Фото Красохиной С.И.
Основные тезисы
Североамериканские виды винограда генетически разнообразны, и в процессе эволюции они адаптировались к широкому спектру окружающей среды и воздействию патогенов.
Селекционеры винограда внедрили в производственное виноградарство некоторые популярные устойчивые к болезням гибриды и сорта, но биологическое разнообразие местных видов остается в значительной степени недостаточно использованным.
Исследователи скрестили виды винограда V. rupestris с V. riparia, чтобы идентифицировать экономически значимые геномные локусы, используя карту сцепления для определения локусов количественных признаков (QTL).
Ученые на листовых пластинках, зараженных патогеном милдью, идентифицировали основной QTL в 12,46 сМ на хромосоме 10 для материнской формы V. rupestris на интегрированной карте для естественно инфицированных растений и вторичный QTL, названный Rpv 28.2 (обеспечивающий 24,3% фенотипической дисперсии).
Идентификация этих QTL поможет селекционерам отобирать для использования в селекции более сильных родителей-кандидатов для гибридных скрещиваний, устойчивых к милдью.
Обоснование направления исследований
Выращивание винограда Vitis vinifera L. основано на использовании многочисленных фунгицидов, потенциально вредных для человека и окружающей среды. Возделывание сортов винограда, устойчивых к болезням, могут значительно сократить количество фунгицидов, используемых производителями.
Коренные местные виды дикого винограда Северной Америки, которые эволюционировали вместе с североамериканскими патогенами, были традиционным источником генов устойчивости винограда. Их генетическое разнообразие усиливает их устойчивость к грибковым и оомицетным заболеваниям (милдью является «ооцитарным» патогеном).
Подробнее об этом в этой статье: Почему милдью больше не считается грибковым заболеванием
На заре эпохи межвидовой селекции винограда, в конце XIX - начале XX века проводили направленные скрещивания между V. vinifera и североамериканскими устойчивыми видами винограда, ориентированные на выведение устойчивых к филлоксере и извести сортов (в Европе их стали называть «гибридами прямыми производителями») и подвоев. В мире есть несколько таких сортов, полученных при участии диких американских видов винограда, которые в настоящий момент используются для виноделия и в качестве подвоев. Эти сорта являются результатом ранних усилий по селекции винограда на устойчивость к болезням и филлоксере.
Читайте здесь: Винные сорта прохладного климата Онтарио
Современная селекционная работа также использует некоторое разнообразие устойчивости к болезням, доступное в диких видах Vitis, но в ней всегда есть место для новых открытий. Высокий уровень изменчивости лоз дикого винограда в Северной Америке предполагает большее генетическое разнообразие, чем сегодня используется в гибридных сортах для промышленного производства.
Недавним примером является получение устойчивости к болезни Пирса от использования в седекции V. arizonica (Riaz et al. 2009) и устойчивости оидиуму и милдью - от мускадинов Muscadina rotundifolia в коммерческих сортах (Feechan et al., 2013, Agurto et al. 2017).
В данной статье ученые описывают, как они построили карту сцепления и локус количественных признаков (QTL) в скрещивании F1 между видами Vitis rupestris и Vitis riparia. Эти родительские растения двух видов Vitis приспособлены к жизни в очень разных средах обитания.
V. rupetris (материнская форма) представляет собой раскидистую кустарниковую форму, встречающуюся на песчаных почвах, гравийных отмелях, пересыхающих прерывистых ручьях и каменистых почвах, то есть может хорошо расти на почвах с низким содержанием питательных веществ.
V. riparia (отцовская форма) — широко распространенная высокорослая плетущаяся лиана, произрастающая на влажных аллювиальных почвах с хорошим дренажем.
Ученые ожидали обнаружить большое разнообразие важных признаков у винограда и надеялись, что это скрещивание «… позволит картировать экономически значимые геномные локусы».
Ожидания ученых с лихвой оправдались, однако первый задокументированный признак был связан не с устойчивостью к окружающей среде, а с устойчивостью к болезням.
Читайте здесь: Новая дорожная карта для селекционеров винограда
Методы
Исследователи скрестили V. rupestris с ФЖТ цветками и V. riparia с мужскими цветками. Полученные семена F1 были выращены и посажены через несколько лет в лаборатории и нескольких питомниках: в Брукингсе, Южная Дакота; Колумбия, штат Миссури и Женева, Нью-Йорк. В общей сложности было проведен ДНК-анализ 357 полученных сеянцев с использованием генотипирования путем секвенирования для разработки генетических карт.
Сеянцы фенотипировали на устойчивость к милдью, вызываемой патогеном Plasmopora viticola ) еще в теплице путем визуальной оценки заболеваемости и степени тяжести милдью на листьях через 5 дней после заражения. Для определения вирулентности ученые использовали анализ листового пластинки полученного потомства F1, трех дополнительных виноградных лоз: Рипария глуар де Монпелье, Мускадиния ротундифолия и V. vinifera F2-35) и двух родителей популяции F1 (V. riparia P1588271 и V. rupestris P1588160).
На фото:
От A до E: степень устойчивости к милдью в анализе листовой пластинки на основе дескрипторов OIV 452-1. Панели A, B, C, D и E показывают примеры очень низкого, низкого, среднего, высокого и очень высокого уровня устойчивости, где 50 % или более, приблизительно 20 %, 10 %, менее 5 % и ни одна площадей листовой пластинки была покрыта спорангиофорами соответственно через 7 дней после инокуляции. Баллы, присвоенные уровням устойчивости, изображенным на панелях A, B, C, D и E, составили 1, 3, 5, 7 и 9 соответственно.
от F до H: Примеры листьев с различной степенью устойчивости у естественно зараженных горшечных растений в теплице. Устойчивость к болезням оценивали по десятибалльной шкале (от 0 до 9): F – очень низкий уровень устойчивости (0 баллов), поражение патогеном 50% и более листовой пластинки; G — устойчивость низкого уровня (3 балла), обширное поражение участков диаметром от 2 до 5 см; H - высокий уровень устойчивости (8 баллов), подавленный рост возбудителя с пятнышками, ограниченными диаметром <1 см. Поражение болезнью оценивали по площади спинной стороны листа, покрытой спорангифорами. Были сделаны фотографии брюшной стороны листа после того, как болезнь прошла, и пораженные участки листа были уничтожены патогеном.
Наконец, был проведен анализ локуса количественного признака (QTL) для выявления любых значимых ассоциаций между фенотипами, признаками и генетическими маркерами.
Результаты
Исследователи отфильтровали 348 888 генетических маркеров GBS до материнских и отцовских SNP-маркеров и разработали родительские генетические карты.
Анализы заражения агрессивным штаммом милдью под названием Plasmopara viticola MO-1 показали, что родители дикого винограда потомства F1 обладали более высокой устойчивостью к инфекции милдью, чем сорта V. vinifera.
Картирование QTL показало, что для материнского родителя V. rupestris для естественно инфицированных лоз признак устойчивости к милдью картирован с основным QTL на уровне 12,46 сантиморганов (сМ, мера последовательности ДНК) на хромосоме 10.
Близкий, но другой локус, аналогично на хромосоме 10, также был идентифицирован в анализах листовых пластинок. Вместе эти QTL объясняют 66,5% дисперсии устойчивых к заболеванию фенотипов и приводят к идентификации нового локуса устойчивости к милдью, названного «Rpv 28».
Выводы и практические соображения
По всей видимости, в этом исследовании только материнская форма (V. rupestris) внесла гены устойчивости к этому конкретному штамму милдью. Выбрав два устойчивых родителя виноградной лозы с устойчивостью в разных локусах, селекционеры могут получить потомство F1 с дополнительными возможностями устойчивости.
Использование более эффективной селекции с помощью маркеров будет полезно при разработке дополнительных маркеров, связанных с новым QTL - Rvp28. Изучение существующих хранилищ зародышевой плазмы виноградной лозы на предмет устойчивости к Rpv28 поможет для этого признака выявить дополнительный селекционный материал.
Дальнейшее изучение генетики и видов винограда V. rupestris и V. riparia будет полезно селекционерам, надеющимся смягчить воздействие изменения климата на культуры рода Vitis за счет использования существующих генетических адаптаций и видового разнообразия.
Дикий вид V. rupestris в настоящее время считается «находящимся под угрозой исчезновения» из-за потери среды обитания, что подчеркивает для будущего виноградарства важность и безотлагательность проведения дополнительных исследований.
Исследователи предположили, что в этой области также будет полезно иметь доступ к общей библиотеке генетических признаков, где ученые и производители могут рассматривать лучших родителей-кандидатов для достижения определенных признаков в скрещиваниях в своих селекционных программах.
