Genética y localización del locus de la apomixis en especies del grupo Plicatula de Paspalum L. reveladas por técnicas moleculares

Abstract

Apomixis is a mode of asexual reproduction through seeds that originate progeny that is genetically identical to the mother plant. It is significant in the subfamily Panicoideae and genera Paspalum and its importance is given by the evolutionary connotations and its implications in breeding plant. Paspalum (Poaceae) is a genus comprising between 330 and 400 natural species of tropical, subtropical and temperate regions, mainly from North America and South America. Plicatula group of Paspalum comprises many promising species as forage resources and several of them are typical on natural fields of northeastern Argentina. Most apomictic species are tetraploid and usually possess sexual diploid co-specific counterparts. Sexual tetraploid plants have not been found in nature so far. The objectives of this research were: to generate a segregating population for the reproductive mode by crossing Paspalum plicatulum 4PT (completely sexual, experimentally induced) and P. guenoarum GR19 (natural apomictic) at tetraploid level, to construct genetic linkage maps of both species, to localize the region responsible for apomixis on the male map, to investigate the mode of inheritance (tetrasomic or disomic) of both parental genotypes. An interspecific hybrid population of 211 F1 plants, segregating for reproductive mode, was generated. Classification of 206 hybrids showed that 127 of them were sexual and 79 apomictic. The progeny showed morphological characteristics intermediate compared to their parents but resembling more the male plant. Inheritance of apomixis in Plicatula species showed a segregation distortion of 1.6:1, favoring to sexual individuals. This proposed apomixis segregation model in Plicatula is a novelty for interspecific hybrids of Paspalum. P. guenoarum and P. plicatulum are autotetraploids and both species show tetrasomic inheritance, according to the DDA markers of both genotypes that fixed to the 5:1 ratio. Moreover, some regions of both parental genomes showed disomic inheritance (markers 3:1 and bivalent chromosome associations). Both species share the same basic genomic complement. Seventeen AFLP primer combinations were assayed in 89 F1 individuals (55 sexual and 34 apomictic). The female genetic linkage frame map consisted of 89 markers [39 maternal (1:1) and 50 biparental (3:1)] assigned to 11 cosegregation groups, covering a distance of 819 cM. The genetic male linkage frame map was formed by 127 markers [76 paternal (1:1 and 1:1.6) and 51 biparental (3:1)], that were distributed in 23 cosegregation groups, spanning 1393 cM. The linkage group carrying apomixis (apo group, M10) was identified on the male map. Seven markers mapped onto the M10 linkage group: the character apomixis, 5 paternal markers and a biparental marker. Paternal markers that mapped onto M10 and apomixis showed segregation distortion, thus confirming the distorted transmission of the character and its associated genomic region. Unlike the data for other aposporic Paspalum species and other grasses, markers completely linked to apomixis have not been detected in P. guenoarum. Two paternal markers mapped to 4 and 7 cM from apomixis locus. Results presented in this work indicated that Plicatula species may be different cases from those previously described in the genus. Probably, P. guenoarum represents a new model for studying apomixis in Paspalum.

La apomixis es un sistema de reproducción asexual a través de semillas que conduce a la generación de progenies genéticamente idénticas a la planta madre. Este tipo de reproducción es significativo en varios géneros de la subfamilia Panicoideae e importante por sus connotaciones evolutivas y por sus implicancias en el mejoramiento genético. Paspalum es un género de la familia Poaceae que comprende entre 330 y 400 especies naturales de regiones tropicales, subtropicales y templadas, principalmente de América del Norte y América del Sur. El grupo Plicatula sobresale dentro del género por el potencial forrajero de sus especies, muchas de ellas típicas de los campos del NE de Argentina. La mayoría de estas especies son tetraploides (2n = 4x = 40 cromosomas) y de reproducción apomíctica (4xA), y algunas de ellas tienen una contraparte coespecífica diploide sexual (2n = 2x = 20) (2xS). Hasta el momento no se han encontrado citotipos tetraploides sexuales (4xS) creciendo en la naturaleza. El objetivo de este trabajo fue generar conocimiento sobre el control genético de la apomixis en especies del grupo PLICATULA DE Paspalum L. mediante la utilización de técnicas molculares. Para ello, se generó una población segregante para el modo de reproducción mediante el cruzamiento entre las especies tetraploides de Paspalum plicatulum (100 % sexual, de origen experimental) y P. guenoarum (apomíctico natural), se construyeron los mapas de ligamiento genético de ambas especies, se localizó en el mapa masculino la región responsable de la apomixis, se comprobó el tipo de herencia de ambos genotipos parentales y se compararon los resultados con los antecedentes citogenéticos. Se generó una población híbrida interespecífica, segregante para el modo reproductivo, de 211 plantas F1. De 206 híbridos clasificados, 127 se reproducen por sexualidad y 79 son apomícticos. Los individuos F1 heredaron más características del padre GR19 que de la madre 4PT, lo cual indicó el origen híbrido de la progenie. La herencia del carácter apomixis en especies de Plicatula mostró una distorsión en la segregación para el carácter modo reproductivo de 1,6:1 a favor de los individuos sexuales. Este modelo de segregación del carácter propuesto para especies de Plicatula representa una novedad para híbridos interespecíficos del género. P. guenoarum GR19 es de origen autotetraploide, como P. plicatulum 4PT y ambas especies presentan en general una herencia de tipo tetrasómica, como lo evidencian los marcadores ADD de ambos genotipos que se ajustaron a la proporción 5:1. Por otra parte, algunos sectores de los genomas de ambos parentales presentarían herencia de tipo disómica (indicados por los marcadores 3:1 y las frecuentes asociaciones cromosómicas bivalentes). Ambas especies comparten el mismo complemento genómico básico. Diecisiete combinaciones de cebadores de AFLP fueron ensayadas en 89 individuos F1 (55 sexuales y 34 apomícticos) que conformaron la población de mapeo. El mapa marco de ligamiento genético del genotipo tetraploide sexual de P. plicatulum consistió en 89 marcadores [39 maternos (1:1) y 50 biparentales (3:1)] asignados a 11 grupos de cosegregación cubriendo una distancia total de 819 cM. El mapa marco de ligamiento genético de P. guenoarum tetraploide apomíctico consistió en 127 marcadores [76 paternos (1:1 y 1:1,6) y 51 biparentales (3:1)], que se distribuyeron en 23 grupos de cosegregación. La distancia total cubierta fue de 1393 cM. En el mapa paterno se identificó el grupo de ligamiento que contiene al locus responsable de la apomixis (grupo apo, M10). El grupo apo M10 quedó conformado por 7 marcadores: el carácter apomixis, 5 marcadores paternos y un marcador biparental. Los marcadores paternos que mapearon en M10, así como la apomixis mostraron distorsión en la segregación, confirmando así la distorsión en la transmisión del carácter observada en la progenie F1 y de la región genómica asociada. A diferencia de lo observado para otras especies apospóricas de Paspalum y otras gramíneas apomícticas, hasta el momento, el análisis de ligamiento realizado en P. guenoarum no ha revelado marcadores completamente ligados a la apomixis. Los marcadores paternos que mapearon a menor distancia de dicho marcador genético lo hicieron a 4 cM y a 7 cM. El caso de Plicatula puede ser diferente a los descriptos anteriormente y parece ser especial dentro del género. Posiblemente, si nos referimos a P. guenoarum estemos frente a un modelo distinto dentro de Paspalum para el estudio de la apomixis.