Фенотипический и молекулярно-генетический скрининг устойчивости образцов томата к фитофторозу

Актуальность. Фитофтороз томата, вызываемый Phytophthora infestans, в прохладных и влажных условиях среды может приводить к потере практически 100% урожая в условиях открытого грунта. При этом генетические особенности P. infestans позволяют со временем преодолевать генетическую устойчивость растений-хозяев, что требует от селекционеров искать новые гены устойчивости к фитофторозу и получать новые сорта, обладающие сразу несколькими генами устойчивости.

Цель. Фенотипический и молекулярно-генетический скрининг коллекции томата на устойчивость к P. infestans и оценка возможности использования молекулярных маркеров для маркер-опосредованной селекции.

Материалы и методы. Из коллекции Селекционной станции имени Н.Н. Тимофеева были получены 12 линий томата, что в общей сложности составило 335 растений, которые были высажены в условия искусственного инфекционного фона. 12 растений линии Кр6 были использованы для молекулярно-генетического скрининга с маркерами, ассоциированными с генами устойчивости паслёновых к фитофторозу Ph-3, R1, R3a.

Результаты. Фенотипическая оценка устойчивости томата к фитофторозу на искусственном инфекционном фоне выявила 1 линию без симптомов поражения заболеванием, 5 линий полностью пораженных фитофторозом, и 6 линий, в которых наблюдали расщепление по проявлению симптомов поражения. Молекулярно-генетическое исследование выявило, что устойчивые растения были гетерозиготами по гену Ph-3. Кроме того, большая часть исследованных растений имела ген R1, который, однако, при отсутствии гена Ph-3, не обеспечивал устойчивость растений к фитофторозу.

Заключение. В результате фенотипического и молекулярно-генетического скрининга генетической коллекции томата выявлены образцы-доноры устойчивости к фитофторозу томата для использования в селекции. Показана возможность использования ДНК-маркеров, ассоциированных с генами Ph-3 и R1, для маркер-опосредованного отбора. Кроме того, было подтверждено, что наличие двух генов устойчивости обеспечивает растениям томата более эффективную защиту от P. infestans.

1. Andrivon D. Biology, ecology and epidemiology of the potato late blight pathogen Phytophthora infestans in soil. Phytopathology. 1995;85:1053-1056.

2. Nowicki M., Foolad M.R., Nowakowska M., Kozik E.U. Potato and tomato late blight caused by Phytophthora infestans: an overview of pathology and resistance breeding. Plant Disease. 2012;96:1–17.

3. Chunwongse J., Chunwongse C., Black L., Hanson P. Molecular mapping of the Ph-3 gene for late blight resistance in tomato. J. Hort. Sci. Biotechnol. 2002;77:281–286.

4. Poudel A., Pandey M., Shah K., Acharya B., Shrestha J. Evaluation of fungicides for management of late blight (Phytophthora infestans) of potato. Agrica. 2020;9(1):10–17. https://doi.org/10.5958/2394-448X.2020.00004.8

5. Mazumdar P., Singh P., Kethiravan D., Ramathani I., Ramakrishnan N. Late blight in tomato: insights into the pathogenesis of the aggressive pathogen Phytophthora infestans and future research priorities. Planta. 2021;253:119. https://doi.org/10.1007/s00425-021-03636-x

6. Wang Y.Y., Chen C.H., Hoffmann A., Hsu Y.C., Lu S.F., Wang J.F., Hanson P. Evaluation of the Ph-3 gene specific marker developed for marker assisted selection of late blight resistant tomato. Plant Breeding. 2016; 135(5):636-642. https://doi.org/10.1111.pbr.12395

7. Khavkin E., Sokolova E., Beketova M., Pankin A., Kuznetsova M., Kozlovskaya I., Spiglazova S., Statsyuk N., Yashina I., Potato resistance to late blight as related to the R1 and R3 genes introgressed from S. demissum. In: Schepers HTAM (ed.) PPO-Special Report no. 14. Wageningen, DLO Foundation. 2010. pp. 231-238.

8. Sokolova E., Pankin A., Beketova M., Rogozina E., Kuznetsova M., Spiglazova S., Yashina I., Khavkin E. SCAR markers of the Rgenes and germplasm of wild Solanum species for breeding late blight-resistant potato cultivars. Plant Genetic Resources. 2011;9(2):309–312. https://doi.org/10.1017/S1479262111000347

9. Paluchowska P, ´Sliwka J, Yin Z. Late blight resistance genes in potato breeding. Planta. 2022;255(6):127.

10. Matson M.E.H., Liang Q., Lonardi S., Judelson H.S. Karyotype variation, spontaneous genome rearrangements affecting chemical insensitivity, and expression level polymorphisms in the plant pathogen Phytophthora infestans revealed using its first chromosome-scale assembly. PLoS Pathog. 2022;18(10):e1010869. https://doi.org/10.1371/journal.ppat.1010869

11. Merk H.L., Ashrafi H., Foolad M.R. Selective genotyping to identify late blight resistance genes in an accession of the tomato wild species Solanum pimpinellifolium. Euphytica. 2012;187(1):63–75. https://doi.org/10.1007/s10681-012-0729-6

12. Robbins M.D., Masud M.A.T., Panthee D.R., Gardner R.G., Francis D.M., Stevens M.R. Marker-assisted selection for coupling phase resistance to Tomato spotted wilt virus and Phytophthora infestans (late blight) in tomato. Hortic. Sci. 2010;45:1424–1428.

13. Doyle J. DNA Protocols for Plants. In: Hewitt, G.M., Johnston, A.W.B., Young, J.P.W. (Eds). Molecular Techniques in Taxonomy. Berlin, Heidelberg: Springer. 1991. 283-293. https://doi.org/10.1007/978-3-642-83962-7_18

14. Mullis K.B. The unusual origin of the polymerase chain reaction. Sci Am. 1990;262:56–61.

15. Ballvora A., Ercolano M.R., Weiss J., Meksem K., Bormann C.A., Oberhagemann P., Salamini F., Gebhardt C. The R1 gene for potato resistance to late blight (Phytophthora infestans) belongs to the leucine zipper/NBS/LRR class of plant resistance genes. Plant J. 2002;30(3):361-71. https://doi.org/10.1046/j.1365-313x.2001.01292.x

16. Huang, S., Van Der Vossen, E.A.G., Kuang, H., Vleeshouwers, V.G.A.A., Zhang, N., Borm, T.J.A., Van Eck, H.J., Baker, B., Jacobsen, E. and Visser, R.G.F. Comparative genomics enabled the isolation of the R3a late blight resistance gene in potato. The Plant Journal. 2005;42:251-261. https://doi.org/10.1111/j.1365313X.2005.02365.x

17. Hansona P., Lua S.-F., Wanga J.-F., Chena W., Kenyona L., Tana C.-W., Teeb K.L., Wanga Y.-Y., Hsua Y.-C., Schafleitnera R., Ledesmaa D., Yanga R.-Y. Conventional and molecular markerassisted selection and pyramiding of genes for multiple disease resistance in tomato. Scientia Horticulturae. 2016;201:346-354. https://doi.org/10.1016/j.scienta.2016.02.020

18. Shekasteband R., Hutton S.F., Scott J.W. Designing new DNA markers and determining the effective size of Ph-2 and Ph-3 introgressions for late blight resistance stacking purposes in tomato. TGC REPORT. 2015;65:22-31.