Разработка хромосомо-специфичных ДНК-маркеров для изучения интрогрессивной гибридизации картофеля с диким мексиканским аллотетраплоидным видом Solanum stoloniferum Schltdl.

Для вовлечения в селекцию дикого аллотетраплоидного мексиканского вида картофеля Solanum stoloniferum Schltdl. (геномный состав ААВВ) обычно используют пентаплоидные межвидовые гибриды (ААААВ) с культурным картофелем S. tuberosum L. (АААА), которые в дальнейшем включают в программу возвратных скрещиваний. Поскольку у таких гибридов в мейозе ожидается синапсис гомологичных хромосом А генома, возникает вопрос о перспективах интрогрессивной гибридизации генетического материала суб-генома В S. stoloniferum. В связи с этим актуальна разработка различных схем селекционного процесса, позволяющих повысить вероятность интрогрессии генетического материала суб-генома B в геном культурного картофеля. В предыдущих исследованиях были разработаны четыре схемы вовлечения S. stoloniferum в селекционный процесс, которые включают возвратные скрещивания с культурным картофелем различных межвидовых гибридов: гексаплоидного (геномный состав ААААВВ, традиционная схема интрогрессии), тетраплоидного гибрида (предполагаемый геномный состав АААВ) и потомства, полученного от его самоопыления, а также пентаплоидного межвидового гибрида (предполагаемый геномный состав АААВВ). В настоящей работе представлены первые результаты исследований по разработке хромосомоспецифичных маркеров для идентификации у межвидовых гибридов генетического материала S. stoloniferum. В скрещиваниях был использован перспективный образец S. stoloniferum PI 205522, высокоустойчивый к фитофторозу и Y-вирусу картофеля, у которого выявлен ряд ДНК маркеров генов устойчивости к этим патогенам. Для изучения особенностей интрогрессии генетического материала S. stoloniferum был создан набор из 23 SSR- и CAPS-маркеров с известной хромосомной локализацией в геноме А S. tuberosum, выявляющих полиморфизм родительских генотипов - диплоидного клона IGC 10/1.21 культурного картофеля S. tuberosum и образца PI 205522 S. stoloniferum. Все маркеры, специфичные для родительского образца дикого вида, были выявлены как у триплоидного (ААВ), так и у пентаплоидного (АААВВ) гибридов S. stoloniferum × S. tuberosum. Созданный набор маркеров будет использован для оценки эффективности различных схем интрогрессии генетического материала S. stoloniferum, в которых получены гибриды второго и третьего поколений беккроссов межвидовых гибридов с культурным картофелем.

картофель, Solanum tuberosum, межвидовая гибридизация, S. stoloniferum интрогрессия, маркеры SSR, CAPS, STS, SCAR

1. Абрамова Л.И. Цитологическая и цитоэмбриологическая техника (для исследования культурных растений): методические указания. Ленинград: ВИР; 1981.

2. Adiwilaga K.D., Brown C.R. Use of 2n pollen-producting 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

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 potato journal. 1991;67(11):737-749. DOI: 10.1007/BF03044524

7. Chen X., Salamini F., Gebhardt C. A potato molecular-function map for carbohydrate metabolism and transport. Theoretical and Applied Genetics. 2001;102(2-3):284-295. DOI: 10.1007/s001220051645

8. Feingold S., Lloyd J., Norero N., Bonierbale M., Lorenzen J. Mapping and characterization of new EST-derived microsatellites for potato (Solanum tuberosum L.). Theoretical and Applied Genetics. 2005;111(3):456-466. DOI: 10.1007/s00122-005-2028-2

9. 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

10. Ehlenfeldt M.K., Hanneman R.E.Jr. Genetic control of Endosperm Balance Number (EBN): three additive loci in a threshold-like system. Theoretical and Applied Genetics. 1988;75(6):825-832. DOI: 10.1007/BF00258041

11. Gavrilenko T., Antonova O., Shuvalova A., Krylova E., Alpatyeva N., Spooner D., Novikova L. 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/ s10722-013-9968-1

12. Гавриленко Т.А., Клименко Н.С., Алпатьева Н.В., Костина Л.И., Лебедева В.А., Евдокимова З.З. и др. Генетическое разнообразие сортов картофеля российской селекции и стран ближнего зарубежья по типам цитоплазм. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2019;23(6):753-764. DOI: 10.18699/ VJ19.534

13. Gavrilenko T., Pendinen G., Rokka V.-M., Antonova O., 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: 1134/S2079059715030065

14. 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

15. Ghislain M., Nunez J., Herera M.delR., Rignataro J., Guzman F., Bonierbale M., Spooner D.M. Robust and highly informative microsatellite-based genetic identity kit for potato. Molecular Breeding. 2009;23(3):377-388. DOI: 10.1007/s11032-008-9240-0

16. Hawkes J.G. The potato: evolution, biodiversity and genetic resources. Washington: Belhaven Press; 1990.

17. Hayes R.J., Dinu I.I., Thill C.A. Unilateral and bilateral hybridization barriers in inter-series crosses of 4x 2EBN Solanum stoloniferum, S. pinnatisectum, S. cardiophyllum and 2x 2EBN S. tuberosum haploids and haploid-species hybrids. Sexual Plant Reproduction. 2005;17(6):303-311. DOI: 10.1007/s00497-005-0244-1

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

19. Jackson S.A., Hanneman R.E.Jr. Crossability between cultivated and wild tuber- and non-tuber-bearing Solanums. Euphytica. 1999;109(1):51- 67. DOI: 10.1023/A:1003710817938

20. 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

21. Johnston S.A., den Nijs T.M., Peloquin S.J., Hanneman R.E.Jr. The significance of genetic balance to endosperm development in interspecific crosses. Theoretical and Applied Genetics. 1980;57(1):5-9. DOI: 10.1007/BF00276002

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

23. Левый А.В., Воронкова Е.В., Полюхович Ю.В., Ермишин А.П. ДНК-маркеры генов устойчивости к фитофторозу и к PVY у образцов дикого аллотетраплоидного вида картофеля Solanum stoloniferum. Весцi нацыянальнай акадэмii навук Беларусi. Серыя бiялагiчных навук. 2017;2:46-54.

24. Lössl A., Götz M., Braun A., Wenzel G. Molecular markers for cytoplasm in potato: male sterility and contribution of different plastid-mitochondrial configurations to starch production. Euphytica. 2000;116(3):221-230. DOI: 10.1023/A:1004039320227

25. Milbourne D., Meyer R., Collins A.J., Ramsay L.D., Gebhardt C., Waugh R. Isolation, characterization and mapping of simple sequence repeat loci in potato. Molecular and General Genetics. 1998;259(3):233-245. DOI: 10.1007/s004380050809

26. Oberhagemann P., Chatot-Balandras C., Schafer-Pregl R., Wagener D., Palomino C., Salamini F., Bonnel E., Gebhardt C. A genetic analysis of quantitative resistance to late blight in potato: towards marker-assisted selection. Molecular Breeding. 1999;5(5):399-415. DOI: 10.1023/A:1009623212180

27. Pallais N., Fong N., Berrios D. Research on the physiology of potato sexual seed production. In: Innovative methods for propagating potatoes, Rep. 28th Planning Conf.; 1984 December 10-14; CIP, Lima, Peru. Lima: CIP; 1985. p. 149-168.

28. Panahandeh J., Valizadeh M., Khosroshhly 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

29. Паушева З.П. Практикум по цитологии растений. Москва: Колос; 1970.

30. Pendinen G., Gavrilenko T., Jiang J., Spooner D.M. Allopolyploid speciation of the tetraploid Mexican potato species revealed by genomic in situ hybridization. Genome. 2008;51:714-720. DOI: 10.1139/ G08-052

31. Ramanna M.S., Abdalla M.M.F. Fertility, late blight resistance and genome relationship in an interspecific hybrid, Solanum polytrichon Rydb × S. phureja Juz. et Buk. Euphytica. 1970;19(3):317-326. DOI: 10.1007/ BF01904209

32. Ross H. Potato breeding – problems and perspectives. Supplement 13 Advances in Plant Breeding. Paul Parey (ed.) Berlin, Hamburg; 1986.

33. Singsit C., Hanneman R.E.Jr. Rescuing abortive inter-EBN potato hybrids through double pollination and embryo culture. Plant Cell Reports. 1991;9(9):475-478. DOI: 10.1007/BF00232099

34. Song Y.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

35. Spooner D.M., Rodrıguez F., Polgar Z., Ballard H.E.Jr., Jansky S.H. Genomic origins of potato polyploids: GBSSI gene sequencing data. Plant Genome (a Supplement to Crop Science). 2008;48(1):S27- S36. DOI: 10.2135/cropsci2007.09.0504tpg

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

37. Valkonen J.P.T., Wiegmann K., Hamalainen 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. Annals of Applied Biology. 2008;152(1):121-130. DOI: 10.1111/j.1744-7348.2007.00194.x

38. Wang M., Allefs S., van den Berg R.G., Vleeshouwers V.G., van der Vossen E.A., 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

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

40. 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

41. Ермишин А.П. Генетические основы селекции картофеля на гетерозис. Минск: Технология. 1998; C.37-40.

42. Ермишин А.П. Генетические особенности аллотетраплоидных диких видов картофеля (Solanum) как объекта селекции. Весцi нацыянальнай акадэмii навук Беларусi. Серыя бiялагiчных навук. 2014;1:23-31.

43. 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

44. Ермишин А.П., Левый А.В., Воронкова Е.В., Полюхович Ю.В., Лукша В.И., Агеева А.С. Диплоидные гибриды между диким аллотетраплоидным видом картофеля Solanum stoloniferum Schldtl. & Bouchet и диплоидными клонами культурного картофеля S. tuberosum L., имеющие геном B дикого вида. Доклады Национальной академии наук Беларуси. 2017a;61(5):80-89.

45. 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. 2017b;213(11):249. DOI: 10.1007/ s10681-017-2041-y

46. Zhu S., Li Y., Vossen J.H., Visser R.G., Jacobsen E. Functional stacking of three resistance genes against Phytophthora infestans in potato. Transgenic Research. 2012;21(1):89-99. DOI: 10.1007/ s11248-011-9510-1