Alfonso del Rio

Evidence for the up-regulation of stearoyl-ACP (Δ9) desaturase gene expression during cold acclimation

Our previous studies demonstrated that an increase in 18:2 (linoleate) in the purified plasma membrane fraction during cold acclimation is associated with genetic variations in cold acclimation capacity. This increase was found only in genotypes that are able to cold acclimate and was reversible on deacclimation suggesting a link between the accumulation of 18:2 and acquisition of freezing tolerance. The present study was aimed at understanding the association between the induction of stearoyl-ACP (acyl carrier protein) (Δ9) desaturase and the ability to cold acclimate. Our approach was to study the induction of Δ9 desaturase at the transcript level using potato Δ9 desaturase gene-specific primers and reverse transcription polymerase chain reaction (RT-PCR). For this purpose, total RNA fromSolanum tuberosum (cold sensitive, unable to acclimate) andSolanum commersonii (cold tolerant, able to cold acclimate) was extracted before and after cold acclimation. RT-PCR produced a single band and sequence analysis confirmed that the amplified band was Δ9 desaturase. While the cold acclimating species,Solanum commersonii, exhibited an increase in Δ9 desaturase transcript levels after cold acclimation, the cold non-acclimating species,Solanum tuberosum, exhibited no change. Our results show that the increase in Δ9 desaturase gene transcripts during cold acclimation is associated with the cold acclimation response in potato.ResumenEstudios realizados en nuestro laboratorio han demostrado que durante la acclimatación a bajas temperaturas existe un incremento del ácido linoleico (18:2) en la membrana plasmática. Dicho incremento está asociado con la variación genética observada en la capacidad de aclimatación en papa. Este incremento fue encontrado únicamente en los genotipos capaces de aclimatarse y fue reversible durante la deaclimatacion sugiriendo que existe una relacion entre acumulación de 18:2 y adquisición de resistencia a bajas temperaturas. El presente trabajo tuvo como objetivo estudiar la asociación entre la inducción de la desaturasa stearoyl-ACP (proteina portadora de acyl) (Δ9) y la habilidad de aclimatarse a bajas temperaturas. Para ello se estudió la inducción de la desaturasa Δ9 a nivel the transcripción utilizando primers especificos para el gen de desaturasa de papa mediante reacción de polimerasa en cadena de transcripción reversa (RT-PCR). Se extrajo el ARN total deSolanum tuberosum (sensible a heladas, incapaz de aclimatarse a bajas temperaturas) ySolanum commersonii (resistente a heladas, capaz de aclimatarse a bajas temperaturas) antes y después del proceso de aclimatación. RT-PCR produjo una sohl banda y el análisis de la secuencia confirmó que la banda amplificada era desaturasa Δ9. Mientras que la especie capaz de aclimatarse,Solanum commersonii, exhibió un incremento en los niveles de transcripción de la desaturasa Δ9 después de la aclimatación, la especie incapaz de aclimatarse,Solanum tuberosum, no exhibió ningún cambio. Nuestros resultados demuestran que el incremento en la transcripción del gen de desaturasa Δ9 durante la aclimatación a bajas temperaturas está asociado con la capacidad de aclimatación a bajas temperaturas en papa.

Genetic Consequences of Clonal Versus Seed Sampling in Model Populations of Two Wild Potato Species Indigenous to the USA

Wild potatoes reproduce in the wild clonally by tubers or sexually by seeds. This case study examined the genetic consequences of sampling in situ clones or in situ seeds for model populations of two indigenous potato species of the USA, Solanum stoloniferum (formerly S. fendleri) PI 564039 and Solanum jamesii PI 605371. Solanum stoloniferum is a selfing disomic tetraploid while S. jamesii is a diploid that reproduces by outcrossing. Genetic diversity of in situ clonal collections and in situ seed collections of these species were compared with RAPDs. More diversity (i.e., RAPD polymorphism) was found within the tuber collection than seed collection for S. stoloniferum but for S. jamesii, the opposite was true, with seed collection capturing significantly more diversity than tubers. It has generally been assumed that collecting in situ seeds will result in capture of more genetic diversity. However, this work indicates that clonal collections may capture more genetic diversity, perhaps depending on the breeding behavior of the species.ResumenEn habitats naturales, las especies silvestres de papa se reproducen clonalmente mediante tubérculos o sexualmente mediante semillas. Esta investigación comparó las consecuencias genéticas de recolectar clones o semillas in situ cuando se hacen colecciones. Para ello, se utilizaron dos especies silvestres nativas en los E.E.U.U. como modelos: Solanum stoloniferum (antes conocida como S. fendleri) PI 564039 y Solanum jamesii PI 605371. Solanum stoloniferum es un tetraploide disómico que se reproduce por autofecundación, mientras que S. jamesii es un diploide de reproducción cruzada. La diversidad genética de las colecciones clonales in situ y de las colecciones de semilla in situ fueron comparadas para estas dos especies usando RAPDs. En S. stoloniferum, la mayor diversidad (es decir, mayor polimorfismo de RAPDs) fue encontrada dentro de la colección generada a partir de tubérculos que en la colección de semillas. Sin embargo, en S. jamesii el resultado fue lo opuesto, la colección de semillas capturó considerablemente más diversidad que los tubérculos. Comúnmente se ha asumido que al recolectar semillas in situ uno captura más diversidad genética. Sin embargo, este trabajo revela que las colecciones clonales podrían capturar mayor diversidad genética, aunque probablemente dependiendo del comportamiento reproductivo de la especie.

Proximity and Introgression of Other Potato Species Does not Explain Genetic Dissimilarity between Solanum verrucosum Populations of Northern and Southern Mexico

Decisions that improve genebank management depend on understanding patterns of diversity in the genetic resources being conserved. In potato, populations of the wild Mexican species S. verrucosum (ver) collected from the north (N) of the natural range had been shown to be genetically distinctive from those in the south (S). But this geographic association with genetic diversity was noted to be confounded with proximity of other wild potato species, suggesting introgression as a possible cause. RAPD bands that distinguished N and S ver were generated. When their association with nearby populations of other wild potato species was assessed, the hypothesis of introgression was not supported. We conclude that the apparently distinctive genetics of N ver are not explained by common alleles introgressed from proximal populations of other species. Thus, N ver germplasm populations, although less numerous, should be represented in samples of species ver with regard to collection, preservation and evaluation.ResumenLas decisiones que mejoran el manejo de un banco de genes dependen del entender los patrones de diversidad en los recursos genéticos que estén siendo conservados. En papa, las poblaciones de la especie mexicana S. verrucosum (ver) colectadas del norte (N) de la cordillera han demostrado ser genéticamente diferentes de aquellas en el sur (S). Pero esta asociación geográfica con diversidad genética estaba confundida con la proximidad de otras especies silvestres de papa, sugiriendo la introgresión como una posible causa. Bandas de RAPD que distinguen ver del N y S fueron generadas. Cuando se evaluó la asociación con poblaciones vecinas de otras especies silvestres, la hipótesis de introgresión no fue respaldada. Concluimos que la genética aparentemente particular de ver del N no es explicada por la introgresion de alelos comunes de poblaciones próximas de otras especies. De tal manera que las poblaciones de germoplasma ver del N, aunque menos numerosas, deberían ser representadas en muestras de especies ver con respecto a la colección, preservación y evaluación.

Matryoshka: A New Floral Mutant in Wild Potato

A population of the wild potato S. stoloniferum form fendleri (PI 660270) was collected as botanical seeds in the Santa Rita Mountains near Green Valley, Arizona, USA in fall 2010. Original seeds planted for multiplication at the genebank produced two plants with extra whorls of petals, sometimes fused with anthers, and, most remarkably, successive whorls of petals, anthers and carpels nested inside the primary carpel. This mutant was named matryoshka after the similarly nested Russian dolls. Floral morphology of mutants varies. It can have nearly normal male and female fertility in some individuals. Crossing studies indicate that the mutant form is dominant. Expression of the mutant may vary over the flowering cycle of the plant, with earlier flowers appearing mutant and later flowers appearing normal. Tests for pathogens were negative. Flower development mutants are of interest considering the potential for manipulating interspecific crossability, apomixis, and virus elimination in potato, and their usefulness may be extended to the important closely-related fruit crops of tomato, pepper, and eggplant. Matryoshka could also be useful in studies of potato adaptation in the wild: For example, seedless matryoshka fruit may serve as decoys to suppress the seed-eating larvae of Odenicarena fruit flies and Cecidomyiid gall flies which are especially prevalent in the geographic area where the mutant originates.ResumenUna población de la papa silvestre S. stoloniferum (forma fendleri) (PI 660270) fue colectada como semilla botánica en las montañas de Santa Rita, cerca de Green Valley en Arizona, EEUU, en el otoño del 2010. Las semillas originales sembradas para multiplicación en el banco de germoplasma produjeron dos plantas mostrando ramilletes adicionales de pétalos, algunas veces fusionados con anteras, y lo más llamativo, mostrando ramilletes sucesivos de pétalos, anteras y carpelos todos ellos anidados dentro del carpelo primario. A este mutante se le dio el nombre de Matryoshka debido a la analogia de los anidados observados en las famosas muñecas rusas. La morfología floral observada en los mutantes fue varíable. Los niveles de fertilidad masculina y femenina fueron casi normales en algunos individuos. Estudios de cruzamientos indicaron que la mutación es dominante. La expresión de la mutación puede variar durante el ciclo de floración de la planta, con flores apareciendo temprano mostrando apariencia mutante pero luego mostrando una apariencia normal en las flores que aparecen tarde en el ciclo floral. Las pruebas hechas para detectar patógenos fueron negativas. Mutantes del ciclo floral son de interés considerando el potencial de estos para la manipulación de cruzabilidad interespecífica, apomixis, y la eliminación de virus en papa, ademas su utilidad podria ser extendida a otros cultivos de fruto importantes y cercanamente relacionados como tomate, pimiento y berenjena. Matryoshka podria tambien ser util en estudios de la adaptación de la papa en habitats naturales. Por ejemplo, el fruto sin semillas generado por Matryoshka podria servir como un señuelo para suprimir infestación de larvas de la mosca de la fruta Odenicarena que se alimenta de la semilla y moscas del genero Cecidomyiid que produce tumores, estos insectos son especialmente prevalentes en el área geográfica donde se origina este mutante.

Successful Prediction of Genetic Richness at Wild Potato Collection Sites in Southeastern Arizona

Collecting germplasm from even a fraction of the potential geographic range of wild potato species requires substantial time, money, and effort, so efficiency could be increased if spots particularly rich in unique alleles could be predicted and prioritized. A previous experiment that used AFLP markers to compare “remote” versus “easy” collection sites for Solanum stoloniferum, (previously S. fendleri) within three mountain ranges identified the Santa Catalina Mountains (CAT) of SE Arizona as making a particularly large contribution of unique alleles, despite existing CAT collections being few and all close to roads. This situation motivated a collecting expedition in September 2009 to more thoroughly collect CAT. That expedition resulted in samples of 16 populations, most from new sites never previously described or collected. An analysis was done with 871 AFLP loci, comparing populations from the same three mountain ranges and including the 2009 CAT collections. Results confirmed the prediction of unique allele density of certain location categories within mountain ranges. The new CAT collections captured three times as many unique alleles as contained in the previous collections from that location, and 24 of these were new (unique) among all mountain ranges. One particular new collection, PI 658180, accounted for 46% of the new unique alleles collected in CAT. This study demonstrates the power of DNA markers to empirically identify locations with genetic richness, guiding the most efficient allocation of resources for collecting, preservation, and evaluation of germplasm.ResumenColectar solo una fracción del potencial rango geográfico de especies silvestres de papa implica un gran gasto de tiempo, dinero y esfuerzo, por ello hay mucho que ganar en términos de eficiencia cuando es posible predecir y establecer “hot spots” de diversidad para establecer prioridades de colección. Un experimento previo utilizando marcadores AFLP comparó sitios de colección “remotos” frente a “fáciles”, en la especie Solanum stoloniferum, (anteriormente llamada S. fendleri), en tres diferentes cadenas montañosas. Este estudio identificó que las montañas de Santa Catalina (CAT), del SE de Arizona, tenían una contribución particularmente grande de alelos únicos, a pesar que esta colección de CAT era pequeña y que la mayoría había sido colectada cerca de carreteras. Esta situación motivó que se organizara una expedición en Septiembre del 2009 para colectar más extensivamente en la región de CAT. Esta expedición resultó en la colección de 16 poblaciones, la mayoría de las cuales fueron originadas de nuevos sitios los cuales nunca habían sido anteriormente descritos o colectados. Un análisis en base a 871 loci de AFLP fue llevado a cabo para comparar poblaciones de las mismas tres cadenas de montañas, esta vez incluyendo las colecciones nuevas de CAT del 2009. Los resultados confirmaron la predicción sobre la proporción de alelos únicos de determinadas categorías en cada ubicación particular dentro de cada cadena montañosa. Las nuevas colecciones de CAT mostraron capturar hasta tres veces más alelos únicos cuando comparados con las colecciones anteriores en esta misma ubicación, y 24 de estos alelos fueron nuevos (únicos) cuando comparados entre todos los rangos de montaña. Una de las nuevas colecciones en particular, PI 658180, contribuyó con el 46% de los nuevos alelos únicos colectados en CAT. Este estudio demuestra así el poder de los marcadores de ADN para identificar empíricamente lugares con riqueza genética así como orientar sobre la manera más eficiente de usar recursos para colección, conservación y evaluación de germoplasma.

Marker-assisted genetic analysis of non-acclimated freezing tolerance and cold acclimation capacity in a backcrossSolarium population

Random amplified polymorphic DNA (RAPD) and simple sequence repeat (SSR) markers were used to construct a partial genetic linkage map in a potato backcross population. The population, derived from two diploid wildSolatium species (frost tolerant, able to cold acclimateS. commersonii; frost sensitive, unable to cold acclimateS. cardiophyllum), was used to map quantitative trait loci (QTL) of non-acclimated relative freezing tolerance (NARFT) and cold acclimation capacity (CAC). Precise assessment of these traits allowed distinction of small but significant differences among 35 backcross genotypes. NARFT and CAC were not correlated in the segregating population, suggesting independent genetic control for these two major components of freezing tolerance. The linkage map spanned 479.4 cM and included 77 RAPD markers and two SSR markers, with 38 RAPD and 10 SSR unassigned markers. Two QTLs for NARFT were detected in two different linkage groups, accounting for 44.0% of the phenotypic variation for this trait. Two QTLs for CAC were detected, accounting for 24.9% of the phenotypic variation for this trait. QTLs for NARFT and CAC were detected at separate genomic regions, in support of the independent genetic control of these two traits. QTLs for NARFT and CAC were detected in a linkage group identified as part of chromosome V, suggesting that such chromosome constitutes a prime candidate for fine-mapping. Due to the relatively small progeny size evaluated in this study, additional QTLs for NARFT and CAC could have been involved but not identified. Therefore, the conclusions derived from this study should be considered preliminary.ResumenMarcadores de DNA polimórfico amplificado al azar (RAPD) y de secuencias simples repetidas (SSR) fueron utilizadas para construir un mapa parcial de ligamiento genético en una población de retro-cruza de papa. Esta población fue derivada de dos especies silvestres diploides,S. commersonii (resistente a heladas, capaz de acclimatarse a bajas temperaturas) yS. cardiophyllum (sensible a heladas, incapaz de aclimatarse a bajas temperaturas), y se utilizó para mapear loci de carácteres cuantitativos (QTL) para la tolerancia relativa a heladas sin aclimatación a bajas temperaturas (NARFT) y la capacidad de aclimatarse a bajas temperaturas (CAC). La determinacién precisa de estos dos caracteres permitió encontrar diferencias pequeñas pero significativas entre los 35 genotipos de la retro-cruza. La correlación entre NARFT y CAC no fue significativa en la población segregante, sugieriendo que existe un control genético independiente para cada uno de estos dos componentes mayores de la tolerancia a heladas. El tamaño del mapa fue de 479.4cM e incluyó 77 marcadores RAPD y dos marcadores SSR; con 38 marcadores RAPD y 10 marcadores SSR sin asignar. Para NARFT, dos QTLs fueron detectados en dos diferentes grupos de ligamiento representando 44.0% de la variación fenotípica observada en este carácter. Para CAC, dos QTLs fueron detectados, los cuales representaron 24.9% de la variación fenotípica observada en este carácter. Los QTLs para NARFT y CAC fueron detectados en diferentes regiones genomicas, confirmando el control genético independiente de estos dos caracteres. Los QTLs para NARFT y CAC fueron detectados en un grupo de ligamiento identificado como parte del cromosoma V, sugiriendo que dicho cromosoma podria ser un candidato principal para mapeo fino. Debido a que el tamano de la población evaluada en este estudio fue relativamente pequeño, QTLs adicionales para NARFT y CAC podrían existir. En consecuencia, las conclusiones derivadas de este estudio deben ser consideradas como preliminares.

New sources of resistance to race Ro1 of the Golden nematode (Globodera rostochiensis Woll.) among reputed duplicate germplasm accessions of Solanum tuberosum L. subsp. andigena (Juz. et Buk.) Hawkes in the VIR (Russian) and US Potato Genebanks

Cultivated Solanum tuberosum L. subsp. andigena is well known as a rich source of valuable traits for potato breeding, especially for resistance to diseases and pests. The golden potato cyst nematode, Globodera rostochiensis Woll., is considered to be one of today’s most serious hindrances to potato production in Europe and North America. Thus, the breeding of new cultivars that have resistance to PCN is of great importance. The USPG (USA) and VIR (Russian) potato genebanks, as well as others, maintain many samples of primitive cultivated and wild potato species originating from Latin America. Many of these samples are assumed to be genetically duplicated because the material in both genebanks came from the same original source. A joint investigation of new genotypes of subsp. andigena forms resistant to potato cyst nematode (PCN) was carried out on samples of subsp. andigena at VIR with reputed duplicate samples at USPG. After careful screening, 14 samples which possessed resistance to PCN were identified. A high level of this resistance was transmitted to sexual progeny at a high frequency for all of the selections. Eleven of the accessions found to be resistant have reputed duplicates in USPG that were not previously known to be resistant. Thus, this research not only broadens the choice of parents available for resistance breeding, but identifies model materials for future research to test the parity of PCN resistance among reputed duplicate samples in the two genebanks.