Программа ВитисГен2 (VitisGen2) идентифицирует более 70 генетических маркеров при селекции винограда.
Тим Мартинсон (Tim Martinson), старший специалист, Корнельский университет
Крейг Ледбеттер (Craig Ledbetter), исследователь-генетик, Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, Парлиер, Калифорния
Рейчел Нэгеле (Rachel Naegele), научный сотрудник, Служба сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США, Парлиер, Калифорния
Селекция в области столового виноградарства - как частная, так и государственная - демонстрирует в настоящее время выдающиеся результаты (Новые сорта винограда и их влияние на мировой рынок). Селекционеры обогатили отрасль большим количеством новых сортов, о чем регулярно сообщают научные сообщества и СМИ (Новые столовые сорта винограда, устойчивые к оидиуму, Три лучших запатентованных сорта Sun World).
Новые сорта помогают виноградарству как отрасли сельскохозяйственного производства адаптироваться к изменениям на рынке и новым тенденциям. В отличие от виноделов, селекционерам столового винограда не мешают такие «сортовые этикетки», как Шардоне или Каберне-Совиньон - названия, восходящие к XVII веку. Такого снобизма, как в виноделии, в столовом виноградарстве нет, потребители охотно принимают новые сорта столового винограда (Реакция потребителей на новые столовые сорта винограда).
Тем не менее, еще в недалеком прошлом селекционеры винограда работали практически вслепую. В отличие от селекционеров кукурузы или сои, которые имеют доступ к инбредным, генетически однородным линиям, чтобы целенаправленно прилагать свои усилия, селекционеры винограда должны использовать для скрещиваний очень генетически изменчивых (гетерозиготных) родителей.
Селекционеры кукурузы могут использовать генетические инструменты для оценки тысячного потомства на стадии посева, выбрать для посадки только особи с потенциально желательными признаками и оценить их в поле в течение нескольких месяцев. С виноградными же кустами цикл «от семени до семени» занимает минимум 2-3 года. И еще надо добавить минимум три года для полевой оценки урожайности и качества обычно, то есть первичное выделение перспективного сеянца (кандидата в сорта) занимает от 5 до 7 лет.
Таким образом, селекция винограда требует большого количества проб и ошибок - и ограниченного понимания генетической «иглы в стоге сена»: чтобы вывести новый сорт, который по-новому будет сочетать в себе желательные признаки, требуется много тысяч сеянцев, затраты на их рост и развитие и усилия, чтобы идентифицировать каждый новый сорт.
Секвенирование ДНК становится дешевле
Новые разработки в технологии секвенирования генома ДНК меняют сферу деятельности. Стоимость получения информации о последовательности ДНК резко упала – в настоящий момент стоимость секвенирования каждой мегабазы (а это 1 миллион пар оснований ДНК) теперь составляет чуть больше пенни (примерно 80 копеек) по сравнению с 500 долларами в 2007 году.
Удешевление получения данных о секвенировании ДНК предоставляет селекционерам больше информации, чтобы направленно проводить отбор в обычных, не связанных с генной модификацией (ГМО) селекционных программах.
Обратите внимание на то, что селекционеры винограда по-прежнему проводят скрещивания вручную в поле, ровно так же, как век назад: они берут пыльцу у одного из родителей и используют ее для оплодотворения прокастрированных цветков другого родителя. Помимо этого естественного процесса, никаких других генетических манипуляций не проводят.
То, что быстрое и недорогое секвенирование ДНК позволяет делать селекционерам - это идентифицировать ДНК-маркеры, которые связаны с желаемыми признаками сорта. Эти маркеры похожи на почтовые адреса, указывающие местоположения на карте 19 виноградных хромосом. При селекции винограда в зависимости от целей и задач селекционеров желаемыми признаками могут быть сочетание разных качеств — например, морозостойкость, бессемянность, мускатный аромат, хрустящая мякоть, устойчивость к болезням, размер ягод и др.
Как только они получат эти ДНК-маркеры, они смогут протестировать новые растения на стадии сеянцев и отбраковать те, у которых соответствующих маркеров нет, а значит, нет и необходимых признаков.
Этот метод, называемый отбор с помощью ДНК-маркеров, делает процесс селекции и последующего отбора намного более эффективным. Может казаться не критичным, но на самом деле это действительно важно. Каждый сеянец, высаженный в поле в гибридный питомник для последующей оценки, включает дополнительные расходы (3-4 года с момента посадки до начала плодоношения и минимум еще 3 года для первичного сортоизучения), поэтому, когда на выходе вы понимаете, что у этих сеянцев нет тех характеристик, которые вам нужны, то вы уже потеряли много времени и понесли затраты. А если с помощью отбора по ДНК-маркерам еще на стадии зеленого ростка (1-2 настоящих листьев сеянца, появившихся после посева семени) вы установили, что сеянец не соответствует вашей задаче, вы можете сразу его отбраковать и избежать затрат времени и средств на его оценку в течение нескольких лет. Тем самым также экономится место в гибридном питомнике, и требуется уже гораздо меньше площади земли под сортоизучение сеянцев.
ДНК-маркеры красного цвета ягод
Хорошим примером использования ДНК-маркеров является новая попытка лаборатории Министерства сельского хозяйства (USDA) в г.Парлиер (Parlier) найти ДНК-маркеры, отвечающие за цвет ягод. В рамках проекта VitisGen2, финансируемого USDA, селекционеры Крейг Ледбеттер и Рейчел Нэгеле работают над определением ДНК-маркеров, отвечающих за красный цвет кожицы ягод.
Чтобы сделать это, они скрестили плохо окрашивающийся сеянец (01-5024-10) с сортом, имеющим яркую красную окраску (Скарлет роял). В результате этого скрещивания в F2 было получено 300 сеянцев.
Рис. 1. Две родительские формы — с плохим окрашиванием у ягод (01-5024-10) и с ярко-красными ягодами (Скарлет роял) были скрещены между собой, чтобы составить «картографическую популяцию» из 300 уникальных сеянцев. Эта популяция будет использоваться для идентификации ДНК-маркеров красного цвета ягод.
Предполагается, что в новом сезоне, когда сеянцы заплодоносят, селекционеры получат разброс окраски ягод от очень плохого до очень хорошего. От каждого из этих 300 сеянцев исследователи будут брать образцы тканей и выявлять амплификации и последовательности сегментов ДНК, которые соответствуют различному местоположению среди 19 виноградных хромосом. Поскольку родители этих 300 сеянцев имеют сильную генетическую изменчивость (гетерозиготны), то каждый сеянец является дискретной величиной и представляет собой уникальную комбинацию генов. Сравнивая их, используя новую методологию тестирования под названием AmpSeq, исследователи смогут идентифицировать около 7000 коротких сегментов ДНК.
Рис 2. Образцы окрашенных ягод родительских форм 01 -5024-10 и Скарлет роял, от скрещивания которых получилась генетическая «картографическая популяция» в количестве 300 сеянцев, Центр сельскохозяйственных наук Сан-Хоакин-Вэлли в Парлиере, Калифорния. Числа на тарелках показывают процент окрашенных ягод.
В то же время методы визуализации позволят селекционерам количественно оценить цвет кожицы ягод в каждом из 300 сеянцев. Сопоставляя показатели цвета с ДНК-маркерами, они смогут идентифицировать генетические области, называемые «QTL» или «локусы количественных признаков», которые связаны с генами, влияющими на цвет кожицы ягод винограда.
Как только эти ДНК-маркеры, связанные с цветом, будут идентифицированы, станет возможным тестировать зеленые растения сеянцев вскоре после их прорастания и сохранять только те, которые имеют желаемые ДНК-маркеры. Это и называется отбор с помощью ДНК-маркеров, используя который становятся потенциально огромны экономия и повышение эффективности селекции. Генетические маркеры могут быть использованы на различных стадиях реализации селекционных программ: оптимизация сохранения генетических ресурсов (ампелографических коллекций), подбор родительских пар, идентификация желаемых аллелей и получение генотипов, накапливающих в себе такие аллели. Вместо того, чтобы тратить драгоценное место в питомнике и на винограднике, ждать 2-3 года, чтобы увидеть, является ли виноград желаемого цвета, селекционеры смогут принимать лучшее решение о том, что отбраковать, а что оставить, в гораздо более ранние сроки в селекционном процессе.
В рамках проекта VitisGen2 было выявлено более 70 генетических маркеров, отвечающих за признаки устойчивости к болезням и качества ягод. Когда эти маркеры станут доступны для коммерческих и общественных программ селекции, ожидайте качественного скачка в их способности уверенно включать полезные признаки в новые сорта - снижая стоимость селекции и отбора и помогая индустрии столового винограда поддерживать свою конкурентоспособность в ближайшие годы.
Данное исследование проведено USDA-NIFA Specialty Crop Research Initiative (Award No. 2017- 51181-26829). Оригинальный текст статьи опубликован в журнале American Vineyard Grape Grower&PCA, №3, 2019, перевод Красохиной С.И.
Еще читать на данную тему:
На программу по выведению лучших сортов выделено 9 млн долларов
Определение сорта по ДНК
Бессемянные сорта селекции IFG получили новые маркетинговые коды
Столовый виноград будущего
Новые селекционные разработки АРРА
