Оценка сортов яблони Свердловской селекционной станции садоводства по генам биосинтеза этилена с использованием молекулярных маркеров

Одним из направлений селекции яблони на Среднем Урале является создание сортов с длительной лежкостью плодов. Способность плодов яблони сохранять свои потребительские качества длительный период является одним из важных показателей сорта. Значительную роль при хранении плодов играет количество вырабатываемого в них этилена. В работе представлены результаты идентификации генов, вовлеченных в контроль биосинтеза этилена у сортов яблони селекции Свердловской селекционной станции садоводства. Всего проанализирован 21 сорт яблони. Основной задачей исследования было обнаружение аллелей Md-ACO1-1 и Md-ACS1-2 в гомозиготном состоянии. Сочетание этих аллелей в одном генотипе снижает выработку этилена в плодах, что способствует их длительной лежкости. Проведенный анализ показал наличие полиморфизма по двум исследуемым генам. Для гена Md-ACO1 характерно наличие двух аллелей у большинства сортов. Аллель Md-ACO1-1 в гомозиготном состоянии идентифицирован у сорта Исетское позднее. Анализ гена Md-ACS1 выявил преобладание аллельной формы Md-ACS1-1. Аллельная форма Md-ACS1-2 отмечена только у гетерозиготных образцов. Сочетание аллелей Md-ACO1-1 и Md-ACS1-2 в гомозиготном состоянии не обнаружено. Однако для селекционной работы представляют интерес и гетерозиготные формы. Они могут служить генисточником признака сниженного биосинтеза этилена при создании сортов с длительным сроком хранения. Такими сортами являются Сокол ясный, Аксена, Розоватое зимнее, Свердловчанин, Исетское позднее и Благая весть. Проведено сравнение сроков хранения плодов и генотипа сорта. Аллели, ассоциированные со сниженным уровнем биосинтеза этилена, характерны как для сортов с низкой, так и для сортов с высокой степенью лежкости.

1. Котов Л. А. Селекционная работа по яблоне на Среднем Урале. Современное садоводство. 2019;(2):13-21. DOI: https://doi.org/10.24411/2312-6701-2019-10203

2. Савельев Н. И., Шамшин И. Н., Кудрявцев А. М. Генетический полиморфизм исходных форм яблони по аллелям генов длительной лежкости и качества плодов. Доклады Российской академии сельскохозяйственных наук. 2014;(3):17-20. Режим работы: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=21509205

3. Costa F., Cappellin L., Farneti B., Tadiello A., Romano A., Soukoulis C., Sansavini S., Velasco R., Biasioli F. Advances in QTL mapping for ethylene production in apple (Malus×domestica Borkh.). Postharvest Biology and Technology. 2014;87:126-132. DOI: https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2013.08.013

4. Nybom H., Ahmadi-Afzadi M., Sehic J., Hertog M. DNA marker-assisted evaluation of fruit firmness at harvest and post-harvest fruit softening in a diverse apple germplasm. Tree Genetics & Genomes. 2013;9:279-290. DOI: https://doi.org/10.1007/s11295-012-0554-z

5. Slađana M, Milan L. Determination of ETR1 genotypes in promising apple selections developed at Fruit Research Institute – Čačak. Genetika. 2013;45(1):189-196. DOI: https://doi.org/10.2298/GENSR1301189M

6. Suprun I. I., Tokmakov S. V. Allelic diversity of ethylene biosynthesis-related Md-ACS1 and Md-ACO1 genes in the Russian apple germplasm. Russian Journal of Genetics: Applied Research. 2013;3:451-454. DOI: https://doi.org/10.1134/S2079059713060105

7. Шамшин И. Н., Шлявас А. В., Трифонова А. А., Борис К. В., Кудрявцев А. М. Полиморфизм генов биосинтеза этилена и экспансина уместных и стародавних сортов яблони (Malus domestica Borkh.) из коллекции генетических ресурсов растений ВИР. Вавиловский журнал генетики и селекции. 2018;22(6):660-666. DOI: https://doi.org/10.18699/VJ18.408

8. Урбанович О. Ю., Козловская З. А., Заблоцкая Е. А., Картель Н. А. Аллельный состав генов Md-ACO1, Md-ACS1 и Md-Exp7 сортов яблони (Malus domestica Borkh.) с различным сроком хранения плодов. Весці Нацыянальнай акадэміі навук Беларусі. Серыя біялагічных навук. 2013;(3):47-55. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=25378568

9. Dougherty L., Zhu Y., Xu K. Assessing the allelotypic effect of two aminocyclopropane carboxylic acid synthase-encoding genes MdACS1 and MdACS3a on fruit ethylene production and softening in Malus. Hortic Res. 2016;3:16024. DOI: https://doi.org/10.1038/hortres.2016.24

10. Chen H., Shao H., Fan S., Ma J., Zhang D., Han M. Identification and phylogenetic analysis of the POLYGALAC-TURONASE gene family in apple. Horticultural Plant Journal. 2016;2(5):241-252. DOI: https://doi.org/10.1016/j.hpj.2017.01.004

11. Chang H. Y., Tong C. Identification of Candidate Genes Involved in Fruit Ripening and Crispness Retention Through Transcriptome Analyses of a ‘Honeycrisp’ Population. Plants. 2020;9(10):1335. DOI: https://doi.org/10.3390/plants9101335

12. Sunako T., Sakuraba W., Senda M., Akada S., Ishikawa R., Niizeki M., Harada T. An allele of the ripening-specific 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid synthase gene (ACS1) in apple fruit with a long storage life. Plant Physiology. 2000;119(4):1297-1304. DOI: https://doi.org/10.1104/pp.119.4.1297

13. Bleecker A. B., Kende H. Ethylene: a gaseous signal molecule in plants. Annual review of cell and developmental biology. 2000;16(1):1-18. DOI: https://doi.org/10.1146/annurev.cellbio.16.1.1

14. Harada T., Sunako T., Wakasa Y., Soejima J., Satoh T., Niizeki M. An allele of the 1-aminocyclopropane-1-carboxylate synthase gene (Md-ACS1) accounts for the low level of ethylene production in climacteric fruits of some apple cultivars. Theoretical and Applied Genetics. 2000;101(5-6):742-746. DOI: https://doi.org/10.1007/s001220051539

15. Costa F., Stella S., Van de Weg W. E., Guerra W., Cecchinel M., Dallavia J., Sansavini S. Role of the genes Md-ACO1 and Md-ACS1 in ethylene production and shelf life of apple (Malus domestica Borkh.). Euphytica. 2005;141(1-2):181-190. DOI: https://doi.org/10.1007/s10681-005-6805-4

16. Defilippi B. G., Kader A. A., Dandekar A. M. Apple aroma: alcohol acyltransferase, a rate limiting step for ester biosynthesis, is regulated by ethylene. Plant Science. 2005;168(5):1199-1210. URL: https://www.ucanr.edu/datastoreFiles/234-449.pdf

17. Costa F., Peace C. P., Stella S., Serra S., Musacchi S., Bazzani M., Van de Weg W.E. QTL dynamics for fruit firmness and softening around an ethylene-dependent polygalacturonase gene in apple (Malus×domestica Borkh.). Journal of Experimental Botany. 2010;61(11):3029-3039. DOI: https://doi.org/10.1093/jxb/erq130

18. Nybom H., Sehic J., Garkava-Gustavsson L. Modern apple breeding is associated with a significant change in the allelic ratio of the ethylene production gene Md-ACS1. The Journal of Horticultural Science and Biotechnology. 2008;83(5):673-677. DOI: https://doi.org/10.1080/14620316.2008.11512442

19. Zhu Y., Barritt B. H. Md-ACS1 and Md-ACO1 genotyping of apple (Malus×domestica Borkh.) breeding parents and suitability for marker-assisted selection. Tree genetics & genomes. 2008;4(3):555-562. DOI: https://doi.org/10.1007/s11295-007-0131-z

20. Kwon Y. S., Kwon S. I., Kim S. A., Kweon H. J., Yoo J., Ryu S., Kim J. H. Estimation of storability for Korean apples (Malus domestica) using Md-ACS1 and Md-ACO1 DNA marker. Korean J. Food Preserv. 2017;24(7):891-897. DOI: https://doi.org/10.11002/kjfp.2017.24.7.891

21. Oraguzie N. C., Iwanami H., Soejima J., Harada T., Hall A. Inheritance of the Md-ACS1 gene and its relationship to fruit softening in apple (Malus×domestica Borkh.). Theoretical and Applied Genetics. 2004;108(8):1526-1533. DOI: https://doi.org/10.1007/s00122-003-1574-8

22. Oraguzie N. C., Volz R. K., Whitworth C. J., Bassett H. C., Hall A. J., Gardiner S. E. Influence of Md-ACS1 allelotype and harvest season within an apple germplasm collection on fruit softening during cold air storage. Postharvest biology and technology. 2007;44(3):212-219. DOI: https://doi.org/10.1016/j.postharvbio.2006.12.013