Роль мировой коллекции ВИР в повышении эффективности

Роль мировой коллекции ВИР в повышении
эффективности отечественной селекции картофеля
Киру С.Д., д. б.н,
Костина Л.И., д.б.н,
Рогозина Е.В., канд. с.-х.н.,
Трускинов Э.В., д.б.н., к.с.х.н,
Чалая Н.А. м.н.с
Первые экспедиции по сбору генетических ресурсов картофеля были
организованы Н.И. Вавиловым в 1926-27 и 1933гг.
в Центральную и Южную Америку.
С.М. Букасов, С.В. Юзепчук и Н.И.Вавилов провели важнейшие в
истории биологической науки обследования и сборы картофеля и
его диких родичей в Мексике, США, Гватемале, Эквадоре, Колумбии,
Перу, Боливии, Чили, Бразилии, Аргентине и Уругвае
Н.И. Вавилов
С.М. Букасов
С.В. Юзепчук
Уже первые результаты изучения коллекции картофеля,
собранной
этими
экспедициями,
внесли коренные
изменения в познание селекционной ценности, биологии и
происхождения этой культуры.
В результате исследований С.В. Юзепчука, С.М. Букасова и
В.С. Лехновича была составлена ботаническая и экологогеографическая классификация собранного материала,
выделено 60 ранее неизвестных дикорастущих и около 20
примитивных и культурных видов картофеля.
«…экспедиции русских ученых
явились началом новой эры
в изучении и использовании
гермоплазмы картофеля…»
«… Русские произвели настоящую
революцию в селекции картофеля
после экспедиций в Южную и
Центральную Америку…»
Джек Хокс
1915-2007
После второй мировой войны еще в 25 экспедициях ВИР в
Латинской Америке были собрано
более 2,5 тысяч образцов
дикорастущих и культурных видов рода Solanum
Мировая коллекция картофеля ВИР сегодня
(8570 обр.)
Селекционные сорта
Дикорастущие виды (172)
Культурные виды (8)
Аборигенные сорта Чили
Дигаплоиды и межвидовые гибриды
2 120
2 640
3 180
130
500
Уже
в
самом
начале
изучения
первых
интродуцированных в результате экспедиций образцов
диких и культурных видов картофеля стало ясно, что
использовать в гибридизации их нелегко. Это было связано
с различной плоидностью и фертильностью пыльцы и
другими биологическими различиями видов.
Первыми, кто изучал скрещиваемость интродуцированных
видов картофеля, были Т.Г. Нестерович и Г.М. Коваленко.
Ими были получены первые в ВИРе межвидовые гибриды
картофеля. Они обладали устойчивостью к заморозкам
Исследование обширного материала, собранного
экспедициями С.М. Букасова, С.В. Юзепчука, Н.И.
Вавилова, П.М. Жуковского, открыло широкие
перспективы для решения многих проблем селекции.
Н.И. Вавилов: «…. успех селекционной работы в
значительной мере определяется наличием исходного
материала.»
Один из самых крупных вкладов в изучение
генетического
разнообразия
мировой
коллекции ВИР и ее использование в
отечественной селекции внес профессор
А.Я. Камераз. Он посвятил всю свою жизнь
этой работе.
Среди
огромного
генетического
разнообразия
картофеля
с
этого
континента,
им
были
выделены
многочисленные источники устойчивости
картофеля к таким вредоносным, патогенам
как возбудитель рака, фитофтороза.
На основе его гибридов отечественное
картофелеводство получило новые сорта
Камераз
1,
Волховский,
Пушкинский,
Богатырь, Искра, Матвеевский, Пионер,
Рубин,
Сумской,
Дальневосточный,
Хабаровский, Прилукский, Детскосельский
и др
Основным направлением селекции картофеля
А.Я. Камераз считал межвидовую гибридизацию. Он
подчеркивал, что только за счет нее можно добиться
устойчивости к наиболее опасным болезням и
вредителям.
Накопленный им материал по результатам
изучения коллекции в виде генетических источников
устойчивости позволил ему не только получить
ценный исходный материал для селекции, но и
разработать
методику
современной
селекции
картофеля, которую до сих пор используют
селекционные учреждения не только нашей страны,
но и ближних зарубежных стран.
Написанная им в соавторстве с С.М. Букасовым
книга «Селекция и семеноводство картофеля» и в
настоящее время служит настольной книгой каждого
селекционера.
В 70-е. 80-е гг. в ВИРе были проведены важные исследования по
созданию гибридов от скрещивания селекционных сортов с
различными видами и гибридами между ними. Н.А. Житловой на
основе устойчивых образцов видов S. simplicifoium и S. verrucosum
были созданы гибриды, сочетающие устойчивость к фитофторозу,
вирусу Y и раннеспелость.
Благодаря использованию этих и других гибридов
белорусскими селекционерами были получены новые сорта
картофеля.
Разработанные А.Я. Камеразом, Н.А. Житловой, К.З. Будиным и
Т.И. Соболевой методы межвидовой гибридизации с применением
полиплоидизации и гаплоидизации были приняты на вооружение
селекционерами и успешно используются ими до сих пор.
В 1980-е годы, под руководством академика К.З. Будина было
создано немало сложных межвидовых гибридов, обладающих
высокой устойчивостью к вирусам, фитофторозу и картофельной
нематоде в сочетании с высокой продуктивностью . Еще раз была
доказана целесообразность использования диких видов как
доноров устойчивости, а также доказана возможность сохранения и
передачи этой устойчивости при последующих беккроссах или при
самоопылении.
В последние два десятилетия в отделе
клубнеплодов значительно расширилась работа и ее
методы поиска и выделения из коллекции и создания
исходного
материала
для
селекции
картофеля
различных направлений.
Ежегодно изучаются сотни образцов диких и
культурных видов, гибридных комбинаций межвидовой
гибридизации с вовлечением в них новых источников
ценных признаков, необходимых для использования в
селекционных программах.
Прошедшие комплексное изучение и отбор
сложные
межвидовые
гибриды,
обладающие
донорскими свойствами, передаются селекционерам.
К
числу
наиболее
вредоносных
и
широко
распространенных
заболеваний
картофеля
относится
фитофтороз, возбудитель - оомицет Phytophthora infestans (Mont.)
de Bary. Большинство возделываемых в России сортов
недобирают от поражения фитофторозом в среднем 15-20%
потенциального урожая, у восприимчивых сортов в годы
эпифитотийного развития болезни, потери могут достигать 50% и
больше.
Для
семеноводства картофеля
опасны
вирусные
заболевания. Наиболее часто на посадках картофеля встречается
вирус Y, ущерб от которого в годы эпифитотий может достигать
60-80%.
Возбудитель рака картофеля (Synchytrium endobioticum
(Schilb.) Percival) и золотистая картофельная нематода (Globodera
rostochiensis (Woll.) Behrens.) являются объектами карантинного
надзора на территории РФ.
Поэтому, основным направленияем в отечественной
селекции остается создание сортов, сочетающих высокую
продуктивность
и
другие
агрономические
качества
с
устойчивостью к аиболее вредоносным патогенам
Структурные и качественные изменения в агрофитоценозах
обуславливают
необходимость
создания
новых
сортов
картофеля, устойчивых к абиотическим и биотическим факторам
среды. Наиболее рациональным способом борьбы с вредными
организмами является генетическая защита культуры.
Источником устойчивости картофеля к широкому кругу
вредных организмов являются дикорастущие виды секции
Petota Dumort. Solanum L, но в селекции использовано
небольшое
число
источников
ценных
признаков
и
идентифицированных генов устойчивости.
Известно, что генетическая однородность культуры
приводит
к
нарушениям
популяционного
гомеостаза
фитопатогенов и способствует массовому размножению
вредных организмов. Дальнейшее развитие селекционного
процесса должно быть связано с расширением генетического
разнообразия исходного материала и систематическим его
обновлением.
Необходимо постоянно использовать новые источники
ценных признаков из числа диких и примитивных видов
картофеля
SCAR- маркеры, разработанные на основе R1, RB-генов
устойчивости к фитофторозу и Ry and гена устойчивости к
Y-вирусу картофеля, в сочетании с фитопатологическим и
гибридологическим анализом являются полезным
инструментом для изучения генетического разнообразия и
селекционной ценности диких сородичей.
ВИР проводит совместные исследования с ВНИИСХБ по
использованию SCAR- маркеров для определения генов
устойчивости у образцов диких видов и гибридов с ними
В пределах секции Petota в настоящее время различают
от 100 до более 210 видов дикорастущего картофеля,
сгруппированных в 19 – 32 серии (Hawkes 1990, Горбатенко 1990,
Spooner 2009).
Около 70 новых видов обнаружено в труднодоступных
районах Южной и Северной Америки в 80-х годах XX столетия
(Ochoa 1990, 2004).
Морфологическое разнообразие форм видов картофеля
Согласно опубликованным родословным при создании
российских и зарубежных сортов картофеля использовано не
более 28 диких видов секции Petota рода Solanum:
8 видов Североамериканского генцентра:
S. demissum, S.× semidemissum, S. fendleri, S. polytrichon,
S. stoloniferum, S.×vallis-mexici, S. bulbocastanum, S. verrucosum
и
20 видов Южноамериканского происхождения:
S. chacoense, S. commersonii, S. acaule, S. megistacrilobum,
S. raphanifolium, S. infundibuliforme, S. spegazzinii, S. famatinae, S.
kurtzianum, S. vernei, S. bukasovii, S. catarthrum, S. gourlayi, S.
leptophyes, S. multidissectum, S. berthaultii, S. microdontum, S.
simplicifolium, S. maglia, S. leptostigma
Для повышения эффективности и ускорения процесса
создания нового сорта в некоторых Европейских странах и
США разработана и тестируется технология маркервспомогательного отбора - MAS (marker-assisted selection),
призванная усовершенствовать работу по выявлению ценных
экземпляров,
посредством
отбора
нужных
генотипов
независимо от времени года и стадии развития растения.
Созданы ДНК-маркеры различного типа (RLFP, AFLP, RAPD,
STS),
фланкирующие
локусы
генов
качественной
и
количественной устойчивости картофеля к патогенам разной
специализации (Gebhardt et al. 2007, Milbourne et al. 2007, Simko
et al. 2007).
В мире уже есть опыт использования метода ПЦР для
отбора сортов и селекционных клонов с генами устойчивости
к фитофторозу, Y-вирусу, золотистой нематоде патотипа
Ro1(Gebhardt et al. 2004, 2006, Бекетова, Хавкин 2006, Biryukova
et al. 2008, Ермишин и др. 2010).
Обоснована
целесообразность
использования
MAS
технологии на стадии предселекции (создания исходного
материала), что позволит ускорить процесс интрогрессии генов
диких сородичей в картофель культурного типа (Milbourne et al.
2007).
ОЦЕНКА УСТОЙЧИВОСТИ
К ПАТОГЕНАМ
Ежегодно сотрудники ВИР совместно с отделом
иммунитета ВИЗР лабораторно-полевым
методом
оценивают больше сотни образцов диких и
культурных видов картофеля на устойчивость к
грибным,
вирусным
болезням
и
золотистой
картофельной нематоде G. rostochiensis Woll.
УСТОЙЧИВОСТЬ К ФИТОФТОРОЗУ
За последние годы
наряду с уже известными видами S. berthaultii, S.
bulbocastanum, S. demissum, S. fendlerii, S. medians, S.
microdontum, S. michoacanum, S. pinnatisectum, S. polyadenium,
S. polytrichon, богатыми устойчивыми к фитофторозу формами
выявлены виды, среди образцов которых устойчивые формы
ранее не находили
или еще их не изучали:
S. alandiae, S. albicans, S. brachistotrichum S. cardiophyllum,
S. dodsii, S. hougasii, S. okadae
S. guerreroense, S. hannemanii, S. hjertingii, S. jamesii, S. maglia, S.
multiinterruptum, S. neocardenasii, S. oxycarpum, S. trifidum, S.
vidaurrei.
S.albicans
S.cardiophyllum
S.hougasii
S.hannemanii
S. alandiae
S.okadae
S.doddsii
S. hjertingii
S. maglia
S. oxicarpum
S. trifidum
S. neocardenasii
Отдельно следует отметить высокую устойчивость клубней к
фитофторозу выделенных образцов S. cardiophylum (К-16828,
К-10456) и S. ocadae К-20177,
а также некоторых образцов видов S. albicans, S. ambosinum,
S. arrac-papa, S. brachistotricum, S. fendlerii, S. hougasii,
S. papita, S. parodii, S. piuranum
S. albicans,
S. ambosinum
S.papita
Для селекции на устойчивость к фитофторозу выделены
перспективные высокоустойчивые к заболеванию образцы видов
S. avilesii, S. alandiae, S. okadae, S. multidissectum
S. multidissectum
S. alandiae
S.okadae
Особую селекционную ценность среди изученных
южноамериканских видов секции Petota имеют виды S. alandiae,
S. okadae, при использовании которых уже в первом поколении
межвидовых гибридов возможен отбор хозяйственно-ценных
форм сочетающих полезные признаки дикого и культурного
картофеля.
Высокая полевая устойчивость к фитотфорозу
Южноамериканские виды:
S. albornozii, S. avilesii,
S. brachycarpum,
S. capsicibaccatum, S. immite, S. microdontum,
S. ruiz-ceballosii, S. vernei
Североамериканскиe:
S. demissum, S. bulbocastanum, S. hougasii,
S. papita,
S. pinnatisectum, S. polyadenium,
S. polytrichon,
S. stoloniferum, S. verrucosum
Сочетают устойчивость к фитофторозу листьев и клубней:
oтдельные образцы
S. berthaultii S. cardiophyllum
S. neoantipovichii S. ruiz-ceballosii
Cелекционные сорта - источники горизонтальной
устойчивости к фитофторозу:
Аврора, Аспия, Лукьяновский, Находка, Никулинский,
Раменский, Удача, Чародей (Россия);
Здабыток, Сузорье, (Беларусь)
Зарево, Луговской, Лыбидь, Свитанок киевский,
Червона рута (Украина)
Baszta, Dunajec, Grot, Jantar, Klepa, Koga, Lawina,
Meduza, Omulev, Triada, Vistula (Польша),
Clarissa (Германия)
устойчивость сеянцев
Астра 82 %
Clarissa 82%.
Свитанок киевский 43 %
ИСТОЧНИКИ УСТОЙЧИВОСТИ
К ВИРУСАМ КАРТОФЕЛЯ
В результате проведенных за последние годы совместных
исследований сотрудников ВИР и Всероссийского НИИ защиты
растений из коллекции диких видов удалось выделить новые
генетические источники устойчивости к отдельным вирусам
картофеля.
Так, высокую устойчивость к вирусу Х показали некоторые, ранее
неизученные образцы видов:
S. acaule, S. bulbocastanum, S. microdontum, S. chacoense,
S. demissum, S. fendlerii, S. cardiophylum, S. jamesii.
S. demissum
S. fendleri
S. bulbocastanum
S. jamesii
Новые источники устойчивости
выделены среди образцов:
S. acaule, S. berthaultii, S. demissum, S. polytrichon,
S. pinnatisectum и S. guerreroense.
Выделенные образцы обладают одновременно
устойчивостью - к вирусу X и фитофторозу
Было выявлено также , что образец
к-18407 S. guerreroense
обладает устойчивостью сразу
ко всем трем штаммам вируса Y.
Оценка устойчивости к вирусу Y позволила выделить
высокоустойчивые образцы у видов
S. chacoense, S. demissum S. dolychostigma,
S. guerreroense, S. michoacanum, S. neoantipovitczii,
S. pinnatisectum, S. stoloniferum, S. polytrichon.
Устойчивость к трем штаммам вируса Y (PVY) выявлена у
образцов
S. neoantipovichii К-8505, S. chacoense К-4236,
S. dolichostigma К-7610, S. pinnatisectum К-4459,
S. polytrichon К-5347, К-5682.
Многие из выделенных вирусоустойчивых
образцов сочетают этот признак с устойчивостью и к
другим патогенам.
Так, у образца S. dolichostigma К-7610 Buk. была
выявлена высокая полевая устойчивостью к
колорадскому жуку.
Сочетание устойчивости к PVY и фитофторозу
было обнаружено у образцов S. stoloniferum К-2534, К-3326,
К-3527, S. neoantipovichii К-8505, S. pinnatisectum К-4459 и S.
polytrichon К-5347.
Образец S. stoloniferum К-3326 сочетал высокую
устойчивость к фитофторозу с устойчивостью к вирусу Y и
частичной устойчивостью к вирусу Х.
Для
селекции
на
устойчивость
вирусам
перспективны
характеризующиеся
крайней
устойчивостью к XВК образцы S. hondelmannii 20160,
S. vidaurrei 22961
и устойчивые к заражению YВК генотипы
S. multidissectum 21190, S. doddsii 20704.
УСТОЙЧИВОСТЬ К КАРТОФЕЛЬНОЙ
НЕМАТОДЕ (G. rostochiensis Woll)
Коллекция картофеля ВИР располагает исходным материалом
для селекции на устойчивость ко всем патотипам картофельной
нематоды. В качестве исходного материала рекомендуются такие
сорта, которые в половом потомстве максимально передают не
только гены устойчивости к нескольким патотипам, но и такие
агрономические признаки, как продуктивность, скороспелость,
содержание сухого вещества, вкусовые качества и др.
К подобным сортам относятся: устойчивые
к патотипу Ro1,2,3 – Allure, Amalfy, Belita, Cordia, Liseta,
Mara, Platina, Producent, Red Scarlett, Vebeca, Veenster;
к Ro1,2,3,4 – Amera, Elkana;
к Ro1,3,5 – Roeslau;
к Ro1,4,5 – Esta;
к Ro1,5 – Lyra, Wega;
к Ro1,2,3,5 – Fox, Hilta, Ute;
к Ro1-5 – Aiko, Arnika, Franzi, Miranda, Ponto;
к Ro1,2,4,5 – Turbo и др
Особый интерес представляют сорта, устойчивые к
двум видам нематоды G. rostochiensis и G. pallida:
Ro1, Pa2 – Maritima, Ramos;
Ro1, Pa3 – Drop;
Ro1,Pa1,3 – Vantage;
Ro1,5,Pa2 – Heidrun;
Ro1,2,5,Pa2 – Benol;
Ro1,3,4,Pa2 – Danva;
Ro1-3, Pa2 – Karida, Karnico, Pansta;
Ro1-3, Pa2,3 – Kantara;
Ro1-4, Pa2 – Atrela, Elles, Producent, Promesse, Sante;
Ro1,2,3,5,Pa2 – Tanja;
Ro1-5,Pa2 – Darwina, Proton.
Выделенные из коллекции сорта ценны и тем, что они сочетают
устойчивость к нематоде с другими хозяйственно ценными
признаками (высокой продуктивностью, устойчивостью к
вирусным болезням или фитофторозу).
Установлено, что у сортов картофеля
Alcmaria, Gitte, Granola, Provita, Quarta,
Sagitta и гибрида из Нидерланд SVP(VTn)2 6233-3 до 60% сеянцев от самоопыления
обладают устойчивостью к этому патогену.
Эти
сорта,
обладающие
донорскими
свойствами по устойчивости картофельной
нематоде,
рекомендуются
в
качестве
исходного материала для селекции.
Новые источники
устойчивости к нематоде
среди дикорастущих видов
S. alandiae
S. doddsii
S. multiinterruptum
S.dolichostigma
S.gandarillasii
S.yungasense
Проведенная за последние годы оценка 76 образцов 38 диких
видов картофеля позволила выявить у 28 образцов 17 видов
генотипы, обладающие высокой устойчивостью к патотипу Ro1
G. rostochiensis.
Виды S.alandiae, S.chacoense,S.dolichostigma,
S.multiinterruptum S.velardei, S.hypocrartrum, S.mochiquense,
S.doddsii, S.yungasense, S.immite, S.pampasense, S.medians,
S.michoacanum - изучались впервые.
В результате у образцов видов S. alandiae (К-19443, К 19956, К -20408, К -21240), S. doddsii (К -19817), S.dolichostigma (К 7613), S. multiinterruptum (К -18809) и S. yungasense (К -2820)
были выделены устойчивые растения
.
Изучена скрещиваемость 19 южноамериканских диких видов
серии Bukasoviana: S. abancayense, S. alandiae, S. ambosinum, S.
avilesii, S. doddsii, S. famatinae, S. hondelmannii, S. incamayoense, S.
marinasense, S. multidissectum, S. multiinterruptum, S. okadae, S.
oplocense, S. pampasense,S. sucrense, S. vidaurrei, S. ugentii, S.
venturii и серии Simpliciora: S. gandarillasii с дигаплоидами сортов
картофеля и видом посредником - S. chacoense.
Показана возможность использования вида S. chacoense для
привлечения в селекцию генетического материала
нескрещиваемых с культурным картофелем видов S. gandarillasii,
S. okadae.
Впервые с участием видов S. alandiae, S. okadae созданы
гибриды – источники и доноры признака устойчивости к нематоде
и фитофторозу.
Ценный
исходный
материал
и
доноры
устойчивости к фитофторозу и золотистой
нематоде патотипа Ro1 созданы на основе вида S.
alandiae; устойчивости к золотистой нематоде
патотипа Ro1 и Y-вирусу картофеля – на основе
вида S. okadae
В результате многолетней комплексной
оценки сложных межвидовых гибридов,
созданных в ВИРе за последние годы
выделены 4 межвидовых гибрида – донора
ценных признаков.
99-6-6 - донор устойчивости к патотипу
Ro1 цистообразующей нематоды
G. rostochiensis Woll. (2007г.)
99-8-1 - донор крайней устойчивости
к вирусу Y.
(2008г.)
24-1 - донор устойчивости к патотипу
Ro1 цистообразующей нематоды
G. rostochiensis Woll. (2010г.)
8-1-04 – донор устойчивости к Y- вирусу
картофеля
(2011г.)
В поколении F1 Atzimba x S. alandiae отобрано 5 клонов,
сочетающих устойчивость к фитофторозу с комплексом
хозяйственно ценных признаков,
из них - 3 клона обладают также устойчивостью
к нематоде.
Спасибо
за внимание !