Tesis doctoral
Establecimiento de relaciones de cruzabilidad y genómicas en el germoplasma silvestre de maní
Fecha
2022Registro en:
García, Alejandra Vanina, 2022. Establecimiento de relaciones de cruzabilidad y genómicas en el germoplasma silvestre de maní. Tesis doctoral. Corrientes: Universidad Nacional del Nordeste. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales y Agrimensura.
Autor
García, Alejandra Vanina
Institución
Resumen
La extensa variabilidad que presentan las especies silvestres del género
Arachis constituye una invaluable fuente de genes de interés agronómico. Sin
embargo, su uso en programas de mejoramiento del maní es limitado debido al
escaso conocimiento sobre la biología reproductiva de las mismas, asi como del
efecto de la composición genómica, diferencias cromosómicas y distancia genética
en la capacidad de generar híbridos viables y fértiles entre las especies. Por lo
tanto, en esta tesis se planteó como objetivo general analizar las relaciones
genómicas y de cruzabilidad entre especies representativas de los genomas A, B y
K, con el fin de incrementar el conocimiento básico de las especies silvestres e
incentivar su uso en la resolución de problemas agronómicos del maní.
Para tal fin se diseñó un sistema de cruzamientos que incluyó todas las
combinaciones híbridas intra e intergenómicas posibles entre seis especies de la
sección Arachis representativas de los genomas A (A. kempff-mercadoi, A.
helodes), B (A. williamsii, A. valida) y K (A. batizocoi, A. cruziana). Además, se
incluyeron controles para evaluar la eficiencia reproductiva de las especies
mediante la capacidad de formar semillas por autofecundación (control A), y los
efectos introducidos mediante la manipulación manual de las flores utilizando la
técnica de castración y polinización con polen de la misma especie, en la formación
de semillas (control B).
Los análisis de eficiencia reproductiva de las especies parentales (control A),
revelaron que las especies silvestres presentan diferencias en el sistema
reproductivo, con variaciones en la producción de semillas por autogamia. Esta
diferencia probablemente esté asociada con diferencias en la transferencia efectiva
del polen a la superficie estigmática. Por otro lado, las polinizaciones artificiales
(control B) aumentaron o mantuvieron la eficiencia reproductiva de las especies
permitiendo descartar un efecto negativo de la manipulación de las flores, y
sustentando que una mejora en la transferencia de polen en la naturaleza mejoraría
la eficiencia reproductiva en algunas especies.
El análisis de las relaciones de cruzabilidad se realizó utilizando la efectividad
relativa corregida con la eficiencia reproductiva de cada especie. Los resultados de
los cruzamientos intragenómicos evidenciaron eficiencias dispares en las
combinaciones recíprocas y que A. batizocoi (KK), A. williamsii (BB) y A. helodes (AA) presentaron mayores efectividades de hibridación como progenitores
femeninos. Estas serían las mejores candidatas para ser utilizadas en planes de
hibridación con otras especies del mismo genoma.
Los resultados de los cruzamientos intergenómicos entre especies A y K,
revelaron que A. batizocoi presentó mejor comportamiento como progenitor
femenino en polinizaciones con A. helodes, mientras A. cruziana lo hace con A.
kempff mercadoi. En cruzamientos entre A. williamsii y especies del genoma A no
se evidenciaron incompatibilidades diferenciales entre las especies. Arachis
helodes presentó mejor comportamiento que la especie anual en los cruzamientos
con A. cruziana (K) y A. valida (B), siendo las únicas combinaciones en las que la
especie perenne tuvo mejor comportamiento que la anual como progenitor
femenino. Para las combinaciones entre especies anuales, los resultados
demostraron que A. batizocoi y A. williamsii se desempeñaron mejor como
progenitores femeninos, constituyendo las mejores especies con genoma B y K, de
las seleccionadas, para generar híbridos y anfidiploides.
Estos resultados demostraron que la efectividad de hibridación interespecífica
tiene relación directa con la eficiencia reproductiva de las especies utilizadas como
progenitores femeninos, la combinación genómica y la dirección del cruzamiento.
Por otro lado, la comparación de las efectividades de hibridación relativa, y del
análisis de los caracteres vegetativos y reproductivos de los híbridos permitieron
inferir que la capacidad de cruzabilidad estaría influenciada por distintas barreras
de aislamiento reproductivo precigóticas (como la transferencia de polen al estigma,
polinización y fertilización efectiva), y barreras postcigóticas tempranas (aquellas
asociadas al desarrollo del embrión). Los híbridos obtenidos en 25 combinaciones
evidenciaron que estas barreras se manifiestan con distinto grado entre los pares
de especies, aunque con mayor intensidad en los cruzamientos intergenómicos.
Las afinidades genómicas entre las especies seleccionadas fueron inferidas,
en primer término, mediante el análisis de las configuraciones meióticas, del
comportamiento meiótico desde profase I hasta ana-telofase II, del índice meiótico
y de la viabilidad del polen en los híbridos intra e intergenómicos obtenidos. Las
diferentes frecuencias de bivalentes, univalentes y multivalentes observadas,
demuestran distintos grados de homologías cromosómicas entre los pares de
especies. Los malos apareamientos cromosómicos y las diferencias estructurales
se manifestaron en diversas anomalías en el comportamiento meiótico. Los índices
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meióticos, relativamente altos en todos los híbridos, no reflejaron los desbalances
cromosómicos numéricos y/o estructurales esperados. Sin embargo, los valores de
viabilidad del polen, menores a los esperados, sugieren que la sobrevida del polen
estaría afectada, no sólo por las diferencias en homología cromosómica, sino que
también por incompatibilidades génicas que se expresan en el gametofito haploide.
Las distancias genéticas entre las especies parentales se evaluaron utilizando
polimorfismos de nucleótido simple (SNPs) mediante la plataforma Axiom Arachis
48K. Los resultados mostraron que la distancia mayor se encuentra entre las
especies de los genomas B y A, y que las del genoma K se encuentran en una
posición intermedia entre estas, aunque más cercanas a las del genoma B.
El análisis de correlaciones pareadas de las variables analizadas en esta tesis
mostró que la distancia genética presenta una baja e inversa relación con la
efectividad de hibridación de las especies. Esto sugiere que las diferencias en las
secuencias de ADN, por sí solas, no serían un buen estimador de la capacidad de
generar híbridos interespecíficos. Esta baja relación evidencia que las barreras de
aislamiento reproductivo precigótico y poscigótico tempranas, determinadas
probablemente por pocos genes, tienen una gran influencia sobre la efectividad de
hibridación. Por otra parte, la baja relación existente entre la distancia genética y la
frecuencia de bivalentes, índice meiótico y viabilidad del polen, sugiere que la
fertilidad de los híbridos estaría influenciada por diferencias / incompatibilidades
postcigóticas en al menos dos niveles de organización del material genético, la
cromosómica y la génica expresada a nivel de gametofito haploide.
La evaluación integral de diversas variables asociadas a barreras
reproductivas permitió estimar la contribución diferencial de las homologías
cromosómicas y distancia genética a la factibilidad de obtener híbridos viables y
fértiles entre especies de Arachis. En conjunto, la información obtenida demuestra
que ninguna de las variables evaluadas de forma independiente constituye un buen
predictor de la cruzabilidad de las especies y que es imprescindible considerar otras
variables, principalmente las asociadas con el aislamiento precigótico y postcigótico
temprano. Se propone que la extensión de estos análisis integradores a las demás
especies que integran el germoplasma secundario del maní será de relevancia para
optimizar los criterios de selección de parentales para cruzamientos dirigidos y para
promover el uso de las especies silvestres de Arachis en programas de
mejoramiento. The vast variability of Arachis wild species is an invaluable source of
agronomic interest genes. However, their use in peanut breeding programs is limited
due to the scarce knowledge of their reproductive biology, as well as the effect of
genomic composition, chromosomal differences and genetic distance on the ability
to generate viable and fertile hybrids between species. Therefore, the main objective
of this thesis was to analyze the genomic and crossability relationships between
representative species of the A, B and K genomes, in order to enhance the basic
knowledge of wild species and encourage their use in the resolution of agronomic
problems of peanut.
With this purpose, a crossing system was designed including all possible intra-
and intergenomic hybrid combinations between six species of section Arachis
representing genomes A (A. kempff-mercadoi, A. helodes), B (A. williamsii, A.
valida) and K (A. batizocoi, A. cruziana). Additionally, we included controls to
evaluate the reproductive efficiency of the species through the ability of forming
seeds by self-fertilization (control A), and the effects introduced by manual
manipulation of flowers using the technique of emasculation and pollination with
pollen of the same species, on the formation of seeds (control B).
The reproductive efficiency analysis of the parental species (control A)
revealed that the wild species show differences in the reproductive system, with
variations in seed production by autogamy. This difference is probably associated
to differences in the effective transfer of pollen to the stigmatic surface. Furthermore,
artificial pollination (control B) increased or maintained the reproductive efficiency
of the species, allowing us to rule out a negative effect of flower manipulation, and
supporting that an improvement in pollen transfer in the wild would enhance
reproductive efficiency in some species.
The analysis of the crossability relationships was performed using the relative
effectiveness corrected with the reproductive efficiency of each species. The results
of the intragenomic crosses evidenced dissimilar efficiencies in the reciprocal
combinations and that A. batizocoi (KK), A. williamsii (BB) and A. helodes (AA)
exhibit higher hybridization efficiencies as female parents. These would be the most
suitable candidates to be used in hybridization schemes with other species of the
same genome.
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The results of intergenomic crosses between A and K species revealed that A.
batizocoi performed better as a female parent in pollination with A. helodes, while
A. cruziana performed better with A. kempff-mercadoi. In crosses between A.
williamsii and species of the A genome, no differential incompatibilities were
observed between the species. Arachis helodes performed better than the annual
species in crosses with A. cruziana (K) and A. valida (B), thus resulting the only
combinations in which the perennial species performed better than the annual
species as female parent. Regarding the combinations between annual species, the
results showed that A. batizocoi and A. williamsii performed better as female
parents, representing the best selected species with B and K genome for generating
hybrids and amphidiploids.
These results demonstrated that the effectiveness of interspecific hybridization
is directly related to the reproductive efficiency of the species used as female
parents, the genomic combination and the crossing direction.
The comparison of relative hybridization efficiencies and the analysis of
vegetative and reproductive characters of the hybrids allowed inferring that the
crossability capability could be influenced by different prezygotic reproductive
isolation barriers (such as pollen transfer to the stigma, pollination and effective
fertilization), and early postzygotic barriers (those associated with embryo
development). The hybrids obtained in 25 combinations evidenced that these
barriers are manifested with varying degrees between pairs of species, although
with greater strength in intergenomic crosses.
Genomic affinities between the selected species were first inferred from the
analysis of meiotic configurations, meiotic behavior from prophase I to ana-
telophase II, meiotic index and pollen viability in the intra- and intergenomic hybrids
obtained. The differing frequencies of bivalents, univalents and multivalents
observed indicate different degrees of chromosomal homologies between the pairs
of species. Chromosomal mispairings and structural differences were manifested in
diverse abnormalities in meiotic behavior. Meiotic indexes, relatively high in all
hybrids, did not reflect the expected numerical and/or structural chromosomal
imbalances. However, values of pollen viability, lower than expected, suggest that
pollen survival would be affected not only by differences in chromosomal homology,
but also by gene incompatibilities expressed in the haploid gametophyte.
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Genetic distances between the parental species were evaluated using single
nucleotide polymorphisms (SNPs) with the Axiom Arachis 48K platform. The results
revealed that the greatest distance is found between the species of the B and A
genomes, and that those of the K genome are in an intermediate position between
them, although closer to those of the B genome.
The paired correlation analysis of the variables analyzed in this thesis revealed
that genetic distance has a low and inverse relation with the hybridization
effectiveness of the species. This suggests that differences in DNA sequences
alone would not be a reliable estimator of the capability to generate interspecific
hybrids. This low relationship evidences that prezygotic and early postzygotic
reproductive isolation barriers, probably determined by a few genes, have a strong
influence on hybridization effectiveness. Otherwise, the low relationship between
genetic distance and bivalent frequency, meiotic index and pollen viability suggest
that hybrid fertility would be influenced by postzygotic differences/incompatibilities
in at least two levels of organization of the genetic material, the chromosomal and
the genetic, expressed at the haploid gametophyte level.
The integral evaluation of distinct variables associated with reproductive
barriers allowed estimating the differential contribution of chromosomal homologies
and genetic distance to the feasibility in obtaining viable and fertile hybrids between
Arachis species. Overall, the information collected shows that none of the variables
evaluated independently constitutes a good predictor of the crossability of the
species and that it is essential to consider other variables, mainly those associated
with prezygotic and early postzygotic isolation. It is proposed that the extension of
these integrative analyses to the other species that comprise the secondary
germplasm of peanut will be of relevance to optimize the criteria for the selection of
parents for directed crosses and to promote the use of wild Arachis species in
breeding programs.