Введение к работе
Актуальность проблемы. Картофель (Solarium tuberosum L.) является четвертой по значению продовольственной культурой в мире. Ежегодно значительная часть урожая картофеля теряется из-за фитофтороза, болезни, вызываемой оомицетом Phytophthora infestans (Mont.) de Вагу (Fry, 2008; Gra-enwald and Flier, 2005; Haverkort et al., 2009).
Начиная со второй трети XX века, для борьбы с фитофторозом использовали R гены устойчивости, перенесенные из дикорастущего вида Solarium demissum Lindl. Для идентификации R генов S. demissum в растениях картофеля применяются фитопатологические методы, основанные на наборе простых рас P. infestans. Этот метод позволяет идентифицировать R гены, однако не дает представления об их строении и полиморфизме, а также неудобен для массового скрининга растений.
Важную роль в исследовании расоспецифичных генов устойчивости к фитофторозу (за ними сохраняется название R генов) и создании устойчивых сортов картофеля сыграло использование молекулярных маркеров (marker-assisted selection). Вслед за картированием локусов устойчивости, соответствующих R генам, Gebhardt et al. (Ballvora et al., 2002; Gebhardt et al., 2004) охарактеризовали последовательность гена Rl, а затем создали на основе этой последовательности простой метод выявления данного гена с помощью полимеразной цепной реакции (ГЩР). Этот и другие специфичные SCAR (sequence characterized amplified region) маркеры, созданные на основе нуклео-тидных последовательностей R генов, удобны в работе и дают один сигнал амплификации. Использование молекулярных маркеров позволяет быстро обследовать большие выборки растений, что дает существенные преимущества по сравнению с традиционными фитопатологическими методами определения R генов. С помощью SCAR маркеров R генов можно выявить потенциальные доноры генов устойчивости в генетических коллекциях, облегчить
отбор устойчивых растений в расщепляющихся популяциях и определить, сохранились ли гены устойчивости после многократных скрещиваний и в процессе многолетнего культивирования сортов картофеля. Использование этой технологии позволяет идентифицировать у культурных и дикорастущих форм Solanum секции Petota не только уже охарактеризованные R гены устойчивости к фитофторозу, но и их структурные гомологи с еще неизвестными функциями.
Таким образом, изучение полиморфизма R генов и их гомологов у сортов картофеля и дикорастущих клубненосных видов Solanum и создание на основе данного полиморфизма ДНК маркеров устойчивости картофеля к фитофторозу является актуальной задачей, решение которой облегчит и ускорит создание новых сортов картофеля.
Цель и задачи исследования
Цель работы - создание ДНК-маркеров генов устойчивости к фитофторозу картофеля, анализ связи между присутствием R генов и фенотипической устойчивостью сортов и гибридов картофеля к фитофторозу и изучение распространения гомологов R генов S. demissum за пределами этого вида.
Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
Сравнительное изучение первичной структуры R генов устойчивости к фитофторозу и их структурных гомологов у картофеля и дикорастущих форм Solanum секции Petota.
Создание высокоспецифичных SCAR маркеров генов устойчивости к фитофторозу на примере R1 и R3a генов и верификация этих маркеров.
Определение связи между присутствием R генов и фенотипической устойчивостью сортов картофеля к фитофторозу.
Изучение распространения структурных гомологов R генов за пределами S. demissum - вида, наиболее часто используемого в качестве источ-
ника признака устойчивости к фитофторозу, для поиска новых источников устойчивости.
5. Сравнительный структурный анализ R генов-прототипов и их гомологов из дикорастущих видов Solarium секции Petota.
Научная новизна результатов
Создана новая серия специфичных SCAR маркеров, обеспечивающих распознавание генов R1 и R3a.
Впервые установлена значимая связь между присутствием SCAR-маркеров R генов у отечественных и зарубежных сортов картофеля и их фенотипической устойчивостью к фитофторозу в полевых и лабораторных испытаниях.
3. Впервые обнаружены и идентифицированы на основании первичного
строения гомологи генов R1 и R3a у дикорастущих видов Solarium сек
ции Petota за пределами вида S. demissum, в котором они были исходно
описаны.
Практическая значимость работы
Создан эффективный инструмент для интрогрессивной селекции картофеля: высокоспецифичные SCAR-маркеры R генов устойчивости картофеля к фитофторозу - и проведена верификация этих маркеров.
На больших выборках сортов и гибридов картофеля показана возможность использования маркеров R генов для предварительного отбора устойчивых к фитофторозу растений, перспективных для дальнейшей оценки.
3. Расширен функциональный набор ДНК-маркеров, позволяющих вести поиск потенциальных генов устойчивости в коллекциях дикорастущих сородичей картофеля.
Структура и объем диссертации
Диссертационная работа состоит из введения, глав «Обзор литературы», «Материалы и методы», «Результаты исследования и обсуждение» и «Заключение», выводов, практических рекомендаций и списка литературы, включающего 189 названий, 3 приложений. Работа изложена на 170 машинописных страницах, содержит 21 рисунок и 14 таблиц.
Публикации. По материалам диссертации опубликованы девять работ, семь из которых соответствуют перечню ВАК Минобрнауки РФ, в том числе три - в журналах Доклады РАСХН и Plant Genetic Resources.
Результаты исследования были доложены на Пятом Съезде Вави-ловского общества генетиков и селекционеров (Москва, 2009), на Всероссийской конференции «Использование мировых генетических ресурсов ВИР в создании сортов картофеля нового поколения» (Санкт-Петербург, 2009), The Second International Symposium "Genomics of Plant Genetic Resources" (Bologna, Italy, 2010); The 18th Triennial Conference of the European Association for Potato Research (Oulu, Finland, 2011); The 12th and 13th EuroBlight workshops (Arras, France, 2010; Санкт-Петербург, 2011).
