Минск; 2018. Т. 26. С.101-111.

22. Русецкий Н.В., Воронкова Е.В. Выделение исходного материала картофеля на устойчивость к вирусам PVY и PVX и изучение характера ее наследования для использования в качества доноров признака в селекции на вирусоустойчивость. В кн.: Картофелеводство: сборник научных трудов. Минск; 2017. Т. 25. С.82-93.

23. Sato M., Nishikawa K., Komura K., Hosaka K. Potato virus Y resistance gene, Rychc, mapped to the distal end of potato chromosome 9. Euphytica. 2006;149(3):367-372. DOI: 10.1007/s10681-006-9090-y

24. Scholthof K.G., Adkins S., Czosnek H., Palukaitis P., Jacquot E., Hohn T., Hohn B., Saunders K., Candresse T., Ahlquist P., Hemenway C., Foster G.D. Top 10 plant viruses in molecular plant pathology. Molecular Plant Pathology. 2011;12(9):938-954. DOI: 10.1111/j.1364-3703.2011.00752.x

25. Solomon-Blackburn R.M., Barker H. A review of host major-gene resistance to potato viruses X, Y, A and V in potato: genes, genetics and mapped location. Heredity. 2001a;86(1):8-16. DOI: 10.1046/j.1365-2540.2001.00798.x

26. Solomon-Blackburn R.M., Barker H. Breeding virus resistant potatoes (Solanum tuberosum): a review of traditional and molecular approaches. Heredity. 2001b;86(1):17-35. DOI: 10.1046/j.1365-2540.2001.00799.x

27. Song Ye-S., Hepting L., Schweizer G., Hartl L., Wenzel G., Schwarzfischer A. Mapping of extreme resistance to PVY (Rysto) on chromosome XII using anther-culture-derived primary dihaploid lines. Theoretical and Applied Genetics. 2005;111(5):879-887. DOI: 10.1007/s00122-005-0010-7

28. Song Ye-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(5):159-170. DOI: 10.1007/s12230-008-9044-0.

29. Sorri V.A., Watanabe K.N., Valkonen J.P.T. Predicted kinase-3a motif of a resistance gene analogue as a unique marker for virus resistance. Theoretical and Applied Genetics. 1999;99(1):164-170.

30. Tomczyńska I., Jupe F., Hein I., Marczewski W., Śliwka J. Hypersensitive response to Potato virus Y in potato cultivar Sarpo Mira is conferred by the Ny-Smira gene located on the long arm of chromosome IX. Molecular Breeding. 2014;34(2):471-480. DOI: 10.1007/s11032-014-0050-2

31. Vales M.I., Ottoman R.J., Ortega J.A., Yilma S., Karaagac E. Marker-Assisted Selection for PVY resistance in tetraploid potato. Acta Horticulturae. 2010;859:409-416. DOI:10/17660/ActaHortic.2010.859.50

32. 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. Annual Applied Biology. 2008;152(1):121-130. DOI: 10.1111/j.1744-7348.2007.00194.x

33. Voronkova E., Luksha V., Gukasian O. Levy A., Yermishin A. Novel DNA locus associated with PVY resistance in potato is mapped to chromosome V. In: 16th Triennial Meeting of the Virology Section of the EAPR and 8th Annual Meeting of PVYWIDE Organization; 2016 May 31 - June 3; Lubljana, Slovenia. Liubljana; 2016. p.30.

34. Воронкова Е.В., Лукша В.И., Русецкий Н.В., Гукасян О.Н., Жарич В.М., Полюхович Ю.В., Ермишин А.П. Маркер-опосредованный отбор на наличие гена Rychc экстремальной устойчивости к PVY в коллекции генотипов, имеющих в родословной генетический материал Solanum chacoense. В кн.: Картофелеводство: сборник научных трудов. Минск; 2017a. Т. 25. С.47-59.

35. Воронкова Е.В., Лукша В.И., Гукасян О.Н, Полюхович Ю.В., Жарич В.М., Ермишин А.П. Использование митотической полиплоидизации in vitro для создания мультиплексных родительских линий картофеля. В кн.: Молекулярная и прикладная генетика: сборник научных трудов. Минск; 2017b. Т. 22. С.62-75.

36. Zimnoch-Guzowska E., Yin Zh., Chrzanovska M., Flis B. Sources and effectiveness of potato PVY resistance in IHAR’s breeding research. American Journal of Potato Research. 2013;90(1):21-27. DOI: 10.1007/s12230-012-9289-5

37. Zoteyeva N., Chrzanovska M., 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(4):277-293. DOI: 10.1007/s12230-012-9252-5