Статья Тима Мартинсона (Tim Martinson) и Брюса Рейша (Bruce Reisch), Корнельский университет (Cornell University), США.
Основной геном винограда и дешевое секвенирование ДНК: новая дорожная карта для селекционеров винограда.
Рисунок 1. Селекционеры из Корнелла и других научных учреждений определили несколько генов оидиума, которые они включают в новые сорта с целью последующего уменьшения количества опрыскиваний фунгицидами. Маркеры ДНК позволяют узнать, какие гены устойчивости имеют новые сеянцы, путем тестирования ткани листьев на стадии прорастания семян.
Те, кто знаком с Корнельской селекционной программой по винограду, знают, что она оказалась очень продуктивной в плане создания новых сортов.
С тех пор, как Брюс Рейш выпустил сорт Горизон в 1982 году, было еще несколько успешных сортов, включая Траминетт, Женева Ред (Geneva Red), Коро нуарl (Corot noir), Нуаре (Noiret), Валвин мускат (Valvin Muscat), Аромелла (Aromella) и Аранделл (Arandell). Справедливо сказать, что это были «иголки в стоге сена», которые отобрали в результате непрерывной циркуляции новых образцов (около 3000 сеянцев в год) в течение 15-20-летнего процесса сортоизучения и оценки.
Однако полностью понять лежащие в основе генетических особенности винограда, обеспечивающие устойчивый к болезням высококачественный столовый и винный виноград, пока не удается.
Выращивание винограда –дорогое удовольствие, и до недавнего времени извлечение основной генетической основы желательных свойств, таких как устойчивость к болезням и морозостойкость, было трудоемким и утомительным. Селекционеры кукурузы смогли производить тысячи гибридных растений каждый год и оценивать их в конце одного вегетационного периода. Этот (и несколько других приемов, таких как инбредные линии разведения) позволил им многое узнать о чертах и их наследовании, начиная с начала 1920-х годов. В результате урожайность кукурузы с 1930-х годов увеличилась в пять раз.
Селекционеры винограда могут проверять только около 2000 сеянцев в год, и должны постоянно отсеивать их до нескольких «элитных форм», которые они сохраняют в течение нескольких лет оценки. Низкое количество, медленный оборот и высокая стоимость сохранения сеянцев - вот три фактора, которые мешают генетикам и селекционерам винограда в определении наследования признаков и генов, ответственных за хозяйственно ценные качества.
Удешевление секвенирования ДНК меняет правила игры
Недорогое секвенирование ДНК, а также «полимеразная цепная реакция», или реакция ПЦР изменили ситуацию.
С 2007 года, по данным Национального института здравоохранения США, стоимость секвенирования генома человека упала с 10 миллионов до 1000 долларов. Сейчас это в 10 000 раз дешевле, чем было десять лет назад. Секвенирование одного миллиона пар оснований ДНК сейчас стоит около 1,2 цента - по сравнению с 500 долларами в 2007 году.
Это открыло возможности для селекционеров винограда составить карту генома виноградной лозы и обнаружить маркеры ДНК, связанные с такими характеристиками, как устойчивость к болезням.
К 2010 году европейские исследователи опубликовали первый полный геном инбредной линии Пино нуар под названием «PN40024» - большое достижение и результат многомиллионных вложений в исследования и нескольких лет усилий.
Эталонный геном PN40024 хорошо работал с генетикой чистого вида Vitis vinifera, но хуже - с североамериканскими видами винограда, которые являются источником многих признаков устойчивости к болезням и морозостойкости в селекционных программах по винограду. Проще говоря, маркеры из PN40024 не были информативными для североамериканских видов Vitis, используемых во многих селекционных программах.
Одна из причин этого заключается в том, что европейский вид Vitis vinifera отделился от североамериканских видов Vitis около 20 миллионов лет назад. Двадцать миллионов лет - это много времени для того, чтобы европейский вид сильно стал отличаться от североамериканских видов. Около 20 североамериканских видов и европейский Vitis можно распознать как виноградные лозы, и почти все они дают плодоносящие гибриды с европейским видом V. vinifera, но их геномы тем временем структурно перестроились.
Основной геном и переносимые маркеры
Это привело к тому, что ученые-генетики из Корнелла Ци Сун (Qi Sun), Ченг Цзоу (Cheng Zou) и постдок (закончивший докторантуру ученый) Ави Карн (Avi Karn) вместе с исследователями из Министерства сельского хозяйства США Лансом Кэдл-Дэвидсоном (Lance Cadle-Davidson) и Джейсоном Лондо (Jason Londo) секвенировали девять геномов североамериканских видов винограда и попытались выровнять «основной геном» (т. е. гены, кодирующие то, что делает виноград виноградом, а не апельсином), что у всех видов является общим с существующим эталонным геномом PN40024.
В результате у всех видов было около 10% общности. Используя последовательности «основного генома», команда смогла определить ДНК-маркеры, которые охватывают 19 хромосом (хорошее покрытие) и работают так же хорошо с американскими видами Vitis riparia и Vitis cinerea, как и с геномом Vitis vinifera PN40024.
Текущая ситуация
Теперь селекционеры имеют доступ к набору из 2000 ДНК-маркеров, более или менее равномерно расположенных по 19 хромосомам винограда, которые работают с разнообразием рода Vitis. Эта платформа маркеров позволяет им смотреть на семьи сеянцев, называемые картирующими популяциями, и определять, какую комбинацию маркеров имеет каждый сеянец. Подобно человеческим братьям и сестрам, эти виноградные «братья и сестры» двух разных родителей обладают разными комбинациями черт, полученных от каждого из родителей. Затем ученые могут узнать у этих «братьев и сестер», где в геноме находится генетический признак. И делать это по разумной цене около 10 долларов за сеянец.
Маркеры устойчивости к болезням и их использование
С 2000 года было идентифицировано несколько ДНК-маркеров устойчивости к оидиуму и милдью (см. Рисунок 2). Эти маркеры, обозначенные трехбуквенным кодом, включающим научное название патогена и число (например, Ren2 расшифровывается как Resistance to Erysiphe necator 2 для оидиума), легко идентифицируются с помощью простых тестов ДНК. На практике это позволяет селекционерам тестировать каждый сеянец, который они производят каждый год, и узнавать, какие гены устойчивости содержит каждый сеянец.
Рисунок 2. ДНК-маркеры устойчивости к оидиуму и милдью, открытые с 2000 года. Эти маркеры, обозначенные трехбуквенным сокращением и числом, теперь доступны селекционерам винограда для селекционной работы с помощью маркеров.
Вместо того, чтобы высаживать их в поле и искать естественные инфекции мучнистых рос (оидиума и милдью), селекционеры могут тестировать ткани и сразу отбраковывать те сеянцы, которые не содержат нужных им генов. Этот процесс, называемый отбором с помощью маркеров, позволяет селекционным программам заполнять конвейер виноградными лозами с известными характеристиками и экономить время, место и деньги.
Поскольку эти новые сорта накапливаются на участках селекционеров на протяжении многих лет, то инвестиции в тестирование, которые они делают сейчас, принесут растущие дивиденды в будущем.
Рисунок 3. Этот выделенный сеянец под селекционным номером 4427075 является недавно отобранным в селекционной программе винограда Корнелл-Женева. Он имеет два гена устойчивости к мучнистой росе (Run1 и Ren2) и один ген устойчивости к милдью (Rpv1). Скрещивание было произведено в 2014 году, и, хотя у нас еще нет результатов оценки виноматериалов, вкус ягод этого сеянца демонстрирует отсутствие привкуса дикого винограда (гибридных тонов) и присутствие приятных фруктовых ароматов. Урожай этого сеянца созревает в средние сроки.
В программе Брюса Рейша уже есть несколько вариантов с известной устойчивостью к оидиуму и милдью. Например, показанный на рисунке 3 новый сеянец под номером 4427075 с двумя маркерами устойчивости к оидиуму (Run1 и Ren2) и одним маркером устойчивости к милдью (Rpv1), выделенный в элиту в 2014 году и в настоящее время проходящий сортоизучение и дальнейший отбор.
Включение генов устойчивости к болезням в новые сорта принесет дивиденды производителям винограда во всем мире. Вместо того, чтобы опрыскивать такой сорт, как Шардоне по 10-14 раз за вегетацию, устойчивые к болезням сорта дают возможность сократить количество опрыскиваний до двух-трех. Экономические, экологические и социальные выгоды от потенциального 80% -ного сокращения опрыскивания фунгицидами по мере посадки этих новых сортов будут существенными.
Проект VitisGen2, возглавляемый Рейшем и ученым Министерства сельского хозяйства США Лансом Кэдл-Дэвидсоном, является общенациональным, финансируемым Инициативой исследований специальных культур Министерства сельского хозяйства США с участием ученых из Калифорнии, Миннесоты, Миссури, Северной Дакоты, Южной Дакоты и Нью-Йорка.
Его цель - обнаружить ДНК-маркеры, особенно те, которые связаны с устойчивостью к мучнистым росам и качеством ягод, чтобы селекционеры смогли использовать эти результаты для селекции новых сортов с помощью маркеров.
На сегодняшний день проект и его предшественник (VitisGen) обнаружили более 70 ДНК-маркеров желаемых признаков. Эти ДНК-маркеры предоставляют селекционерам план действий по выведению нового поколения более устойчивых и суперустойчивых сортов винограда будущего.
Об авторах:
Тим Мартинсон - старший научный сотрудник, Брюс Рейш - профессор селекции и генетики винограда в секции садоводства Корнельской школы интегративных наук о растениях (Cornell's School of Integrative Plant Sciences).
Оба работают в Cornell AgriTech в Женеве, штат Нью-Йорк.
Еще на эту тему:
Открытие генетических маркеров может облегчить работу селекционеров
В секторе столового виноградарства всё меняется кардинально
Ученые ищут генетические ключи, обуславливающие морозостойкость винограда
Отбор с помощью ДНК-маркеров увеличивает эффективность селекции
Определение сорта по ДНК
