Đặc điểm và xác định vị trí kháng Globodera pallida được phát hiện từ loài khoai tây hoang Solanum spegazzinii

Theoretical and Applied Genetics - Tập 137 Số 5 - 2024
Ulrike Gartner1, Miles Armstrong2, Sanjeev Sharma1, John T. Jones1, Vivian C. Blok1, Ingo Hein1, Glenn J. Bryan1
1Cell and Molecular Sciences Department, The James Hutton Institute, Invergowrie, Dundee, DD2 5DA, UK
2School of Life Sciences, University of Dundee, Dundee, UK

Tóm tắt

Tóm tắt Thông điệp chính Một vị trí kháng mới có tác dụng chống lại tuyến trùng bọc nang khoai tây Globodera pallida đã được xác định trên nhiễm sắc thể VI trong loài khoai tây hoang lưỡng bội Solanum spegazzinii CPC 7195. Tóm tắt Các loài tuyến trùng bọc nang khoai tây (PCN) Globodera pallidaGlobodera rostochiensis là những loại sâu bệnh quan trọng về kinh tế trong hầu hết các khu vực trồng khoai tây. Một chiến lược quản lý quan trọng liên quan đến việc triển khai thông qua lai tạo thuần chọn để đưa vào các giống hiện đại các nguồn kháng tự nhiên từ các loài khoai tây hoang. Chúng tôi mô tả một nguồn kháng mới đối với G. pallida từ nguồn gen khoai tây hoang. Loài lưỡng bội Solanum spegazzinii Bitter thu hoạch CPC 7195 cho thấy khả năng kháng các kiểu hình G. pallida Pa1 và Pa2/3. Một phép giao phối và phép giao phối trở lại đầu tiên giữa S. spegazzinii với giống Solanum tuberosum Nhóm Phureja giống Mayan Gold đã được thực hiện, và mức độ kháng đối với G. pallida Pa2/3 đã được xác định trong các dòng giống kế thừa. Phân tích nhóm phân tách lớn (BSA) sử dụng giải trình tự tăng cường bản đồ (GenSeq) và genotyp hóa bằng giải trình tự đã được thực hiện để xác định các biến thể một nucleotide (SNP) liên quan về mặt di truyền đến sự kháng, sử dụng S. tuberosum Nhóm Phureja dòng DM1-3 516 R44 làm hệ gen tham chiếu. Những SNP này đã được chuyển thành các xét nghiệm PCR đặc hiệu cho alen, và sự kháng đã được xác định vị trí trên khoảng 118 kb của nhiễm sắc thể VI. Kháng mới được xác định này, mà chúng tôi gọi là Gpa VIlspg, có thể được sử dụng trong những nỗ lực trong tương lai để sản xuất các giống hiện đại với khả năng kháng nâng cao và phổ kháng rộng đối với các sâu bệnh và mầm bệnh chính của khoai tây.

Từ khóa

#Globodera pallida #Solanum spegazzinii #kháng #khoai tây #cây trồng #di truyền #

Tài liệu tham khảo

Aronesty E (2011) Command-line tools for processing biological sequencing data. https://github.com/ExpressionAnalysis/ea-utils. Accessed 20 Sep 2023

Birch PRJ, Bryan G, Fenton B, Gilroy EM, Hein I, Jones JT, Prashar A, Taylor MA, Torrance L, Toth IK (2012) Crops that feed the world 8: Potato: are the trends of increased global production sustainable? Food Secur 4:477–508. https://doi.org/10.1007/s12571-012-0220-1

Bolger AM, Lohse M, Usadel B (2014) Trimmomatic: a flexible trimmer for Illumina sequence data. Bioinformatics 30:2114–2120. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btu170

Butler KJ, Chen S, Smith JM, Wang X, Bent AF (2019) Soybean resistance locus Rhg1 confers resistance to multiple cyst nematodes in diverse plant species. Phytopathology 109:2107–2115. https://doi.org/10.1094/PHYTO-07-19-0225-R

Caromel B, Mugniéry D, Lefebvre V, Andrzejewski S, Ellissèche D, Kerlan MC, Rousselle P, Rousselle-Bourgeois F (2003) Mapping QTLs for resistance against Globodera pallida (Stone) Pa2/3 in a diploid potato progeny originating from Solanum spegazzinii. Theor Appl Genet 106:1517–1523. https://doi.org/10.1007/s00122-003-1211-6

Chen X, Lewandowska D, Armstrong MR, Baker K, Lim TY, Bayer M, Harrower B, McLean K, Jupe F, Witek K, Lees AK, Jones JD, Bryan GJ, Hein I (2018) Identification and rapid mapping of a gene conferring broad-spectrum late blight resistance in the diploid potato species Solanum verrucosum through DNA capture technologies. Theor Appl Genet 131:1287–1297. https://doi.org/10.1007/s00122-018-3078-6

CIP (2017) Potato facts and figures. In: International Potato Center. https://cipotato.org/potato/potato-facts-and-figures. Accessed 20 Sep 2023

Cook DE, Lee TG, Guo X, Melito S, Wang K, Bayless AM, Wang J, Hughes TJ, Willis DK, Clemente TE, Diers BW, Jiang J, Hudson ME, Bent AF (2012) Copy number variation of multiple genes at Rhg1 mediates nematode resistance in soybean. Science 338:1206–1209. https://doi.org/10.1126/science.1228746

Danecek P, Bonfield JK, Liddle J, John M, Ohan V, Pollard MO, Whitwham A, Thomas K, McCarthy Shane A, Davies RM, Li H (2021) Twelve years of SAMtools and BCFtools. Gigascience. https://doi.org/10.1093/gigascience/giab008

DePristo MA, Banks E, Poplin R, Garimella KV, Maguire JR, Hartl C, Philippakis AA, del Angel G, Rivas MA, Hanna M, McKenna A, Fennell TJ, Kernytsky AM, Sivachenko AY, Cibulskis K, Gabriel SB, Altshuler D, Daly MJ (2011) A framework for variation discovery and genotyping using next-generation DNA sequencing data. Nat Genet 43:491–498. https://doi.org/10.1038/ng.806

Ellenby C (1952) Resistance to the potato root eelworm, Heterodera rostochiensis Wollenweber. Nature 170:1016. https://doi.org/10.1038/1701016a0

Elshire RJ, Glaubitz JC, Sun Q, Poland JA, Kawamoto K, Buckler ES, Mitchell SE (2011) A robust, simple genotyping-by-sequencing (GBS) approach for high diversity species. PLoS ONE 6:e19379. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0019379

EPPO (2006) Testing of potato varieties to assess resistance to Globodera rostochiensis and Globodera pallida. EPPO Bulletin 36(3):419–420. https://doi.org/10.1111/j.1365-2338.2006.01302.x

FAO (2022) Agricultural production statistics 2000–2021. In: FAOSTAT analytical briefs, No. 60. https://doi.org/10.4060/cc3751en. Accessed 20 Sep 2023

Gartner U, Hein I, Brown LH, Chen X, Mantelin S, Sharma SK, Dandurand LM, Kuhl JC, Jones JT, Bryan GJ, Blok VC (2021) Resisting potato cyst nematodes with resistance. Front Plant Sci 12:661194. https://doi.org/10.3389/fpls.2021.661194

Griffin D, Bourke L, Mullins E, Hennessy M, Phelan S, Steven K, Milbourne D (2022) Potatoes in Ireland: sixty years of potato research and development, market evolution and perspectives on future challenges. Irish J Agric Food Res. https://doi.org/10.15212/ijafr-2020-0144

Handoo ZA, Carta LK, Skantar AM, Chitwood DJ (2012) Description of Globodera ellingtonae n. sp. (Nematoda: Heteroderidae) from Oregon. J Nematol 44:40–57

Jupe F, Witek K, Verweij W, Sliwka J, Pritchard L, Etherington GJ, Maclean D, Cock PJ, Leggett RM, Bryan GJ, Cardle L, Hein I, Jones JDG (2013) Resistance gene enrichment sequencing (RenSeq) enables reannotation of the NB-LRR gene family from sequenced plant genomes and rapid mapping of resistance loci in segregating populations. Plant J 76:530–544. https://doi.org/10.1111/tpj.12307

Koboldt DC, Zhang Q, Larson DE, Shen D, McLellan MD, Lin L, Miller CA, Mardis ER, Ding L, Wilson RK (2012) VarScan 2: somatic mutation and copy number alteration discovery in cancer by exome sequencing. Genome Res 22:568–576. https://doi.org/10.1101/gr.129684.111

Koseoglou E, van der Wolf JM, Visser RGF, Bai Y (2022) Susceptibility reversed: modified plant susceptibility genes for resistance to bacteria. Trends Plant Sci 27:69–79. https://doi.org/10.1016/j.tplants.2021.07.018

Kreike CM, de Koning JR, Vinke JH, van Ooijen JW, Gebhardt C, Stiekema WJ (1993) Mapping of loci involved in quantitatively inherited resistance to the potato cyst-nematode Globodera rostochiensis pathotype Ro1. Theor Appl Genet 87:464–470. https://doi.org/10.1007/BF00215092

Kreike CM, de Koning JR, Vinke JH, van Ooijen JW, Stiekema WJ (1994) Quantitatively-inherited resistance to Globodera pallida is dominated by one major locus in Solanum spegazzinii. Theor Appl Genet 88:764–769. https://doi.org/10.1007/BF01253983

Langmead B, Salzberg SL (2012) Fast gapped-read alignment with Bowtie 2. Nat Methods 9:357–359. https://doi.org/10.1038/nmeth.1923

Lax P, Rondan Dueñas JC, Franco-Ponce J, Gardenal CN, Doucet ME (2014) Morphology and DNA sequence data reveal the presence of Globodera ellingtonae in the Andean region. Contrib Zool 83:227–243. https://doi.org/10.1163/18759866-08304002

Leisner CP, Hamilton JP, Crisovan E, Manrique-Carpintero NC, Marand AP, Newton L, Pham GM, Jiang J, Douches DS, Jansky SH, Buell CR (2018) Genome sequence of M6, a diploid inbred clone of the high-glycoalkaloid-producing tuber-bearing potato species Solanum chacoense, reveals residual heterozygosity. Plant J 94:562–570. https://doi.org/10.1111/tpj.13857

Mburu H, Cortada L, Haukeland S, Ronno W, Nyongesa M, Kinyua Z, Bargul JL, Coyne D (2020) Potato cyst nematodes: a new threat to potato production in East Africa. Front Plant Sci 11:670. https://doi.org/10.3389/fpls.2020.00670

McKenna A, Hanna M, Banks E, Sivachenko A, Cibulskis K, Kernytsky A, Garimella K, Altshuler D, Gabriel S, Daly M, DePristo MA (2010) The genome analysis toolkit: a MapReduce framework for analyzing next-generation DNA sequencing data. Genome Res 20:1297–1303. https://doi.org/10.1101/gr.107524.110

Melo ATO, Bartaula R, Hale I (2016) GBS-SNP-CROP: a reference-optional pipeline for SNP discovery and plant germplasm characterization using variable length, paired-end genotyping-by-sequencing data. BMC Bioinf 17:29. https://doi.org/10.1186/s12859-016-0879-y

Milne I, Stephen G, Bayer M, Cock PJ, Pritchard L, Cardle L, Shaw PD, Marshall D (2013) Using Tablet for visual exploration of second-generation sequencing data. Brief Bioinf 14:193–202. https://doi.org/10.1093/bib/bbs012

Pickup J, Roberts AMI, Nijs LJMFD (2018) Quarantine, distribution patterns and sampling. In: Perry RN, Moens M, Jones JT (eds) Cyst nematodes. CABI, Wallingford, pp 128–153

Poland JA, Brown PJ, Sorrells ME, Jannink JL (2012) Development of high-density genetic maps for barley and wheat using a novel two-enzyme genotyping-by-sequencing approach. PLoS ONE 7:e32253. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0032253

Potato Genome Sequencing Consortium (2011) Genome sequence and analysis of the tuber crop potato. Nature 475:189–195. https://doi.org/10.1038/nature10158

Ramakrishnan AP, Ritland CE, Blas Sevillano RH, Riseman A (2015) Review of potato molecular markers to enhance trait selection. Am J Potato Res 92:455–472. https://doi.org/10.1007/s12230-015-9455-7

Reid A, Evans F, Mulholland V et al (2015) High-throughput diagnosis of potato cyst nematodes in soil samples. Methods Mol Biol 1302:137–148. https://doi.org/10.1007/978-1-4939-2620-6_11

Sanchez-Puerta MV, Masuelli RW (2011) Evolution of nematode-resistant Mi-1 gene homologs in three species of Solanum. Mol Genet Genom 285:207–218. https://doi.org/10.1007/s00438-010-0596-6

Shaibu AS, Li B, Zhang S, Sun J (2020) Soybean cyst nematode-resistance: gene identification and breeding strategies. Crop J 8:892–904. https://doi.org/10.1016/j.cj.2020.03.001

Sharma SK, Bolser D, de Boer J, Sønderkær M, Amoros W, Carboni MF, D’Ambrosio JM, de la Cruz G, Di Genova A, Douches DS, Eguiluz M, Guo X, Guzman F, Hackett CA, Hamilton JP, Li G, Li Y, Lozano R, Maass A, Marshall D, Martinez D, McLean K, Mejía N, Milne L, Munive S, Nagy I, Ponce O, Ramirez M, Simon R, Thomson SJ, Torres Y, Waugh R, Zhang Z, Huang S, Visser RGF, Bachem CWB, Sagredo B, Feingold SE, Orjeda G, Veilleux RE, Bonierbale M, Jacobs JM, Milbourne D, Martin DM, Bryan GJ (2013) Construction of reference chromosome-scale pseudomolecules for potato: integrating the potato genome with genetic and physical maps. G3 3:2031–2047. https://doi.org/10.1534/g3.113.007153

Siddique S, Jones JT (2021) Advances in understanding plant root response to nematode attack. In: Understanding and improving crop root function. Burleigh Dodds Science Publishing, pp 267–300

Skantar AM, Handoo ZA, Zasada IA, Carta IRE, LK, Chitwood DJ, (2011) Morphological and molecular characterization of Globodera populations from Oregon and Idaho. Phytopathology 101:480–491. https://doi.org/10.1094/PHYTO-01-10-0010

Sun H, Jiao W-B, Krause K, Campoy JA, Goel M, Folz-Donahue K, Kukat C, Huettel B, Schneeberger K (2022) Chromosome-scale and haplotype-resolved genome assembly of a tetraploid potato cultivar. Nat Genet 54:342–348. https://doi.org/10.1038/s41588-022-01015-0

Turner SJ, Subbotin S (2013) Cyst nematodes. In: Perry RN, Moens M (eds) Plant nematology. CABI, Wallingford, pp 109–143

United Nations (2015) UN projects world population to reach 8.5 billion by 2030, driven by growth in developing countries. In: UN News. https://news.un.org/en/story/2015/07/505352-un-projects-world-population-reach-85-billion-2030-driven-growth-developing. Accessed 20 Sep 2023

Wolters PJ, Wouters D, Tikunov YM, Ayilalath S, Kodde LP, Strijker M, Caarls L, Visser RG, Vleeshouwers VG (2023) Tetraose steroidal glycoalkaloids from potato provide resistance against Alternaria solani and Colorado potato beetle. bioRxiv 2022.09.28.509958