Cross-species amplification of microsatellite markers and genetic diversity in the macaw palm (Acrocomia aculeata)

Abstract

Macaw palm (Acrocomia aculeata) is newly emerging oleaginous species in South America with abundant natural distribution in Brazil. It is considered as a great potential palm for production of biodiesel and being under domestication in Brazil. Recently researches show that macaw palm is under the threat of predatory extractivism, climate change and land use policies in the natural population and need to be conserved ex situ for future genetic improvement and sustainable use of its genetic resources. Microsatellites (Simple Sequence Repeats-SSR) are one of the most applicable molecular markers in characterization of germplasm collections in plants and help to conserve genetic variability in germplasm banks. In the past only few SSR markers were developed for the macaw palm owing to the high development cost and limitation in knowledge about the importance of the palm. Two experiments were set up in this study: (1) to demonstrate the use of cross-species amplification as a cost-effective altarnative to establish SSR markers for A. aculeata; and (2) to study the genetic diversity in A. aculeata ex situ germplasm collections which were originally collected from different provenances in Brasil. In the the first part of the work, a cross-species amplification study was conducted to evaluate the transferability of 34 SSR markers, originally developed for two Arecaceae species (Astrocaryum aculeatum and Elaies oleifera) in A. aculeata using 192 accessions from 41 families collected from six provenances in Brazil. From the total markers evaluated, 15 SSR (44%) successfully amplified the genomic DNA in A. aculeata, of which four SSR (26%) were polymorphic. The low success of the cross-amplification was accounted for the relatively wider taxonomic distance between the sources (A. aculeatum and E. oleifera) and the target (A. aculeata) species. However, the polymorphic markers identified by this study detected a high average percentage of polymorphic loci (P=79%) per provenance. The markers also revealed heterozygote deficiency in the accessions and this was confirmed by positive inbreeding coefficients obtained in all the loci analyzed. In the second work, genetic diversity study was carried out in the 192 accessions of A. aculeata, based on ten SSR markers (including two polymorphic SSR indentified in the transferability study and the rest eight from sets of SSR previously developed for A. xiii aculeata). The study resulted in different levels of allelic diversity, heterozygosity and polymorphism among the accessions analyzed. Based on genetic distances, three distinct groups of provenances were established using different methods of grouping. However, Mantel test detected a non-significant correlation between the genetic and geographic distances among the provenances, revealing genetic similarities among geographically distant provenances in the country. Analysis of Molecular Variance (AMOVA) revealed the proportions of genetic variation, in which more genetic variation was obtained within family than among families of A. aculeata followed by variation among provenances. The study proved the efficiency of inter-species transferability of SSR markers between different species in Arecaceae. It also reaffirmed that SSR are useful molecular markers in characterizing A. aculeata germplasm and the information that were generated could be utilized in A. aculeata germplasm conservation and breeding program. The markers could be used to help the breeding program through genotyping each individuals in the germplasm bank that would help to identify genetically distinct groups and also minimize the unnecessary redundancies of entries in the germplasm bank that would potentially maximize conservation efficiencies and reduce its costs.

A palmeira macaúba (Acrocomia aculeata) é espécies oleaginosas na América do Sul com abundante distribuição natural no Brasil. A macaúba é considerado como um grande potencial para a produção de biodiesel e estar sob domesticação no Brasil. Recentemente pesquisas mostram que macaúba está sob a ameaça de extrativismo predatório, as alterações climáticas e as políticas de uso da terra na população natural e precisa ser conservada ex situ para o futuro melhoramento genético e uso sustentável de seus recursos genéticos. Os microssatélites (Simple Sequence Repeats-SSR) são um dos marcadores moleculares mais aplicáveis na caracterização de coleções de germoplasma e ajudar na conservação da variabilidade genética em bancos de germoplasma. No passado, apenas alguns marcadores SSR foram desenvolvidos para a macaúba, devido ao alto custo do desenvolvimento e da limitação do conhecimento sobre o potencial da macaúba. Dois experimentos foram conduzidos neste estudo: (1) para demonstrar o uso de amplificação cruzada de marcadores SSR como uma alternativa de baixo custo para estabelecer os marcadores SSR para A. aculeata; e (2) para estudar a diversidade genética nas coleções ex situ de germoplasma da A. aculeata que foram originalmente coletadas de diferentes procedências no Brasil. Na primeira parte do trabalho, um estudo de amplificação cruzada realizado para avaliar a possibilidade de transferência de 34 marcadores SSR, originalmente desenvolvidos para duas espécies de Arecaceae (Astrocaryum aculeatum e Elaies oleifera) em A. aculeata usando 192 acessos de 41 famílias originalmente oriundos de seis procediências no Brasil. Do total de marcadores avaliados, 15 SSR (44%) amplificaram com sucesso o DNA genômico de A. aculeata, dos quais quatro SSR (26%) foram polimórficos. O baixo sucesso do amplificção cruzada foi devido á relativa distância taxonómica entre as fontes (A. aculeatum e E. oleifera) e as espécies-alvo (A. aculeata). No entanto, os marcadores polimórficos identificados pela transferência detectaram uma média elevada de locos polimórficos (P = 79%) por procediência. Os marcadores também revelaram a deficiência de heterozigotos nos acessos analisados, e que for confirmado pelo coeficientes de endogamia positivos obtidos em todos os locos. No segundo trabalho, estudo da xi diversidade genética foi realizada nos 192 acessos de A. aculeata com base em dez marcadores SSR (incluindo dois SSR polimórficos identificados no estudo da transferibilidade e o resto de oito SSR foram seleccionados a partir de grupos de SSR anteriormente desenvolvidos para A. aculeata). O estudo resultou em diferentes níveis de diversidade alélica, heterozigosidade e polimorfismo entre os acessos analisados. Com base em distâncias genéticas, três grupos distintos de procediências foram estabelecidos utilizando diferentes métodos de agrupamento. No entanto, o teste de Mantel revelou uma correlação não significativa entre a distância genética e geográfica entre as procediências. A proporção da variação genética foi estimada pela análise de variância molecular (AMOVA), que revelou maior variação genética dentro da família do que entre as famílias de A. aculeata, seguido de variação entre as procediências. O estudo comprovou a eficiência de transferência inter-espécies de marcadores SSR entre diferentes espécies de Arecaceae. Ele também reafirmou que SSR são marcadores moleculares úteis na caracterização de germoplasma de A. aculeata e as informações que foram gerados podem ser utilizados em conservação de germoplasma e no programa de melhoramento da A. aculeata. Os marcadores podem ser utilizados para ajudar o programa de melhoramento genético através de genotipagem de cada indivíduo no banco de germoplasma que ajudaria a identificar grupos geneticamente distintos e também minimizar a redundância de entradas no banco de germoplasma que potencialmente maximizar a eficiência de conservação e reduzir seus custos.