Межвидовая гибридизация в селекции картофеля

УДК 635.21:631.527.5

Межвидовая гибридизация в селекции картофеля / А. П. Ермишин [и др.] ; 
науч. ред. А. П. Ермишин ; Нац. акад. Наук Беларуси, Ин-т генетики и цито- 
логии. – Минск : Беларуская навука, 2021. – 396 с. – ISBN 978-985-08-2752-4.
В монографии представлен обзор современного состояния проблемы использования 
в селекции межвидовой гибридизации. Рассмотрены особенности культурного картофеля 
как объекта селекции, описано многообразие диких и примитивных культурных видов 
рода Solanum как исходного материала для селекции, в частности, в качестве источников 
генов устойчивости к болезням и вредителям. Особое внимание уделено механизмам межвидовых репродуктивных барьеров, которые затрудняют вовлечение в селекцию ценного 
генофонда диких видов. Представлены применяемые в селекции картофеля методы преодоления межвидовой несовместимости, как традиционные (основанные на половой гибридизации), так и с применением современных биотехнологий (соматической гибридизации). 
В книге подробно рассмотрены результаты, полученные по этой проблематике белорусскими учеными.
Для научных работников в области генетики и селекции растений, преподавателей 
и студентов биологических и сельскохозяйственных специальностей.
Табл. 40. Ил. 16. Библиогр.: 1330 назв.

А в т о р ы:

А. П. Ермишин, Е. В. Воронкова, В. А. Козлов, Ю. В. Полюхович, В. И. Лукша, 
А. В. Левый, Г. А. Яковлева, Т. А. Семанюк, В. Л. Дубинич, И. А. Родькина

Н а у ч н ы й  р е д а к т о р 

доктор биологических наук, профессор А. П. Ермишин

Р е ц е н з е н т ы:

доктор биологических наук О. Ю. Урбанович 
член-корреспондент НАН Беларуси, доктор биологических наук В. В. Титок 

© Институт генетики и цитологии 
    НАН Беларуси, 2021
© Оформление. РУП «Издательский дом 
    «Беларуская навука», 2021

ISBN 978-985-08-2752-4

ПРИНЯТЫЕ СОКРАЩЕНИЯ 

И УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

2,4-D(Д) ‒ 2,4-дихлорфеноксиуксусная кислота
АТФ ‒ аденозинтрифосфат
ВИР – Всероссийский институт растениеводства им. Н. И. Вавилова (ФГБНУ «Федераль
ный исследовательский центр Всероссийский институт генетических ресурсов растений имени Н. И. Вавилова»)

ВСЛК – вирус скручивания листьев картофеля (L-вирус, PLRV)
ВТМ ‒ вирус табачной мозаики
ДНК – дезоксирибонуклеиновая кислота
ИФА – иммуноферментный анализ
КГН ‒ корневые галловые нематоды
кДНК (сDNA) – комплементарная одноцепочечная ДНК, синтезируемая на основе матрич
ной РНК

КЦН ‒ картофельные цистообразующие нематоды
МАС (MAS – marker-aided, marker-assisted selection) – маркер-ассоциированная селекция
МОС – маркер-опосредованная селекция
мРНК – матричная рибонуклеиновая кислота
НПЦ НАН Беларуси по картофелеводству и плодоовощеводству – Республиканское уни
тарное предприятие «Научно-практический центр НАН Беларуси по картофелеводству и плодоовощеводству»

п. н. – пара нуклеотидов (единица измерения для определения размеров фрагментов ДНК)
ПЦР – полимеразная цепная реакция
ПЦР-маркеры – последовательности ДНК, позволяющие выявлять с помощью ПЦР на
личие или отсутствие конкретных локусов ДНК, ответственных за тот или иной признак у селекционных образцов

ПЭГ ‒ полиэтиленгликоль
РНК ‒ рибонуклеиновая кислота
РНКаза ‒ фермент, разрушающий матричные РНК, S-РНКазы ‒ пестичные РНКазы, пре
пятствующие росту в пестике пыльцевых трубок, имеющих определенные аллели 
S-генов, в частности, обеспечивающие реакцию гаметофитной самонесовместимости 
при самоопылении

cM ‒ сантиморган (единица измерения расстояния между генами одной группы сцеп- 

ления)

ФМФ – функциональная мужская фертильность

ФФП – функциональная фертильность пыльцы
ЦМС – цитоплазматическая мужская стерильность
2n-гаметы (пыльца, яйцеклетки) – нередуцированные гаметы, образовавшиеся в резуль
тате реституционного деления в мейозе

AFLP (англ. Amplified Fragment Length Polymorphism) ‒ полиморфизм ДНК, основанный 

на различии размеров амплифицируемых фрагментов ДНК

AUDPC (англ. Area Under Disease Progress Curve ‒ площадь под кривой развития болезни) – 

коэффициент, характеризующий степень поражения растительного организма патогеном, учитывающий развитие симптомов болезни во времени

Avr – гены авирулентности, кодирующие AVR-эффекторы патогенного организма, кото
рые вызывают иммунный ответ растения-хозяина

CAPS (англ. Cleaved Amplified Polymorphic Sequence) – полиморфизм расщепляющихся 

последовательностей ДНК, возникающий в результате рестрикции амплифицированного фрагмента специфическими рестриктазами

CCH (англ. Cooper Chaperone ‒ медный шаперон) – регуляторный белок, относящийся 

к группе шаперонов, выполняющих адаптивные (включая защитные) и/или транспортные функции, общим свойством которых является взаимодействие с другими 
белками, сопровождающееся изменением их структуры

СPB (англ. Colorado Potato Beetle) ‒ колорадский жук Leptinotarsa decemlineata L.
DArTseq ‒ специфические маркеры, используемые при секвенировании нового поколения 

на платформе Diversity Arrays Technology Pty Ltd. (Канберра, Австралия) для создания генетических карт высокой плотности

Ds – десинаптические мутанты, растения с мейотической мутацией ds десинапсиса (нерас
хождения гомологичных хромосом)

EBN (англ. Endosperm Balance Number) – балансовое число эндосперма (эффективная плоид
ность)

ER (англ. Extreme Resistance) – крайняя устойчивость, высокая долговременная устойчи
вость (иммунность) без выраженной штаммоспецифичности. ER к вирусам проявляется в подавлении репликации и распространения патогена в растительном организме 
без выраженного апоптоза инфицированных клеток

FDR (англ. First Division Restitution) – восстановление плоидности (реституция) по типу 

первого деления мейоза

fs (англ. fused spindles) – мейотическая мутация «слияние веретен»
GISH (англ. Genomic In Situ Hybridization) ‒ геномная гибридизация in situ, цитогенетиче
ский метод дифференциальной окраски хромосом разных геномов межвидовых гибридов

HS (англ. Hyper Sensitivity) – гиперчувствительность – тип устойчивости, связанный с за
программированной гибелью инфицированных клеток

IGC ХХ/N.n (или ХХ/N.n) – обозначение образцов гибридного происхождения из коллек
ции диплоидного картофеля Института генетики и цитологии НАН Беларуси. Буквенными индексами в названии обозначены: IGC – Институт генетики и цитологии; 
ХХ – год получения гибрида; N – номер гибридной комбинации; n – номер гибридного клона. В таблицах для краткости может быть использовано обозначение ХХ/N.n.

ISSR (англ. Inter Simple Sequence Repeat) – межмикросателлитные последовательности 

ДНК

Ms-гены (англ. male sterility genes) ‒ ядерные гены, вызывающие стерильность пыльцы 

при взаимодействии с определенными типами «чувствительных» цитоплазм

N-гены (англ. necrotic genes) ‒ гены штаммоспецифической устойчивости к вирусам ги
перчувствительного типа 

NBS-LRR (англ. nucleotide-binding site/leucine-rich repeat) – класс генов резистентности 

(R-генов) растений. NBS- и LRR-последовательности – последовательности нуклеотидов с определенными особенностями строения (сиквенса), характерные для большинства генов устойчивости растений, экспрессия которых приводит к формированию белковых доменов, обладающих свойствами распознавания патогена и индукции 
синтеза элиситорных белков

PDH (PDh) – первичный дигаплоид картофеля
ps (англ. parallel spindles) – мейотическая мутация «параллельные веретена»
PI (Plant Introduction number) ‒ общее обозначение для образцов из коллекции Американ
ского генбанка по картофелю (US Potato Genebank NRSP-6, Sturgeon Bay, CША)  

PLRV (англ. Potato Leaf Roll Virus) – вирус скручивания листьев картофеля (ВСЛК), L-вирус
PMTV (англ. Potato Mop-Top Virus)  ‒ вирус метельчатости верхушки картофеля
PSTVd (англ. Potato Spindle Tuber Viroid) ‒ вироид веретеновидности клубней картофеля 

(ВВКК)

PVA (англ. Potato Virus A) – А-вирус картофеля (АВК)
PVM (англ. Potato Virus M) – М-вирус картофеля (MВК)
PVS (англ. Potato Virus S) – S-вирус картофеля (SВК)
PVV (англ. Potato Virus V) – V-вирус картофеля (VВК)
PVX (англ. Potato Virus X) ‒ X-вирус картофеля (ХВК)
PVY (англ. Potato Virus Y) – Y-вирус картофеля (YВК)
QRL (англ. Quantitative Resistance Loci) – локусы количественной устойчивости
QTL (англ. Quantitative Trait Loci) – локусы, сцепленные с количественными признаками, 

в том числе и QRL

R-гены (англ. resistance genes) – главные гены устойчивости, обеспечивающие в гетерози
готном состоянии (Aa у диплоидов и Aaaa (симплекс) – у тетраплоидов) фенотипическое проявление признака вертикальной устойчивости к патогенам

RAPD (англ. Randomly Amplified Polymorphic DNA) – полиморфизм произвольно ампли
фицируемых фрагментов ДНК

Rf-гены (англ. restoration of fertility) – гены, отвечающие за восстановление фертильности 

пыльцы

RFLP (англ. Restriction Fragment Lengths Polymorphism) – полиморфизм длин рестрикцион
ных фрагментов ДНК

RHS (англ. Resistance Hot Spot) ‒ «горячие точки резистентности», участки хромосом, не
сущие несколько генов устойчивости

ROS (англ. Reactive Oxygen Species) ‒ химические вещества, обладающие высокой оксида
тивной активностью, например Н2О2

Rpi – гены вертикальной устойчивости к фитофторозу, например Rpi-blb – гены устойчи
вости к фитофторозу от дикого вида картофеля S. bulbocastanum

SCAR (англ. Sequence Characterized Amplified Region) – фрагмент ДНК, амплифицированный 

в результате ПЦР со специфическим праймером длиной 15–30 п. н., разработанным 
на основе сиквенса клонированного RAPD-фрагмента ДНК, сцепленного с каким-либо 
признаком, например, устойчивостью к патогену

SDR (англ. Second Division Restitution) – восстановление плоидности (реституция) по типу 

второго деления мейоза

SC (англ. self-compatibility) ‒ самосовместимость
SI (англ. self-incompatibility) ‒ самонесовместимость
S-локус ‒ генетический локус, включающий пыльцевой и пестичный компоненты, взаимо
действие продуктов которых обеспечивает реакцию самонесовместимости; S-гены ‒ 
специфические гены S-локуса

Sli (англ. S-locus inhibitor) – доминантный ген, вызывающий ингибирование гаметофит
ной самонесовместимости у диплоидного картофеля

SNP/InDel (англ. Single Nucleotide Polymorphism/Insertion-Deletion) полиморфизм последо
вательностей ДНК, связанный с 1–2 нуклеотидными заменами либо наличием инсерций/
делеций последовательности ДНК

ssp., subsp. (сокр. от лат. subspecies) – подвид
SSR (англ. Simple Sequence Repeats) – микросателлиты – простые тандемные повторы 

нуклеотидов, сведения о сиквенсе которых позволяют создавать высокополиморфные и специфичные ПЦР-маркеры; сpSSR ‒ SSR-анализ пластидной ДНК; mtSSR ‒ 
SSR-анализ митохондриальной ДНК

SvSv-линии ‒ специально созданные в Институте генетики и цитологии НАН Беларуси 

линии диплоидного картофеля, у которых S-гены культурного самонесовместимого 
вида картофеля S. tuberosum замещены S-генами самосовместимого дикого диплоидного вида картофеля S. verrucosum (гомозиготы SvSv). Характерной особенностью 
S. verrucosum и SvSv-линий является отсутствие в пестиках S-РНКаз, что позволяет 
устранить презиготную несовместимость при межвидовой гибридизации

STS (англ. Sequence-Tagged Site) – короткие (200–500 п. н) картированные участки ДНК 

с известной последовательностью нуклеотидов, которые представлены в геноме одной 
копией (имеют уникальные последовательности сайтов амплификации). Могут служить маркерами при проведении генетического и физического картирования генов

TMV (англ. Tobacco Mosaic Virus)  ‒ вирус табачной мозаики (ВТМ)
TRV (англ. Tobacco Rattle Virus) ‒ вирус погремковости табака

Стандартные сокращения видов картофеля (по Hawkes, 1990)

adg – Solanum tuberosum ssp. andigenum 
acl ‒ Solanum acaule  
avl ‒ Solanum avilesii
ber ‒ Solanum berthaultii
blb ‒ Solanum bulbocastanum
brd ‒ Solanum brevidens (=S. palustre)
chc – Solanum chacoense
cmm ‒ Solanum commersonii
cph – Solanum cardiophyllum
crc – Solanum circeaifolium
dms – Solanum demissum
etb ‒ Solanum etuberosum
fen ‒ Solanum fendlery
hjt – Solanum hjertingii
hou ‒ Solanum hougasii
mch ‒ Solanum michoacanum

phu – Solanum phureja
pld – Solanum polyadenium
plt – Solanum polytrichon
pnt ‒ Solanum pinnatisectum
pta ‒ Solanum papita
ryb ‒ Solanum rybinii (=S. phureja)
rzc ‒ Solanum ruiz-ceballosii (=S. sparsipilum)
scr ‒ Solanum sucrense
spg – Solanum spegazzinii
spl ‒ Solanum sparsipillum
sto – Solanum stoloniferum
tbr – Solanum tuberosum ssp. tuberosum
trn ‒ Solanum tarnii
vnt ‒ Solanum venturii
ver – Solanum verrucosum
vrn ‒ Solanum vernei

ВВЕДЕНИЕ

Селекция любой культуры может быть эффективной лишь в случае доста
точно высокой генетической изменчивости исходного селекционного мате- 
риала. Для многих сельскохозяйственных растений характерна весьма узкая 
генетическая основа, что существенно затрудняет выведение новых сортов. 
Наиболее эффективным методом расширения генетической базы селекционного материала является гибридизация его с дикими и примитивными культурными родственными видами (отдаленная гибридизация). В селекции расте- 
ний нашли отражение два основных направления использования отдаленной 
гибридизации: с целью расширения генетической базы соответствующего культурного вида (расширение аллельного разнообразия) и для интрогрессии в селекционный материал отдельных ценных генов диких видов. 

Для реализации первого из названных направлений наибольший интерес 

представляют виды, выращиваемые местным населением в центрах происхождения культуры (примитивные культурные виды). Как правило, они относительно легко скрещиваются с культурным видом. Полученные гибриды скрещивают между собой или беккроссируют культурным видом, получая селекционный материал с расширенным аллельным разнообразием, использование 
которого позволяет повысить эффективность селекции культуры на продуктивность и экологическую стабильность.

Для интрогрессии в селекционный материал отдельных генов от диких 

видов получают межвидовые гибриды с участием культурного вида, затем 
проводят ряд беккроссов культурным видом, с тем чтобы в селекционном материале осталась лишь незначительная часть привнесенного генетического 
материала от дикого сородича, связанная с экспрессией каких-либо ценных 
генов, отсутствующих у культурного вида, например, генов устойчивости к неблагоприятным абиотическим и биотическим факторам окружающей среды, 
признаков качества продукции. 

Для селекции картофеля отдаленная гибридизация имеет особое значение, 

что связано с биологическими особенностями культуры, прежде всего вегетативным способом ее размножения. Вегетативное размножение способствует 
накоплению в растениях различных патогенов (грибной, бактериальной, вирус

ной, вироидной и микоплазменной инфекций). В связи с этим селекция картофеля по сравнению с селекцией культур, размножаемых половым путем, предъявляет особые требования к отбору устойчивых к патогенам форм. Решение проблемы устойчивости к болезням и вредителям невозможно без использования 
в селекции ценного генофонда диких и примитивных культурных видов, поскольку генетическая база культурного картофеля относительно узкая. Кроме 
того, дикие и примитивные культурные виды картофеля представляют собой 
неисчерпаемый резервуар ценных генов качества клубней, устойчивости к различным стрессовым факторам, являются источником аллельного разнообразия.

Несмотря на наличие у картофеля большого количества диких и прими
тивных культурных родственных видов в родословной современных сортов 
присутствуют гены лишь небольшого количества видов. Это связано, с одной 
стороны, с тем, что многие виды практически не изучены, а с другой стороны, 
многие из тех образцов, у которых обнаружены ценные селекционные признаки, сложно вовлечь в гибридизацию с культурным картофелем. Выделяют следующие основные факторы, обеспечивающие обособление видов картофеля: 
1) внешние экологические барьеры: физическое разделение популяций видов 
в пространстве и времени (несовпадение периода цветения), обусловленное 
их адаптацией к специфическим экологическим нишам; 2) геномные различия 
между видами; 3) различия в плоидности; 4) внутренние барьеры, препятствующие гибридизации (пониженная фертильность, пре- и постзиготные репродуктивные барьеры). Если некоторые из них (например, несовпадение периода цветения, различия плоидности) избежать или устранить в условиях 
научно-исследовательской или селекционной организации относительно просто, 
то для преодоления большинства других необходимо применение специальных приемов и технологий. Эти методы и технологии постоянно совершенствуются, чему способствует расширение знаний о механизмах межвидовых 
репродуктивных барьеров, прогресс в области методологии манипулирования 
генетическим материалом (изменение плоидности, клеточные и генно-инженерные биотехнологии). Благодаря этому в последнее время удалось вовлечь в селекцию целый ряд ценных диких видов картофеля, генофонд многих из которых считался ранее недоступным для практического использования.

Впервые межвидовую гибридизацию на картофеле провел Клотш, скрестив 

дикий вид Solanum demissum c культурным картофелем S. tuberosum и получив ряд межвидовых гибридов с повышенной устойчивостью к заморозкам. 
Успешному использованию S. demissum в селекции картофеля способствовали 
хорошая скрещиваемость его с сортами и высокая урожайность беккроссного 
потомства. J. Broili и K. O. Muller с помощью программы беккроссов вывели 
так называемые W-расы, которые в 1934 г. дали начало первому сорту с генами устойчивости к фитофторозу от S. demissum, названому Sandnudel, а затем 
и многим другим сортам. 

В Республике Беларусь работа по созданию исходного материала и сор- 

тов картофеля на основе диких и культурных видов картофеля была начата 

на Центральной картофельной опытной станции (основана в 1928 г.) и продолжалась в течение всего периода развития селекции картофеля в стране. Созданные белорусскими учеными межвидовые гибриды широко использовались 
и используются в селекции картофеля как в Беларуси, так и в странах ближнего и дальнего зарубежья. На их основе получено большое количество сортов 
различного хозяйственного назначения.

В последнее время исследования по использованию ценного генофонда 

диких видов в селекции картофеля проводились в лаборатории генетики картофеля Института генетики и цитологии НАН Беларуси (разработка методов 
преодоления межвидовых репродуктивных барьеров), лаборатории исходно- 
го материала (в настоящее время лаборатория генетики картофеля) Научнопрактического центра НАН Беларуси по картофелеводству и плодоовощеводству (создание на основе диких и примитивных культурных видов картофеля 
нового исходного материала, устойчивого к фитофторозу, вирусным болезням, черной ножке, с высоким содержанием крахмала и низким содержанием 
редуцирующих сахаров), а также лаборатории биотехнологии названного центра (получение соматических межвидовых гибридов).

В монографии представлен обзор современного состояния проблемы исполь
зования в селекции генофонда диких и примитивных культурных видов картофеля. Подробно рассмотрены результаты, полученные по этой проблематике 
белорусскими учеными.