Marker selection of promising varietal and breeding material of apple tree

Full Text

Введение

Яблоня — важнейшая сельскохозяйственная многолетняя культура, основная среди плодовых растений мира — наиболее широко распространена в отрасли садоводства России, в т.ч. Северного Кавказа, коммерчески привлекательна, востребована и популярна у потребителей продукции плодоводства. Основной ресурс увеличения российского производства качественной продукции ведущей плодовой культуры — селекционное обновление сортимента яблони на основе продуктивных сортов, высокоустойчивых к абиотическим и биотическим стрессорам региона возделывания [1]. На современном этапе селекционной работы необходимо сочетание в получаемых генотипах повышенных показателей адаптивности, продуктивности и качества плодов, способствующих как увеличению рентабельности и экономической эффективности промышленного производства, так и достаточно успешной конкуренции на потребительском рынке новых сортов с существующими зарубежными аналогами [2–7]. В условиях необходимости решения существующих проблем биологизации, экологизации и рационального природопользоваания российской отрасли садоводства перспективно создание иммунных к парше сортов яблони, позволяющих получать плоды высокой товарности с коммерчески значимыми характеристиками при общем оздоровлении экологической обстановки в саду [5, 8, 9].

Современный сортимент яблони на Северном Кавказе достаточно разнообразен и обширен. В 2024 г. Госреестр Российской Федерации селекционных достижений, допущенных к использованию (Госреестр), насчитывает по яблоне 506, а Госреестр по Северо-Кавказскому региону — 165 сортов^[1]. Однако значительный и достаточно разнообразный количественный состав и высокие темпы обновления сортимента яблони не решают в полной мере основную проблему необходимости создания и культивирования сортов, сочетающих высокую устойчивость к биотическим и абиотическим стрессорам региона возделывания с повышенными коммерческими характеристиками плодов.

Использование современных методов оценки сортового и гибридного материала для изучения биоразнообразия и формирования идентифицированного состава генофонда рода Malus Mill. — основа наиболее эффективного создания качественных и адаптивных российских сортов для южного плодоводства.

Современные методы исследования генетики ведущих селекционных признаков, в т.ч. устойчивости к патогенам на долговременной основе, особенно в сочетании с повышенными показателями качества плодов, в значительной мере облегчают решение важнейших селекционных задач по созданию российских адаптивных, конкурентоспособных сортов, а также позволяют в достаточно сжатые сроки вести отбор перспективных доноров и комплексных доноров целевых хозяйственных признаков для дальнейшей селекции.

Ускорению и оптимизации ряда важнейших этапов селекционного процесса многолетних плодовых культур, в частности яблони, способствуют методы ДНК- анализа. С развитием ДНК-технологий комплексное генотипирование и фенотипирование изучаемых многолетних растений, в т.ч. яблони, идет все активнее. Процессы совмещения и интеграции многолетних селекционных данных с данными генетических исследований играют важную роль для совершенствования методов селекции яблони на основе все более активного использования маркеров, расширяя генетическое понимание важнейших признаков культуры и обеспечивая в максимальной степени доступность и высокую информативность полученных данных для ученых-селекционеров [10]. Довольно существенно сократить длительность, уменьшить трудоемкость и энергоемкость процесса селекции яблони позволяет маркерный отбор источников целевых генов и аллелей генов [11]. Применение метода ДНК-маркирования важно, как на начальном этапе селекционного процесса — для изучения и отбора наиболее ценных родительских форм, так и в дальнейшем — для выделения перспективного гибридного материала, элитных форм и новых сортов.

Цель исследования — по результатам изучения аллельного полиморфизма 15 генов устойчивости яблони к парше (Venturia inаequalis (Cooke) G. Winter) у 33 сортовых и селекционных образцов яблони выделить источники долговременной устойчивости для усиления эффективности селекционного процесса.

Материалы и методы исследования

Объекты исследования — 33 генотипа яблони, имеющие разное эколого-географическое и генетическое происхождение.

Исследование выполнено в ФГБНУ «Северо-Кавказский федеральный научный центр садоводства, виноградарства, виноделия» (СКФНЦСВВ). Научно-исследовательская работа проводилась в двух центрах коллективного пользования (ЦКП) — «Приборно-аналитический» и «Исследовательско-селекционная коллекция генетических ресурсов садовых культур» (ЦКП ИСК ГРСК), расположенная в Северо-Кавказском регионе садоводства РФ (г. Краснодар, ЗАО ОПХ «Центральное»). Образцы для выполнения ДНК-анализа отбирали на коллекционных и селекционных насаждениях яблони, произрастающих на подвое М9 по схеме 4×1 м, 2015–2017 гг. посадки.

В исследовании использовали программы и методики селекции и сортоизучения для плодовых культур (яблони)^[2] [12]; молекулярно-генетические методы отбора ценных для дальнейшей селекции источников долговременной устойчивости яблони к парше [13; 14], метод ДНК-анализа, основанный на ПЦР с последующим электрофоретическим анализом продуктов. При этом применена выполненная в СКФНЦСВВ [15] модификация метода СТАВ на основе 1%-й концентрации поливинилпирролидона в лизирующем буфере, что сделало очистку проб ДНК от полифенольных соединений более качественной.

Использовали 22 маркера 15 генов устойчивости к парше: Rvi1 — CH01D03 (SSR-маркер); Rvi2 — CH02b10 (SSR-маркер); Rvi3 — Hi08e04 (SSR-маркер); Rvi4 — CH02c02a, CH02f06 (SSR-маркер); Rvi5 — Hi07h02, FMACH_Vm3 (SSR-маркеры); Rvi6 — CH-Vf1(SSR-маркер), VfC1F+VfC2 (SCAR-маркер); Rvi8 — OPL 19 (SCAR-маркер); Rvi9 — CH03d01, CH05e03 (SSR-маркер); Rvi11 — CH05e03; Rvi12 — SSR23.17, SSR24.91 (SSR-маркеры); Rvi13 — CH04f03, CH02b07 (SSR-маркеры); Rvi14 — HB09 (SSR-маркер); Rvi15 — CH02c02a, CH02f06 (SSR-маркеры); Rvi16 — NH030a (SSR-маркер); Rvi17 — CH-Vf1(SSR-маркер).

В качестве положительных контролей при молекулярно-генетической идентификации аллелей ДНК-маркеров искомых генов устойчивости яблони к парше использованы сорта, видовые и гибридные формы, входящие в международный набор дифференциаторов для определения расового состава возбудителя парши: Golden Delicious — ген Rvi1; Malus pumila R12740–7A — ген Rvi2; Q71 (Rvi3); Malus atrosanguinea 840 (Rvi5); Priscilla (Rvi6); B45 (Rvi8); J34 (Rvi9); M. baccata jackii (Rvi11); Hansen’s baccata (Rvi12), Durello di Forli — (Rvi13); Dulmener Rosenapfel — (Rvi14); GMAL2473 (Rvi15).

Результаты исследования и обсуждение

Для выявления носителей потенциальной долговременной устойчивости к парше и пополнения идентифицированной части коллекционного фонда яблони в СКФНЦСВВ исследовали 33 образца нового сортового и селекционного материала методом ДНК-маркирования. Выполнена фенотипическая оценка по комплексу основных хозяйственных, биологических и адаптивно-значимых признаков (сроки вступления в плодоношение, основные фенофазы развития, сила роста дерева, компактность кроны и тип плодоношения, устойчивость к парше, монилиозу, мучнистой росе, филлостиктозу, устойчивость к весенним заморозкам, к засухе, регулярность плодоношения, продуктивность, качество плодов и др.). Фенотипирование позволило выделить 33 образца яблони (13 гибридов, 6 элитных форм, 11 сортов российской и 3 зарубежной селекции) с сочетанием максимального количества ценных признаков для выполнения ДНК-анализа. Сформированы признаковые субколлекции. В исследуемую выборку образцов для ДНК-анализа включили новые сорта и элиты селекции СКФНЦСВВ, в т.ч. созданные совместно с коллегами из ВНИИСПК и Ставропольской ОСС (табл. 1).

Таблица 1
Происхождение нового сортового и селекционного материала яблони

Название  генотипа	Страна происхождения, оригинатор	Происхождение
17/1–6–2	Россия, СКФНЦСВВ	Кармен × Gemeni
17/1–6–32	Россия, СКФНЦСВВ	Champion × Modi
17/1–6–57	Россия, СКФНЦСВВ	Liberty × Renuartsiv
17/1–6–65	Россия, СКФНЦСВВ	12/1–21–63 (Golden Delicious (4х) × 2034  [F2 M. floribunda × Golden Delicious]) × Modi
17/1–6–74	Россия, СКФНЦСВВ	12/1–21–63 (Golden Delicious (4х) × 2034  [F2  M. floribunda × Golden Delicious]) × Modi
17/2–6–9	Россия, СКФНЦСВВ	12/1–21–24 (Idared × Balsgard 0247Е) × Arksharm
17/2–6–2	Россия, СКФНЦСВВ	Champion × Modi
17/1–7–2	Россия, СКФНЦСВВ	12/1–21–24 (Idared × Balsgard 0247Е) × Arksharm
17/1–7–3	Россия, СКФНЦСВВ	12/1–21–24 (Idared × Balsgard 0247Е) × Arksharm
17/1–7–16	Россия, СКФНЦСВВ	12/1–20–56 (Black Stayman × Prima) × Fujion
17/1–7–18	Россия, СКФНЦСВВ	12/1–20–56 (Black Stayman × Prima) × Fujion
17/1–7–26	Россия, СКФНЦСВВ	Champion × Modi
17/1–7–27	Россия, СКФНЦСВВ	Champion × Modi
12/1–20–56	Россия, СКФНЦСВВ,  ВНИИСПК	Black Stayman × Prima
12/1–21–24	Россия, СКФНЦСВВ,  ВНИИСПК	Idared × Balsgard 0247Е
12/1–21–63	Россия, СКФНЦСВВ,  ВНИИСПК	Golden Delicious (4х) × 2034 (F2 M. floribunda × Golden Delicious)
6–4–12	Россия, СКФНЦСВВ	44–30–7 (Welsey (4х) × Бессемянка Мичуринская) × Florina
6–6–11	Россия, СКФНЦСВВ	44–30–7 (Welsey (4х) × Бессемянка  Мичуринская) × Florina
Егоровское	Россия, СКФНЦСВВ,  ВНИИСПК, СОСС	Redfree × Папировка тетраплоидная
Кармен	Россия, СКФНЦСВВ,  ВНИИСПК	Prima × Welsey (4х)
Багрянец Кубани	Россия, СКФНЦСВВ	Клон сорта Кубанское багряное
Ренет Платона	Россия, СКФНЦСВВ	Клон сорта Ренет Симиренко, мутационная селекция
Памяти есаулу	Россия, СКФНЦСВВ	(Розмарин × Prima) × Кандиль краснодарский
Прикубанское	Россия, СКФНЦСВВ	Red Delicious × Opalescent
Солнечное	Россия, СКФНЦСВВ	Клон сорта Celeste, мутационная селекция
Делишес Марии	Россия, СКФНЦСВВ	Delicious spur × Kidd’s Orange Red,  мутационная селекция
Зимнее утро	Россия, СКФНЦСВВ	Liberty × Scarlett Staymared, мутационная селекция
Михсан	Россия, СОСС, СКФНЦСВВ	Liberty × Golden Delicious
Надежное	Россия, СКФНЦСВВ,  ВНИИСПК, СОСС	Idared × Balsgard 0247Е
Гайто Газданов	Россия, СОСС, СКФНЦСВВ, СПК «Де-Густо»	Golden Delicious × Liberty
Renuartsiv	Italy, C.I.V. — SOCIETA’ CONSORTILE A R.L.	Серия «Sweet Resistants», получен с участием сорта Granny Smith
Honey Crisp	USA, Minnesota Agricultural Experiment Station’s Horticultural Research Center	Macoun × Honeygold
Red Delicious King Roat	Italy, KIKU Gmbh	Клон сорта Hapke

Источник: выполнено Е.В. Ульяновской, Е.А. Чернуцкой.

На основе метода ДНК-анализа у выделенных образцов яблони идентифицированы 15 генов: Rvi1-Rvi6, Rvi8; Rvi9, Rvi11-Rvi17, детерминирующих устойчивость к парше Venturia inaequalis (Cooke) G. Winter.

Установлено, что значительная часть (42,4 %) изученной выборки образцов — это носители гена Rvi6 устойчивости к парше. Ген Rvi6 (ранее известный как ген Vf) — широко распространенный и достаточно часто используемый еще с начала XX в. в мировой селекции яблони. Изучение нового гибридного и сортового материала позволило идентифицировать в геноме 14 из 33 образцов (5 сортов и 9 элитных и отборных форм) маркеры CH-Vf1 и VfC1F+VfC2 (сцепленные с геном Rvi6).

Почти половина образцов — носители гена Rvi3 (16 из 33 изученных или 48,5 %). К наиболее распространенным генам устойчивости к парше в выборке также отнесены: Rvi1, Rvi2, Rvi8, частота встречаемости их в выборке составила 42,4; 33,3 и 36,4 % соответственно. Частота встречаемости в выборке генов Rvi4, Rvi15, Rvi13 и Rvi14 составила 24,2; 18,2; 9,1 и 9,1 % соответственно.

Не установлено наличие 4 генов устойчивости: Rvi5, Rvi11, Rvi12 и Rvi16.

Частота встречаемости генов Rvi17 и Rvi9 составила 6,1 и 3,0 % соответственно, поэтому данные гены устойчивости к парше можно отнести к достаточно редко встречаемым в изученной выборке.

Выделены носители нескольких генов устойчивости яблони к парше, имеющие в геноме от 2 до 6 различных генов системы Rvi в разных сочетаниях, ценные для дальнейшей селекции на долговременную, длительную устойчивость к патогену (табл. 2, рис.).

Таблица 2
Носители генов устойчивости яблони к парше (Rvi)

Наличие генов устойчивости к парше (Rvi)	Название генотипа
Rvi1, Rvi2, Rvi3, Rvi4, Rvi6, Rvi15	12/1–21–24
Rvi1, Rvi2, Rvi3, Rvi6, Rvi13	Кармен
Rvi1, Rvi2, Rvi4, Rvi6, Rvi15	Михсан
Rvi1, Rvi2, Rvi3, Rvi6	Надежное
Rvi1, Rvi4, Rvi6, Rvi15	Гайто Газданов
Rvi1, Rvi3, Rvi6, Rvi8	12/1–20–56
Rvi1, Rvi2, Rvi3, Rvi8	17/1–6–57
Rvi3, Rvi4, Rvi14, Rvi15	17/1–7–3
Rvi2, Rvi3, Rvi4, Rvi6	17/1–7–16

Источник: выполнено Е.В. Ульяновской, Е.А. Чернуцкой, Т.В. Богданович.

Новые российские сорта яблони
Источник: выполнено Е.В. Ульяновской.

Необходимо отметить, что новый селекционный материал был получен от гибридизации обладающих повышенными показателями качества плодов, перспективных сортов и форм российской, западноевропейской, североамериканской, японской селекции. Достаточно высокую селекционную ценность нового селекционного материала подтверждает высокая доля (84,2 %, или 16 из 19 изученных образцов) выявленных носителей 2–4 генов устойчивости к парше. Установлено, что значительное количество носителей нескольких генов устойчивости к парше созданы путем географически отдаленной гибридизации с участием элитных форм региональной селекции и западноевропейских сортов (12/1–21–63 и Modi), японских (12/1–20–56 и Fujion) или североамериканских (12/1–21–24 и Arksharm); североамериканского и западноевропейского сорта (Liberty и Renuartsiv). Результаты маркерного отбора нового селекционного и сортового материала по генам устойчивости к парше перспективны для пополнения идентифицированного состава генофонда яблони и увеличения эффективности дальнейшего процесса селекции.

Заключение

Согласно полученным данным в исследуемой выборке из 33 сортов и гибридных форм яблони разного эколого-географического и генетического происхождения выявлены носители нескольких генов устойчивости яблони к парше, имеющие в геноме от 2 до 6 различных генов системы Rvi в разных сочетаниях. К наиболее распространенным в выборке генам устойчивости к парше среди изученных 15 генов отнесены: Rvi3 и Rvi6, а также: Rvi1, Rvi2, Rvi8. Выделены носители: 6 генов устойчивости к парше — 12/1–21–24; 5 генов устойчивости — Кармен и Михсан; 4 генов: Надежное, Гайто Газданов, 12/1–20–56, 17/1–6–57, 17/1–7–3, 17/1–7–16, ценные для селекции на долговременную устойчивость к биопатогену.

 

 

^{1 Реестр селекционных достижений. Режим доступа: https://gossortrf.ru/registry/ (дата обращения: 22.03.2024).}

^{2 Программа Северо-Кавказского центра по селекции плодовых, ягодных, цветочно-декоративных культур и винограда на период до 2030 года / Северо-Кавказский зональный научно-исследовательский институт садоводства и виноградарства РАСХН. Краснодар : Северо-Кавказский федеральный научный центр садоводства, виноградарства, виноделия, 2013. 202 с.}

About the authors

Elena V. Ulianovskaya

North Caucasian Federal Scientific Center of Horticulture

Author for correspondence.
Email: ulyanovskaya_e@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3987-7363
SPIN-code: 5577-5173

доктор сельскохозяйственных наук, заведующая лабораторией сортоизучения и селекции садовых культур

Krasnodar, Russian Federation

Tatyana V. Chernutskaya

North Caucasian Federal Scientific Center of Horticulture

Email: ev.belenko95@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-5140-9891
SPIN-code: 2219-0777

младший научный сотрудник лаборатории сортоизучения и селекции садовых культур

Krasnodar, Russian Federation

Evgeniya A. Bogdanovich

North Caucasian Federal Scientific Center of Horticulture

Email: tatyanka-bogdanovich@mail.ru
ORCID iD: 0009-0009-9677-9891
SPIN-code: 7519-3784

кандидат сельскохозяйственных наук, старший научный сотрудник лаборатории сортоизучения и селекции садовых культур

Krasnodar, Russian Federation

Sergey V. Tokmakov

North Caucasian Federal Scientific Center of Horticulture

Email: ad-a-m@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-2092-7757
SPIN-code: 3196-9049

кандидат биологических наук, заведующий селекционно-биотехнологической лабораторией

Krasnodar, Russian Federation

Ilya V. Stepanov

North Caucasian Federal Scientific Center of Horticulture

Email: ivstepanof@gmail.com
ORCID iD: 0000-0002-6251-300X
SPIN-code: 3968-1982

младший научный сотрудник селекционно-биотехнологической лаборатории

Krasnodar, Russian Federation

References

Supplementary files