AKTUALNY STAN WIEDZY Z ZAKRESU ...AKTUALNY STAN WIEDZY Z ZAKRESU GENETYKI,
[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Acta Sci. Pol., Biotechnologia 7(1) 2008, 3-15 AKTUALNY STAN WIEDZY Z ZAKRESU GENETYKI WA NIEJSZYCH RO!LIN SADOWNICZYCH I ZASTOSOWANIE JEJ W PRAKTYCE Kamila Bokszczanin, Andrzej A. Przybyła 1 Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Streszczenie . Ostatnie lata przyniosły bardzo szybki rozwój bada molekularnych ro!lin sadowniczych. Brzoskwinia, z racji swego stosunkowo małego genomu, samopłodno!ci oraz krótkiego okresu juwenilnego, jest jednym z gatunków najlepiej scharakteryzowa- nych pod wzgl"dem genetycznym i tym samym stanowi model dla innych gatunków z rodziny Rosaceae . Mapy genomowe, skonstruowane na podstawie markerów moleku- larnych, stały si" w ostatnim dziesi"cioleciu jednym z głównych narz"dzi badania cech ilo!ciowych. Identyfikacja genów o du#ym efekcie fenotypowym stwarza mo#liwo!$ zwi"kszenia efektywno!ci hodowli przez bezpo!redni% selekcj" materiału hodowlanego na podstawie markerów blisko sprz"#onych ze zidentyfikowanym QTL. Mapowanie QTL za pomoc% markerów molekularnych i ulepszanie cech ilo!ciowych to wa#ne cele w pro- gramach hodowlanych. Dla ro!lin sadowniczych, szczególnie dla drzew owocowych, opracowanie nowych technik molekularnych, które pozwalaj% na wczesn% selekcj" siewek posiadaj%cych warto!ciowe cechy, jest zadaniem priorytetowym, gdy# umo#liwiaj% one selekcj" o kilka lat wcze!niej ni# w przypadku hodowli klasycznej. Słowa kluczowe: ro!liny sadownicze, badania molekularne, hodowla WST"P W regionach !wiata o klimacie umiarkowanym ro!liny sadownicze z rodziny Rosa- ceae zajmuj% czołowe miejsce pod wzgl"dem znaczenia ekonomicznego. Do najwa#- niejszych gatunków uprawnych z rodziny Rosaceae nale#%: jabło ( Malus ), grusza ( Pyrus ), pigwa ( Cydonia ), pestkowe z rodzaju Prunus , takie jak brzoskwinia, nektaryna, morela, !liwa, migdał, wi!nia i czere!nia [Georgi i in. 2002], malina i je#yna ( Rubus ) oraz truskawka ( Fragaria ). Wi"kszo!$ wymienionych gatunków to wieloletnie ro!liny drzewiaste du#ych rozmiarów, z długim okresem juwenilnym, co utrudnia badanie ich metodami genetyki klasycznej. Z drugiej strony, ro!liny te charakteryzuj% si" długim Adres do korespondencji – Corresponding author: Kamila Bokszczanin, Katedra Sadownictwa, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa, e-mail: kamilabokszczanin@o2.pl 4 K. Bokszczanin, A.A. Przybyła okresem #ycia oraz mo#liwo!ciami efektywnego rozmna#ania wegetatywnego. Do gatunków sadowniczych o małym genomie nale#%: poziomka ( Fragaria vesca ), zawie- raj%ca 164 Mbp DNA w genomie haploidalnym [Akiyama i in. 2001], oraz brzoskwinia, zawieraj%ca 290 Mbp DNA w genomie haploidalnym [Baird i in. 1994]. BADANIA MOLEKULARNE RO!LIN SADOWNICZYCH Wielko!$ genomu organizmów nale#%cych do Eucaryota jest ogromnie zró#nicowana. Wi"kszo!$ DNA w bardzo du#ych genomach jest niekoduj%ca, a liczba genów – sto- sunkowo stała. Arabidopsis thaliana (wielko!$ genomu w stanie haploidalnym 120 Mb) zawiera wi"cej ni# 25 000 genów, natomiast genom ludzki o wielko!ci 3200 Mb w stanie haploidalnym zawiera 20 000–25 000 genów [International Human Genome Sequencing Consortium 2004]. Dotychczas scharakteryzowano jedynie 31 genów głównych brzoskwini [Monet i in. 1996] i trzy geny migdała [Socias i Company 1998]. Brzoskwinia jest samopłodnym gatunkiem diploidalnym (2n=2x=16). Zawarto!$ DNA w j%drze wynosi jedynie 0.60 ± 0.03 pg [Baird i in. 1994] – około dwa razy wi"cej ni# w j%drze A rabidopsis thaliana . Wi"kszo!$ zachodnich odmian brzoskwini pochodzi od kilku genotypów sprowadzonych w XIX w. do USA z południowych Chin. Z tego po- wodu odmiany brzoskwini s% wysoce wsobne i charakteryzuj% si" bardzo mał% zmien- no!ci% genetyczn% [Scorza i in. 1985]. Te cechy, jak równie# relatywnie krótki, dwu- lub trzyletni okres juwenilny, sprawiaj%, #e brzoskwinia stała si" jednym z gatunków najlepiej scharakteryzowanych pod wzgl"dem genetycznym i tym samym ro!lin% mode- low% dla innych gatunków z rodziny Rosaceae [Jung i in. 2008]. Utworzono mapy mar- kerów molekularnych brzoskwini i biblioteki klonów oraz uzyskano interesuj%ce mutanty [Georgi i in. 2002]. Badania genetyczne ro!liny modelowej mog% znacznie przyspieszy$ zrozumienie genetyki pozostałych gatunków w obr"bie tej samej rodziny. Wynika to z faktu, #e techniki markerów molekularnych rozwini"te dla brzoskwini mog% z łatwo!ci% by$ stosowane w badaniach innych gatunków z rodziny Rosaceae . Doskonałym przykładem wykorzystania strategii porównywania genomów jest u#ycie danych uzyskanych w wyniku mapowania fizycznego ry#u w badaniach innych gatunków uprawnych w obr"bie rodziny Poaceae [Delseny i in. 2001]. Dla rodziny Rosaceae podj"to dwa główne kierunki bada z wykorzystaniem brzo- skwini jako ro!liny modelowej: 1. Genomika strukturalna – utworzenie mapy fizycznej genomu brzoskwini i nanie- sienie na ni% markerów genetycznych cech wa#nych z ekonomicznego punktu wi- dzenia dla gatunków Rosaceae . 2. Genomika funkcjonalna – utworzenie bazy danych Sekcji Znaczników Sekwencji Ulegaj%cych Ekspresji (ang. Expressed Sequence Tags, EST) dla tkanek owoców, p"dów i nasion wraz z mapami – fizyczn% i genetyczn% – brzoskwini. Obecnie genom brzoskwini jest sekwencjonowany w Clemson University, Geno- mics Institute, USA, natomiast genom jabłoni, jednego z najwa#niejszych gatunków drzew owocowych klimatu umiarkowanego – w Nowej Zelandii, w The Horticulture and Food Research Institute of New Zealand. Mapy genomów ro!lin uprawnych, zbudowane na bazie markerów molekularnych, stały si" w ostatnim dziesi"cioleciu jednym z głównych narz"dzi badania cech ilo!cio- wych. W przypadku ro!lin aktualnie dysponujemy kompletnymi mapami genowymi Acta Sci. Pol. Aktualny stan wiedzy z zakresu genetyki ... 5 rzodkiewnika ( Arabidopsis thaliana ), ry#u ( Oryza sativa ), topoli ( Populus trichocarpa ) i lucerny ( Medicago truncatulata ). Mapy genetyczne umo#liwiaj% poznanie struktury i ewolucji genomów. Słu#% do wykrywania loci kontroluj%cych zmienno!$ cech ilo- !ciowych o znaczeniu ekonomicznym oraz zwi%zanych ze stresem, wywołanym czyn- nikami biotycznymi lub abiotycznymi. Analiza tych informacji stwarza mo#liwo!$ zrozumienia procesów regulacji genów oraz funkcji produktów genowych. Wiedza ta ma równie# du#e znaczenie w hodowli ro!lin sadowniczych. Wa#nym nurtem współczesnych bada genetycznych jest poszukiwanie zwi%zku mi"dzy markerem a cech% u#ytkow%. Wi"kszo!$ cech fenotypowych, istotnych z punktu widzenia ekonomii, jest uwarunkowana wieloma genami z ró#nych loci (poligeny), których efekty sumuj% si", powoduj%c nasilenie cechy. Identyfikacja genów o du#ym efekcie fenotypowym stwarza mo#liwo!$ zwi"kszenia efektywno!ci hodowli przez bezpo!redni% selekcj" materiału hodowlanego na podstawie markerów blisko sprz"#o- nych ze zidentyfikowanym QTL, co nosi nazw" selekcji przy u#yciu markerów (MAS – Marker-Assisted Selection). Mapowanie QTL za pomoc% markerów molekularnych i ulepszanie cech ilo!ciowych jest wa#nym celem w programach hodowli ro!lin. Hodowla drzew owocowych jest trudna ze wzgl"du na ich długi okres juwenilny i wysoki poziom heterozygotyczno!ci, uniemo#liwiaj%cy całkowite dziedziczenie war- to!ciowych cech obecnych w jednym z rodziców. Opracowanie nowych technik wcze- snej selekcji siewek o warto!ciowych cechach stało si" zadaniem priorytetowym pro- gramów hodowlanych. Rozwini"cie markerów molekularnych sprz"#onych z wa#nymi cechami agronomicznymi umo#liwia popraw" i przyspieszenie niektórych etapów se- lekcji. Wczesna selekcja z wykorzystaniem technik molekularnych pozwala na dokład- n% ocen" siewek o kilka lat wcze!niej ni# w przypadku selekcji klasycznej, prowadzonej w warunkach polowych. Obecnie dysponujemy wieloma mapami genetycznymi brzoskwini i innych gatun- ków z rodzaju Prunus . Najwa#niejsz% dla rodzaju Prunus jest mapa uzyskana na pod- stawie segregacji markerów molekularnych w potomstwie otrzymanym ze skrzy#owa- nia odmiany migdała Texas i odmiany brzoskwini Earlygold [Howad i in. 2005]. Wyko- rzystywana jest jako mapa referencyjna w mapowaniu innych gatunków tego samego rodzaju, jak równie# stanowi szkielet mapy fizycznej i mapy transkryptomu brzoskwini [Jung i in. 2008]. Dotychczas u ró#nych gatunków Prunus zmapowano 28 loci głównych cech agro- nomicznych i naniesiono na map" ‘Texas’ x ‘Earlygold’. U brzoskwini do niektórych z nich nale#y biały i #ółty kolor mi%#szu owocu (gen Y w pierwszej grupie sprz"#e ) [Bliss i in. 2002], kolor mi%#szu wokół pestki (gen Cs, 3 grupa sprz"#e ) [Yamamoto i in. 2001], cecha odchodzenia pestki od mi%#szu (gen F , 4 grupa sprz"#e ) [Dettori i in. 2001, Yamamoto i in. 2001], smak owocu gorzki/słodki (gen Sk ( Sw ), 5 grupa sprz"#e ) [Bliss i in. 2002], owłosienie skórki owocu (gen G , 5 grupa sprz"#e ) [Bliss i in. 2002, Dirlewanger i in. 1998, Dirlewanger i in. 1999], kształt owocu (spłaszczony, okr%gły) (gen S , 6 grupa sprz"#e ) [Dirlewanger i in. 1998, Dirlewanger i in. 1999], kolor kwiatu (gen B , 1 i 3 grupa sprz"#e ) [Jáuregui 1998], antocyjanowy lub #ółty kolor pylników (gen Ag , 3 grupa sprz"#e ) [Joobeur 1998], powtórne kwitnienie (gen Dl , 2 grupa sprz"#e ) [Chaparro i in. 1994], pora kwitnienia (gen Lb , 4 grupa sprz"#e ) [Ballester i in. 2001], m"ska sterylno!$ (gen Ps , 6 grupa sprz"#e ) [Dirlewanger i in. 1998], wie- losłupkowo!$ (gen Pcp , 3 grupa sprz"#e ) [Bliss i in. 2002], charakter wzrostu – stan- dardowy lub kolumnowy (gen Br , 2 grupa sprz"#e ) [Scorza i in. 2002], wysoko!$ Biotechnologia 7(1) 2008 6 K. Bokszczanin, A.A. Przybyła drzewa – standardowe lub karłowe (gen Dw , 6 grupa sprz"#e ), kształt li!cia (szeroki lub w%ski) (gen NI , 6 grupa sprz"#e ) [Yamamoto i in. 2001], kształt gruczołków na li!ciach (nerkowaty/kulisty) (gen E , 7 grupa sprz"#e ) [Dettori i in. 2001]. Główny gen warunkuj%cy twardo!$ łupiny migdała poło#ony jest w drugiej grupie sprz"#e [Sánc- hez-Pérez i in. 2007]. Markery poło#one blisko dwóch genów odporno!ci na m%twika korzeniowego ( Heterodera radicicola ) umo#liwiaj% selekcj" odpornych podkładek rodzaju Prunus . Marker Ma / ma wyizolowany ze !liwy Myrobalan, zlokalizowany w siódmej grupie sprz"#e mapy Prunus, i marker Mi / mi odmiany brzoskwini Nemared, zlokalizowany w drugiej grupie sprz"#e tej samej mapy, posłu#yły w selekcji podkła- dek zawieraj%cych oba te markery w potomstwie brzoskwini, migdała i !liwy Myroba- lan. Marker blisko sprz"#ony z genem warunkuj%cym odporno!$ na wirusa wywołuj%- cego ospowato!$ !liwy (szark") zlokalizowany jest w pierwszej grupie sprz"#e mapy moreli [Vilanova i in. 2003]. Gen Sf, odpowiedzialny za odporno!$ na m%czniaka, znaj- duje si" w siódmej grupie sprz"#e . QTL zwi%zane z por% kwitnienia, dojrzewaniem i jako!ci% owoców wykryto u brzoskwini i jabłoni. Niektóre QTL zwi%zane z dziedzi- czeniem cech jako!ciowych owoców i por% kwitnienia zlokalizowane s% w regionach genomu, w których wcze!niej opisano gen D / d odpowiedzialny za nisk% kwasowo!$ owoców u brzoskwini, gen Ma / ma koduj%cy kwas jabłkowy w owocach jabłoni i gen Lb / lb warunkuj%cy por" kwitnienia u migdała. U migdała QTL zwi%zany z por% kwit- nienia zidentyfikowano w czwartej grupie sprz"#e [Sánchez-Pérez i in. 2007]. Pomimo #e brzoskwinia została uznana za ro!lin" modelow% dla gatunków z rodziny Rosaceae , w ostatnich latach obserwuje si" bardzo intensywny rozwój bada genomu jabłoni. Wi"kszo!$ zidentyfikowanych markerów jest sprz"#onych z cechami monoge- nicznymi, tzn. warunkowanymi jednym genem, głównie z odporno!ci% na patogeny i szkodniki. W przypadku jabłoni najliczniejsz% grup" stanowi% markery locus odporno- !ci na parcha – locus Vf . Hodowla odporno!ciowa przeciwko parchowi powodowanemu przez patogen Venturia inaequalis jest jednym z głównych celów programów hodowla- nych jabłoni na !wiecie. Głównym &ródłem odporno!ci jabłoni na parcha jest gen od- porno!ci Vf z Malus floribunda 821. Locus Vf został zmapowany genetycznie i fizycznie [Koller i in. 1994, Gianfranceschi i in. 1996, Patocchi i in. 1999a, Tartarini i in. 1999, Xu i in. 2001] oraz wyizolowany [Patocchi i in. 1999b, Xu i Korban 2002a]. W jego regionie zidentyfikowano zestaw kandyduj%cych genów odporno!ci [Vinatzer i in. 2001, Xu i Korban 2002b]. Stwierdzono, #e geny te wykazuj% homologi" do rodziny genu odporno!ci Cf i dlatego nazwano je HcrVf (homologi genów odporno!ci na Clado- sporium fulvum w regionie Vf ). Udowodniono, #e przynajmniej jeden z tych genów – Hcrvf2 – jest odpowiedzialny za całkowit% odporno!$ na parcha w jabłoniach transfor- mowanych [Barbieri i in. 2003, Belfanti i in. 2003]. Od czasu, kiedy odporno!$ Vf zo- stała przełamana przez rasy 6 i 7 V. inaequalis [Parisi i in. 1993, Bénaouf i Parisi 2000], hodowcy jabłoni kontynuuj% poszukiwanie nowych genów odporno!ci na parcha. Zna- leziono ró#ne &ródła tej odporno!ci, głównie w azjatyckich gatunkach Malus o małych owocach. Do zidentyfikowanych genów odporno!ci oprócz Vf z M. floribunda 821 nale#%: Vr , Vh 2 i Vh 4 (zwany równie# Vx lub Vr 1 ) z M. pumila R12740-7a; Vbj z M. baccata var . jackii ; Vb z ‘Hansen’s baccata #2’; Va z odmiany Antonówka PI172623; Vm z M. micromalus 245-38 i M. atrosanguinea 804; Vg z ‘Golden Deli- cious’; Vr 2 z GMAL 2473, Vd z ‘Durello di Forli’; Vj z ‘Jonsib’ i Vc z ‘Cathay crab’ [Williams i Dayton 1968, Williams i Kuc 1969, Lespinasse 1989, Hemmat i in. 2002, Durel i in. 2000, Patocchi i in. 2004, Bus i in. 2005, Tartarini i in. 2004, Boudischevskaia Acta Sci. Pol. Aktualny stan wiedzy z zakresu genetyki ... 7 i in. 2004]. Geny Vbj , Vr 2 , Vh 2 i Vh 4 zmapowano w trzech ró#nych regionach drugiej grupy sprz"#e [Gygax i in. 2004, Patocchi i in. 2004, Bus i in. 2005]. Geny Vf , Vb i Va zmapowano w trzech ró#nych regionach pierwszej grupy sprz"#e [Maliepaard i in. 1998, Hemmat i in. 2003]. Gen Vg i Vd zmapowano odpowiednio w dwunastej i dzie- si%tej grupie sprz"#e [Durel i in. 2000, Tartarini i in. 2004]. Stwierdzono, #e dziedzi- czenie odporno!ci na parcha jabłoni z M. micromalus 245-38 i M. atrosanguinea 804 jest kompleksowe [Shay i Hough 1952, Dayton i Williams 1970]. Nowym zidentyfiko- wanym genem odporno!ci jest gen nazwany Vh8 sprz"#ony z genem Vh2 (lub b"d%cy jego form% alleliczn%), wcze!niej zidentyfikowany w siewce M. pumila o numerze R12740-7a. Gen ten poło#ony jest w dolnym ko cu drugiej grupy sprz"#e Malus [Bus i in. 2005]. Kilka głównych genów ( Vf , Vm , Vr , Vg , Vb , Vbj i Va ) pochodz%cych z azjatyckich gatunków Malus nadaje jabłoni rasowo-specyficzn% odporno!$ na parcha. Wszystkie te odporno!ci zostały przełamane przez patogen. Istnieje zatem potrzeba znalezienia trwa- łych &ródeł odporno!ci i introgresji genów warunkuj%cych t" odporno!$ do nowych odmian. Jedyn% mo#liwo!ci% jest wprowadzenie kilku &ródeł odporno!ci przez pirami- dyzacj" głównych genów lub przez poł%czenie efektów głównych genów z QTL-ami warunkuj%cymi cz"!ciow% odporno!$. Piramidyzacja głównych genów odporno!ci na parcha otrzymywana jest w wyniku krzy#owania dwóch odmian posiadaj%cych dwa geny odporno!ci ró#ni%ce si" pod wzgl"dem funkcji, a nast"pnie selekcji ro!lin posiada- j%cych oba te geny z wykorzystaniem markerów molekularnych. Zidentyfikowano osiem QTL zwi%zanych z odporno!ci% li!ci na parcha i dwa QTL odporno!ci owoców na parcha [Bus i in. 2005]. Inn% wa#n% chorob% jabłoni jest m%czniak prawdziwy, wywoływany przez Podo- sphaera leucotricha . Do tej pory zidentyfikowano kilka &ródeł odporno!ci na ten pato- gen. Główne geny, którymi s% Pl1 z Malus robusta i Pl2 z Malus zumi [Knight i Alston 1968], wykorzystano w programach hodowlanych jabłoni. Do pozostałych genów głównych nale#%: Plw z White Angel – ozdobnej odmiany jabłoni typu „krab” [Gallot i in. 1985], Pld z klonu D12 [Visser i Verhaegh 1979] i Plmis z ‘Mildew Immu- ne Seedling’ [Dayton 1977]. Ze wzgl"du na obecno!$ ró#nych ras fizjologicznych pato- genu rozwa#a si" istnienie rasowo-specyficznych genów odporno!ci. Zatem uzyskanie trwałej odporno!ci na m%czniaka wi%#e si" z piramidyzacj% genów głównych. Wczesna ocena podatno!ci na m%czniaka w segreguj%cym potomstwie jest bardzo trudna. Dlatego te# du#ego znaczenia nabiera niezawodny system markerów molekularnych. Stwierdzo- no, #e gen Pl1 znajduje si" w dolnej cz"!ci dwunastej grupy sprz"#e [Dunemann i in. 2007]. W regionie tym zmapowano równie# gen główny odporno!ci na m%czniaka Pld [James i in. 2004], stabilny QTL odporno!ci na m%czniaka w klonie jabłoni U211 [Stankiewicz-Kosyl i in. 2005], gen Vg nadaj%cy odporno!$ na ras" 7 parcha [Durel i in. 2000] oraz główny gen odporno!ci na parcha Vb [Erdin i in. 2006]. W wyniku porów- nania pozycji markerów molekularnych na dwóch mapach genetycznych otrzymanych przez Calenge i in. [2004] stwierdzono, #e geny Pl1 i Vg mog% by$ ze sob% silnie sprz"- #one. Innymi regionami genomu jabłoni, w których stwierdzono zgrupowanie genów odporno!ci na parcha i na m%czniaka, s% grupy sprz"#e : 2, 8 i 17. W górnej cz"!ci drugiej grupy sprz"#e znajduj% si" główne geny odporno!ci na parcha, takie jak Vr1 [Boudichevskaja i in. 2006], Vr2 [Patocchi i in. 2004] i Vh4 [Bus i in. 2005] razem ze stabilnym QTL odporno!ci na m%czniaka [Calenge i Durel 2006] i kilkoma markerami NBS-LRR RGA [Baldi i in. 2004, Calenge i in. 2005]. Biotechnologia 7(1) 2008 [ Pobierz całość w formacie PDF ] |
Podobne
|