Natural variation in physiological traits in a large panel of brazilian Capsicum chinense acessions

Abstract

Diversity of accessions within the same specie has been reported as an alternative way to search for physiological and metabolic traits that may have large effects on both growth regulation and biomass production. This work aimed to investigate physiological and metabolic traits as well as its interactions with plant growth and fruit production using 49 genetically diverse brazilian pepper accessions of Capsicum chinense. These different accessions were grown together and genetic variation was observed for many traits. Although the analysis of each variable individually allowed the formation of up to seven distinct groups, as observed for plant height, working with the whole data set by multivariate analyzes allowed the separation of the 49 accessions in only three clusters. Interestingly, the groups formed by this analysis did not follow the geographical origin of the genotypes. The first cluster contains two accessions with lower plant height and relative growth rate (RGR). On the other hand, the same accessions had the highest specific leaf area (SLA), high photosynthesis rates and have the highest nitrate (NO 3 ) content. Genotypes in the second cluster demonstrate opposite behavior for growth parameters and NO 3, however they had an undefined pattern for gas exchange parameters and water use efficiency (WUE), despite having low values of SLA. The third cluster comprised the other accessions with the most diverse results for the investigated characteristics. Altogether, these results reinforce the idea that, although the accessions belong to the same species, they have diverse adaptation mechanisms being a highly interesting source of information for plant breeders. In addition, it was demonstrated that fruit set is positively correlated with photosynthesis. However, photosynthesis does not explain alone the differences in accession susceptibility to fruit abortion. Metabolite analysis revealed that malate and fumarate had different responses in Capsicum. Although fumarate did not individually contribute to the accession group separation, a large number of significant correlations was observed. In summary the results obtained suggest fumarate as an important metabolite that might be involved in the regulation of both shoot and fruit growth and development of C. chinense. Apart from extending our knowledge of biological mechanism and pathways within the Capsicum genus the work presented here highlights the importance of studying genetic variation as a mean to understand how a specie adapts to different local environments.

A diversidade de acessos dentro de uma mesma espécie tem sido relatada como uma forma alternativa de procurar respostas fisiológicas e metabólicas que podem ter grandes efeitos na regulação do crescimento e produção de biomassa. Este trabalho teve como objetivo investigar características fisiológicas e metabólicas assim como suas interações com o crescimento e a produção de frutos em 49 acessos brasileiros de pimenta (Capsicum chinense) geneticamente diversos. Estes diferentes acessos foram cultivados simultaneamente e, assim, grande variação genética foi observado para muitas características. Embora a análise de cada variável individualmente permitiu a formação de até sete grupos distintos através do teste Scott-Knott modificado, como observado para altura de planta, usando o conjunto de dados através de análises multivariadas foi possível separar os 49 acessos em apenas três clusters. Interessantemente os grupos formados por estas análises não seguiram a distribuição geográfica de origem dos genótipos. O primeiro cluster contém dois acessos com os menores valores para altura de planta e taxa de crescimento relativo (TCR). Por outro lado, os mesmos acessos tiveram a maior área foliar específica (AFE), altas taxas de fotossíntese e os maiores conteúdos de nitrato (NO 3 ). Os genótipos do segundo cluster demonstraram comportamento oposto para os parâmetros de crescimento e NO 3 , porém apresentaram padrão indefinido para os parâmetros de trocas gasosas e eficiência do uso da água (EUA), apesar de apresentarem baixos valores de AFE. O terceiro cluster compreende os demais acessos com os mais diversos resultados para as características aqui investigadas. Tomados em conjunto, estes resultados reforçam a idéia de que, embora os acessos pertençam a mesma espécie, eles apresentam mecanismos de adaptação diversos sendo, portanto, uma fonte muito interessante de informações para melhoramento de plantas. Além disso, demonstrou-se que o estabelecimento dos frutos está positivamente correlacionado com fotossíntese. No entanto, a fotossíntese por si só não explica as diferenças em relação ao abortamento de frutos. Análises metabólicas revelaram que malato e fumarato apresentam respostas diferentes em Capsicum. Embora fumarato não tenha contribuido individualmente para a separação de grupos, um grande número de correlações significativas foram observadas. Em suma, dados aqui apresentados sugerem fumarato como um importante metabólito possivelmente envolvido na regulação do crescimento e desenvolvimento da parte aérea e dos frutos em C. chinense. Além de estender nossos conhecimentos sobre mecanismos e vias biológicas no gênero Capsicum o trabalho aqui apresentado destaca a importância de se estudar a variação genética como um meio para entender como a espécie se adapta a diferentes ambientes.