agronaukaАграрная наука Евро-Северо-ВостокаAgricultural Science Euro-North-East2072-90812500-1396FARC North-East10.30766/2072-9081.2022.23.6.777-787agronauka-1170Research ArticleОРИГИНАЛЬНЫЕ СТАТЬИ: РАСТЕНИЕВОДСТВООRIGINAL SCIENTIFIC ARTICLES: PLANT GROWINGМолекулярные маркеры как инструмент в селекции на устойчивость к Y-вирусу картофеляMolecular markers as tools in breeding for resistance to Potato Virus Yhttps://orcid.org/0000-0001-7521-6883БирюковаВ. А.BiryukovaV. A.

Бирюкова Виктория Александровна, кандидат биол. наук, зав. лабораторией молекулярных методов анализа генома

ул. Лорха, д. 23, литер В, д. п. Красково, г. Люберцы, Московская область, 140051

Victoria A. Biryukova, PhD in Biological Science, Head of the Laboratory of Molecular Methods for Genome Analysis

st. Lorkh 23 B, Kraskovo, Lyubertsy, Moscow region, 140051

vika_biryukova@inbox.ruhttps://orcid.org/0000-0002-7854-2526ЖароваВ. А.ZharovaV. A.

Жарова Вера Александровна, кандидат с.-х. наук, старший научный сотрудник отдела экспериментального генофонда картофеля

ул. Лорха, д. 23, литер В, д.п. Красково, г. Люберцы, Московская область, 140051

Vera A. Zharova, PhD in Agricultural Science, senior researcher, the Department of Experimental Potato Gene Pool

st. Lorkh 23 B, Kraskovo, Lyubertsy, Moscow region, 140051

coordinazia@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8515-7941ЧалаяН. А.ChalayaN. A.

Чалая Надежда Александровна, кандидат с.-х. наук, старший научный сотрудник

ул. Б. Морская, д. 42, 44, г. Санкт-Петербург, 190000

Nadezhda A. Chalaya, PhD in Agricultural Science, senior researcher

Bolshaya Morskaya str., 42-44, St. Petersburg, 190037

secretary@vir.nw.ruhttps://orcid.org/0000-0002-4727-7141ШмыгляИ. В.ShmyglyaI. V.

Шмыгля Ирина Валентиновна, старший научный сотрудник лаборатории молекулярных методов анализа генома

ул. Лорха, д. 23, литер В, д. п. Красково, г. Люберцы, Московская область, 140051

Irina V. Shmyglya, senior researcher, the Laboratory of Molecular Methods for Genome Analysis

st. Lorkh 23 B, Kraskovo, Lyubertsy, Moscow region, 140051

coordinazia@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2743-068XРогозинаЕ. В.RogozinaE. V.

Рогозина Елена Вячеславовна, доктор биол. наук, ведущий научный сотрудник

ул. Б. Морская, д. 42, 44, г. Санкт-Петербург, 190000

Elena V. Rogozina, DSc in Biological Science, leading researcher

Bolshaya Morskaya str., 42-44, St. Petersburg, 190037

secretary@vir.nw.ruФГБНУ «Федеральный исследовательский центр картофеля имени А. Г. Лорха»РоссияRussian Potato Research CentreRussian FederationФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н. И. Вавилова» (ВИР)РоссияFederal Research Center the N. I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources (VIR)Russian FederationФГБНУ «Федеральный исследовательский центр картофеля  имени А. Г. Лорха»РоссияRussian Potato Research CentreRussian Federation202219122022236777787Copyright © Бирюкова В.А., Жарова В.А., Чалая Н.А., Шмыгля И.В., Рогозина Е.В., 20222022Бирюкова В.А., Жарова В.А., Чалая Н.А., Шмыгля И.В., Рогозина Е.В.Biryukova V.A., Zharova V.A., Chalaya N.A., Shmyglya I.V., Rogozina E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://www.agronauka-sv.ru/jour/article/view/1170

Для картофеля, как вегетативно размножаемой культуры, Y-вирус (YВК) является экономически важным патогеном. Крайняя устойчивость ко всем штаммам YВК детерминируется Ry-генами, которые интрогрессированы в современные сорта картофеля от ограниченного числа источников устойчивости – Solanum stoloniferum Schlechtd. et Bche., Solanum andigenum Juz. et Buk., Solanum chacoense Bitt. Использование новых видов Solanum и межвидовых гибридов на их основе позволяет расширить существующий генофонд картофеля в селекции на устойчивость к YВК. Традиционная селекция на устойчивость к вирусам по-прежнему имеет большой потенциал, однако является длительным и трудоемким процессом. Для повышения эффективности в практическую селекцию широко интегрируются молекулярные маркеры, сцепленные с Ry-генами. Проведенные ранее исследования позволили выявить ряд недостатков при применении молекулярных маркеров Ry-генов. Для оценки прогностических способностей молекулярных маркеров RYSC3, М45, М6 гена Ryadg и YES3-3A гена Rysto устойчивости к YВК изучено поколение F1 двух популяций картофеля, в создании которых использовались межвидовые гибриды. Характер расщепления 5:3, полученный по фенотипу, показал, что исходные родительские формы могут являться источниками не только ранее выявленных, но и не идентифицированных Ry-генов, а также Ny-генов сверхчувствительности. Коэффициент корреляции между наличием маркеров и устойчивостью к YВК для YES3-3-маркера составил 0,64 (79 % совпадений), а для маркеров RYSC3, М45, М6 – 0,54 (76 % совпадений). Обнаружены случаи «ложноположительных» (наличие маркера в восприимчивых генотипах) результатов исследования, которые указывают на недостаточную эффективность используемых маркеров. Расщепление по маркерам, наблюдаемое в популяциях, соответствует хроматидному расщеплению, подтверждающему симплексный характер наследования Ry-генов от устойчивых родителей. Соотношение генотипов с присутствием/отсутствием маркеров составило 0,86:1.

Potato virus Y (PVY) is an economically important pathogen of potato as a vegetatively propagated crop. High resistance to all strains of PVY is determined by Ry-genes, which are introgressed into modern potato varieties from a limited number of sources of resistance ‒ Solanum stoloniferum Schlechtd. et Bche., Solanum andigenum Juz. et Buk., Solanum chacoense Bitt. Use of new species Solanum and interspecific hybrids based on them provides for the expansion of existing potato gene pool in breeding for resistance to PVY. Traditional breeding for resistance to viruses has still a great potential, though, it is a long and laborious process. Molecular markers linked to Ry-genes are widely integrated in order to increase the effectiveness of practical breeding. Previous studies have revealed a number of shortcomings in using the molecular markers of Ry-genes. To assess the predictive abilities of molecular markers RYSC3, M45, M6 of the Ryadg gene and YES3-3A of the Rysto gene for resistance to PVY, the F1 generation of two potato populations was studied, in the creation of which inter-specific hybrids were used. The nature of segregation 5:3 obtained by phenotype showed that the original parental forms can be the sources of not only previously identified, but also unidentified Ry-genes and Ny-genes of hypersensitivity. Correlation coefficient between the presence of markers and resistance to PVY was 0.64 for the YES3-3 marker (79 % matching) and 0.54 for RYSC3, М45, М6 markers (76 % matching). There have been revealed the cases of “false positive” results of the study (the presence of a marker in susceptible genotypes), which indicate to the insufficient effectiveness of the markers used. The marker segregation observed in the populations was consistent with chromatid segregation, confirming the simplex nature of Ry-genes inheritance from resistant parents. The ratio of genotypes with the presence/absence of markers was 0.86:1.

Solanum tuberosum L.гены устойчивостимаркер-вспомогательная селекциямолекулярные маркерыSolanum tuberosum L.resistance genesmarker-assistant selectionmolecular markersФенотипирование родительских форм и гибридных популяций выполнено при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Государственного задания ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н. И. Вавилова» (ВИР) (№ 0481-2022-0004). Генотипирование родительских форм и гибридных популяций выполнено при поддержке Минобрнауки РФ в рамках Государственного задания ФГБНУ «Федеральный исследовательский центр картофеля имени А. Г. Лорха» (FNRZ-2019-0002). Авторы благодарят рецензентов за их вклад в экспертную оценку этой работы.Phenotyping of parental lines and hybrid progenies was carried out under the support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the state assignment of the Federal Research Center the N. I. Vavilov All-Russian Institute of Plant Genetic Resources (VIR) (theme No.0481-2022-0004). Genotyping of parental lines and hybrid progenies was carried out under the support of the Ministry of Science and Higher Education of the Russian Federation within the state assignment of Russian Potato Research Center (theme No. FNRZ-2019-0002). The authors thank the reviewers for their contribution to the peer review of this work.ReferencesSong Y.-S., Schwarzfischer A. Development of STS markers for selection of extreme resistance (Ry sto ) to PVY and maternal pedigree analysis of extremely resistant cultivars. American Journal of Potato Research. 2008;85:159-170. DOI: https://doi.org/10.1007/s12230-008-9012-8Song Y.-S., Schwarzfischer A. Development of STS markers for selection of extreme resistance (Ry sto ) to PVY and maternal pedigree analysis of extremely resistant cultivars. American Journal of Potato Research. 2008;85:159-170. DOI: https://doi.org/10.1007/s12230-008-9012-8Valkonen J. P. T. Elucidation of virus-host interactions to enhance resistance breeding for control of virus diseases in potato. Breeding Science. 2015;65(1):69-76. DOI: https://doi.org/10.1270/jsbbs.65.69Valkonen J. P. T. Elucidation of virus-host interactions to enhance resistance breeding for control of virus diseases in potato. Breeding Science. 2015;65(1):69-76. DOI: https://doi.org/10.1270/jsbbs.65.69Бекетова М. П., Соколова Е. А., Рогозина Е. В., Кузнецова М. А., Хавкин Э. Е. Два ортолога гена R1 устойчивости к фитофторозу у дикорастущих и культурных форм картофеля. Физиология растений. 2017;64(5):372-382. DOI: https://doi.org/10.7868/S0015330317050025Beketova M. P., Sokolova E. A., Rogozina E. V., Kuznetsova M. A., Khavkin E. E. Two orthologs of late blight resistance gene r1 in wild and cultivated potato. Fiziologiya rasteniy. 2017;64(5):372-382. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.7868/S0015330317050025Гавриленко Т. А., Клименко Н. С., Алпатьева Н. В., Костина Л. И., Лебедева В. А., Евдокимова З. З., Апаликова О. В., Новикова Л. Ю., Антонова О. Ю. Генетическое разнообразие сортов картофеля российской селекции и стран ближнего зарубежья по типам цитоплазм. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2019;23(6):753-764. DOI: https://doi.org/10.18699/VJ19.534Gavrilenko T. A., Klimenko N. S., Alpatieva N. V., Kostina L. I., Lebedeva V. A., Evdokimova Z. Z., Apalikova O. V., Novikova L. Y., Antonova O. Yu. Cytoplasmic genetic diversity of potato varieties bred in Russia and FSU countries. Vavilov Journal of Genetics and Breeding. 2019;23(6):753-764. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.18699/VJ19.534Бирюкова В. А., Шмыгля И. В., Жарова В. А., Бекетова М. П., Рогозина Е. В., Митюшкин А. В., Мелёшин А. А. Молекулярные маркеры генов экстремальной устойчивости к Y вирусу картофеля в сортах и гибридах Solanum tuberosum L. Российская сельскохозяйственная наука. 2019;(5):17-22. DOI: https://doi.org/10.31857/S2500-26272019517-22Biryukova V. A., Shmiglya I. V., Zharova V. A., Beketova M. P., Rogozina E. V., Mityushkin A. V., Meleshin A. A. Molecular markers of genes for extreme resistance to potato virus y in varieties and hybrids Solanum tuberosum L. Rossiyskaya sel'skokhozyaystvennaya nauka. 2019;(5):17-22. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.31857/S2500-26272019517-22Slater A. T., Schultz L., Lombardi M., Rodoni B. C., Bottcher C., Cogan N. O. I., Forster J. W. Screening for Resistance to PVY in Australian Potato Germplasm. Genes. 2020;11(4):429. DOI: https://doi.org/10.3390/genes11040429Slater A. T., Schultz L., Lombardi M., Rodoni B. C., Bottcher C., Cogan N. O. I., Forster J. W. Screening for Resistance to PVY in Australian Potato Germplasm. Genes. 2020;11(4):429. DOI: https://doi.org/10.3390/genes11040429Kasai K., Morikawa Y., Sorri V. A., Valkonen J. P. T., Gebhardt C., Watanabe K. N. Development of SCAR markers to the PVY resistance gene Ryadg based on a common feature of plant disease resistance genes. Genome. 2000; 43(1):1-8. DOI: https://doi.org/10.1139/g99-092Kasai K., Morikawa Y., Sorri V. A., Valkonen J. P. T., Gebhardt C., Watanabe K. N. Development of SCAR markers to the PVY resistance gene Ryadg based on a common feature of plant disease resistance genes. Genome. 2000; 43(1):1-8. DOI: https://doi.org/10.1139/g99-092Sagredo B. D., Mathias R. M., Barrientos P. C., Acuña B. I., Kalazich B. J., Rojas J. S. Evaluation of a SCAR RYSC3 marker of the Ry adg gene to select resistant genotypes to potato virus Y (PVY) in the INIA potato breeding program. Chilean Journal of Agricultural Research. 2009;69(3):305-315. URL: https://scielo.conicyt.cl/pdf/chiljar/v69n3/at02.pdfSagredo B. D., Mathias R. M., Barrientos P. C., Acuña B. I., Kalazich B. J., Rojas J. S. Evaluation of a SCAR RYSC3 marker of the Ry adg gene to select resistant genotypes to potato virus Y (PVY) in the INIA potato breeding program. Chilean Journal of Agricultural Research. 2009;69(3):305-315. URL: https://scielo.conicyt.cl/pdf/chiljar/v69n3/at02.pdfOrtega F., Lopez-Vizcon C. Application of Molecular Marker-Assisted Selection (MAS) for Disease Resistance in a Practical Potato Breeding Programme. Potato Research. 2012;55:1-13 DOI: https://doi.org/10.1007/s11540-011-9202-5Ortega F., Lopez-Vizcon C. Application of Molecular Marker-Assisted Selection (MAS) for Disease Resistance in a Practical Potato Breeding Programme. Potato Research. 2012;55:1-13 DOI: https://doi.org/10.1007/s11540-011-9202-5Fulladolsa A. C., Navarro F. M., Kota R., Severson K., Palta J. P., Charkowski A. O. Application of Marker Assisted Selection for Potato Virus Y Resistance in the University of Wisconsin Potato Breeding Program. American Journal of Potato Research. 2015;92(3):444-450. DOI: https://doi.org/10.1007/s12230-015-9431-2Fulladolsa A. C., Navarro F. M., Kota R., Severson K., Palta J. P., Charkowski A. O. Application of Marker Assisted Selection for Potato Virus Y Resistance in the University of Wisconsin Potato Breeding Program. American Journal of Potato Research. 2015;92(3):444-450. DOI: https://doi.org/10.1007/s12230-015-9431-2Dalla Rizza M., Vilar F. L., Torres D. G., Maeso D. Detection of PVY Extreme Resistance Genes in Potato Germplasm from the Urnguayan Breeding Program. Amer J of Potato Res. 2006;83:297-304. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/BF02871590Dalla Rizza M., Vilar F. L., Torres D. G., Maeso D. Detection of PVY Extreme Resistance Genes in Potato Germplasm from the Urnguayan Breeding Program. Amer J of Potato Res. 2006;83:297-304. URL: https://link.springer.com/article/10.1007/BF02871590Ottoman R. J., Hane D. C., Brown C. R., Yilma S., James S. R., Mosley A. R., Crosslin J. M., Vales M. I. Validation and Implementation of Marker-Assisted Selection (MAS) for PVY Resistance (Ry adg gene) in a Tetraploid Potato Breeding Program. American Journal of Potato Research. 2009;86:304-314. DOI: https://doi.org/10.1007/s12230-009-9084-0Ottoman R. J., Hane D. C., Brown C. R., Yilma S., James S. R., Mosley A. R., Crosslin J. M., Vales M. I. Validation and Implementation of Marker-Assisted Selection (MAS) for PVY Resistance (Ry adg gene) in a Tetraploid Potato Breeding Program. American Journal of Potato Research. 2009;86:304-314. DOI: https://doi.org/10.1007/s12230-009-9084-0Lopez Pardo R., Barandalla L., Ritter E., de Galarreta J. I. R. Validation of molecular markers for pathogen resistance in potato. Plant Breeding. 2013;132(3):246-251. DOI: https://doi.org/10.1111/pbr.12062Lopez Pardo R., Barandalla L., Ritter E., de Galarreta J. I. R. Validation of molecular markers for pathogen resistance in potato. Plant Breeding. 2013;132(3):246-251. DOI: https://doi.org/10.1111/pbr.12062Herrera M. D. R., Vidalon L. J., Montenegro J. D., Riccio C., Guzman F., Bartolini I., Ghislain M. Molecular and genetic characterization of the Ry adg locus on chromosome XI from Andigena potatoes conferring extreme resistance to potato virus Y. Theoretical and Applied Genetics. 2018;131(9):1925-1938. DOI: https://doi.org/10.1007/s00122-018-3123-5Herrera M. D. R., Vidalon L. J., Montenegro J. D., Riccio C., Guzman F., Bartolini I., Ghislain M. Molecular and genetic characterization of the Ry adg locus on chromosome XI from Andigena potatoes conferring extreme resistance to potato virus Y. Theoretical and Applied Genetics. 2018;131(9):1925-1938. DOI: https://doi.org/10.1007/s00122-018-3123-5Gebhardt C., Valkonen J. P. T. Organization of genes controlling disease resistance in the potato genome. Annual Review of Phytopathology. 2001;39: 79-102. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev.phyto.39.1.79Gebhardt C., Valkonen J. P. T. Organization of genes controlling disease resistance in the potato genome. Annual Review of Phytopathology. 2001;39: 79-102. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev.phyto.39.1.79Elison G. L., Hall D. G., Novy R. G., Whitworth J. L. Development and Application of a Multiplex Marker Assay to Detect PVY Resistance Genes in Solanum tuberosum. American Journal of Potato Research. 2020;97:289-296. DOI: https://doi.org/10.1007/s12230-020-09777-1Elison G. L., Hall D. G., Novy R. G., Whitworth J. L. Development and Application of a Multiplex Marker Assay to Detect PVY Resistance Genes in Solanum tuberosum. American Journal of Potato Research. 2020;97:289-296. DOI: https://doi.org/10.1007/s12230-020-09777-1Sanetomo R., Gebhardt C. Cytoplasmic genome types of European potatoes and their effects on complex agronomic traits. BMC Plant Biology. 2015;15(162):162. DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-015-0545-ySanetomo R., Gebhardt C. Cytoplasmic genome types of European potatoes and their effects on complex agronomic traits. BMC Plant Biology. 2015;15(162):162. DOI: https://doi.org/10.1186/s12870-015-0545-yРогозина Е. В., Бирюкова В. А., Симаков Е. А., Жарова В. А., Чалая Н. А., Кузнецова М. А., Рогожин А. Н., Бекетова М. П., Фадина О. А., Хавкин Э. Е. Межвидовые гибриды как родительские формы для упреждающей селекции картофеля на устойчивость к болезням и вредителям. Достижения науки и техники АПК. 2018;32(1):26-31. DOI: https://doi.org/10.24411/0235-2451-2018-1010519.Rogozina E. V., Biryukova V. A., Simakov E. A., Zharova V. A., Chalaya N. A., Kuznetsova M. A., Rogozhin A. N., Beketova M. P., Fadina O. A., Khavkin E. E. Interspecific hybrids as parental lines in anticipatory breeding for potato resistant to disease and pests. Dostizheniya nauki i tekhniki APK = Achievements of Science and Technology of AICis. 2018;32(1):26-31. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.24411/0235-2451-2018-10105Рогозина Е. В., Терентьева Е. В., Потокина Е. К., Юркина Е. Н., Никулин А. В., Алексеев Я. И. Идентификация родительских форм для селекции картофеля, устойчивого к болезням и вредителям, методом мультиплексного ПЦР-анализа. Сельскохозяйственная биология. 2019;54(1):19-30. DOI: https://doi.org/10.15389/agrobiology.2019.1.19rusRogozina E. V., Terentjeva E. V., Potokina E. K., Yurkina E. N., Nikulin A. V., Alekseev Ya. I. Multiplex PCR-based identification of potato genotypes as donors in breeding for resistance to diseases and pests. Sel'skokhozyaystvennaya biologiya = Agricultural Biology. 2019;54(1):19-30. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.15389/agrobiology.2019.1.19rusСклярова Н. П., Яшина И. М. Аутотетраплоидное наследование у картофеля. Картофель и овощи. 1970;10:11-14.Sklyarova N. P., Yashina I. M. Autotetraploid inheritance in potatoes. Kartofel' i ovoshchi = Potato and Vegetables. 1970;10:11-14. (In Russ.).Ермишин А. П., Свиточ О. В., Воронкова Е. В., Гукасян О. Н., Лукша В. И. Определение состава и аллельного состояния генов устойчивости к болезням и вредителям у родительских линий картофеля с помощью ДНК-маркеров. Генетика. 2016;52(5):569-578. DOI: https://doi.org/10.7868/S0016675816050052Yermishin A. P., Svitoch O. V., Voronkova E. V., Gukasian O. N., Luksha V. I. Determination of the composition and the allelic state of disease and pest resistance genes in potato parental lines using DNA markers. Genetika = Russian Journal of Genetics. 2016;52(5):569-578. (In Russ.). DOI: https://doi.org/10.7868/S0016675816050052

The authors declare that there are no conflicts of interest present.