Flujo génico entre girasol cultivado y silvestre en la Argentina

Abstract

El girasol (Helianthus annuus L.) es uno de los cultivos más importantes de Argentina. La superficie sembrada se ha reducido en los últimos diez años, con el advenimiento de los cultivos genéticamente modificados como la soja, más rentables para los productores agrícolas. Desde entonces se han realizado grandes esfuerzos para recuperar el nivel de producción del cultivo de girasol. Una limitante para la introducción de nuevas tecnologías en este cultivo tradicional es la presencia de parientes silvestres sexualmente compatibles, potenciales receptores de polen, en el área dedicada al cultivo de girasol. Helianthus annuus y H. petiolaris, especies silvestres anuales, diploides y autoincompatibles se han establecido en Argentina en los últimos 60 años. La primera fue introducida intencionalmente como forrajera mientras que la segunda entró probablemente como un contaminante de semillas. Más tarde fueron importadas desde EEUU como fuente de germoplasma para conferir resistencia a patógenos en el mejoramiento de variedades de girasol. Actualmente, ambas especies se encuentran naturalizadas en la región central de Argentina, superponiéndose ampliamente con el área del cultivo. Los objetivos generales de esta tesis fueron obtener información acerca del rango de dispersión de las poblaciones silvestres de girasol en Argentina, estudiar la hibridación y potencial flujo génico entre ellas y el girasol cultivado; en ese caso, estimar la probabilidad de modificación de la aptitud biológica de las poblaciones silvestres que pudiera producir el flujo génico proveniente de las nuevas variedades de girasol. Para ello se realizaron exploraciones y actividades experimentales que permitieran: describir la morfología y distribución de las poblaciones de ambas especies silvestres; comparar la variabilidad genética de marcadores moleculares en poblaciones silvestres procedentes de distintas regiones; identificar caracteres morfológicos intermedios y analizar la fertilidad en plantas presuntamente híbridas; estimar la frecuencia de cruzamientos y tasa de flujo génico desde el girasol domesticado hacia H. annuus silvestre mediante análisis de marcadores moleculares; estudiar la transferencia del carácter resistencia a imidazolinonas desde el cultivo de girasol a H. annuus silvestre y evaluar su efecto sobre la supervivencia y la fecundidad. Se encontraron numerosas poblaciones de Helianthus annuus en las provincias de Córdoba, La Pampa, Buenos Aires, Entre Ríos, Mendoza, San Luis y San Juan. En tanto H. petiolaris fue hallada principalmente en las provincias de La Pampa, San Luis y el oeste de Buenos Aires, sobre suelos arenosos. Ambas especies pueden hibridar con el girasol domesticado y se hallaron plantas con morfología intermedia en 15 departamentos provinciales. Las especies silvestres también son simpátricas en numerosas localidades de la región central del país. La variación genética en 20 poblaciones silvestres y en comparación con el girasol domesticado se investigó mediante marcadores isoenzimáticos y microsatélites (SSR). Los valores de diversidad hallados en este estudio para H. annuus fueron A=1,6, P=0,43 y H=0,17, levemente menores a los informados en su centro de origen y similares a los encontrados en Australia donde H. annuus silvestre fue introducido con fines ornamentales. La progenie de 33 plantas atípicas coleccionadas en 14 sitios representativos del área de difusión fue estudiada para confirmar su origen híbrido. Supervivencia, germinación, rasgos morfológicos y días a floración confirmaron la hibridación entre el cultivo y ambas especies silvestres cuando las familias fueron comparadas con ocho entradas silvestres. Algunas plantas se identificaron como presuntos híbridos entre H. annuus domesticado y ambas especies silvestres, otras como generaciones avanzadas de un genotipo cultivado. A partir del análisis de progenies se determinaron cuatro clases de híbridos de acuerdo a su grado de fertilidad, demostrando que la hibridación y el flujo génico son fenómenos recurrentes entre estas especies en la región central de Argentina. Con el propósito de cuantificar el flujo génico entre el girasol cultivado y silvestre se sembró un campo experimental de girasol circundado por parcelas de girasol silvestre a distancias crecientes. La tasa de hibridación se estimó utilizando un marcador isoenzimático específico de la variedad cultivada. El promedio de híbridos silvestre-cultivo hallado entre la progenie fue de 7%. Las frecuencias más altas de flujo génico (18%) se encontraron en las parcelas más cercanas al cultivo (3m) y decrecieron gradualmente hasta los 500m. La tecnología Clearfield (resistencia a herbicidas de la familia imidazolinonas) ha sido incorporada en los ultimos años en los híbridos comerciales argentinos. Este rasgo resultó adecuado para estudiar los cambios en la aptitud biológica y el posible impacto ambiental que generaría la transferencia de genes desde el cultivo a sus parientes silvestres. Se utilizaron cinco poblaciones de H. annuus silvestre que comprendían el rango de distribución de la especie. Se registró un promedio de 2% de sobrevivientes en 301 plantas de girasol silvestre evaluadas, mientras que la supervivencia de F1 aumentó a 38% sobre un total de 350 plantas. Las retrocruzas con ambos parentales mostraron valores de resistencia al herbicida superiores a 80%. La aptitud biológica medida en todas las generaciones demostró que si bien los híbridos F1 poseían baja fertilidad (estimada mediante la producción de semilla), en las siguientes generaciones se recuperaba la producción de semillas viables.

Sunflower (Helianthus annuus L.) is one of the main crops in Argentina. In the last ten years a reduction in the cultivated acreage took place as some genetic modified crops like soybean became more profitable for the farmers. Since then many efforts have been made to recover the yield levels of sunflower crop. One caveat to introduce new technologies in this traditional crop is the presence of wild relatives, potentially recipients of crop genes through pollen flow. Helianthus annuus and H. petiolaris, two annual, diploid and self-incompatible wild species were established in Argentina in the last 60 years. The former was intentionally introduced as a forage species while the latter probably entered as a seed contaminant. Later, both species were imported from USA as germplasm sources to confer pathogen resistance to sunflower varieties. At present, both wild species are naturalized and widespread over the central part of Argentina where they extensively overlap the sunflower crop region. The goals of the present study were to obtain information about the dispersion range of wild sunflower populations in Argentina, to study hybridization and potential gene flow between them and the cultivated sunflower, and in such situation, to estimate the likelihood of fitness modification in wild populations due to gene flow from the novel sunflower varieties. Explorations and experimental activities were done in order to describe the morphology and population distribution of both wild species; to compare genetic variability of molecular markers in wild populations from different places; to identify intermediate morphological characters and to study fertility in presumed hybrid plants; to estimate hybridization frequencies and gene flow rates from domesticated sunflower to wild H. annuus through molecular marker analysis; to study the transference of the imidazolinone resistant trait from the crop to wild H. annuus, and to evaluate its effects upon survival and fecundity. Several wild Helianthus annuus populations were found in the provinces of Córdoba, La Pampa, Buenos Aires, Entre Ríos, Mendoza, San Luis and San Juan; while H. petiolaris was mainly found on sandy soils in La Pampa, San Luis and western Buenos Aires. Both species can hybridize with the domesticated sunflower and morphologically intermediate plants were found in 15 counties. These wild species are also sympatric in several localities in the central part of the country. Genetic variation in 20 wild populations as compared with domestic sunflower was assessed through isozyme and SSR markers. H. annuus diversity values were A=1.6, P=0.43, and H=0.17, slightly lower than levels reported for the center of origin and similar to those found in Australia, where wild H. annuus was introduced with ornamental purposes. The progeny of 33 off-type plants collected in 14 representative sites of the diffusion area were studied to confirm their hybrid origin. Survival, germination, morphological traits and days to flowering confirmed hybridization between the crop and both wild species, when families were compared with eight accessions of typical wild plants. Some progenies were presumably cropwild H. annuus and H. petiolaris hybrids, and others were advanced generations of a cultivated genotype. From progeny tests, four classes of hybrids were defined mainly according to fertility levels, showing that hybridization and gene flow are recurrent events among these species in the central part of Argentina. In order to measure gene flow between cultivated and wild sunflower, an experimental stand of sunflower was sown surrounded by plots of wild plants at increasing distances. Hybridization rates were estimated using a crop specific isozyme marker. A mean of 7% progenies were crop-wild hybrids. The highest percentage (18%) of gene flow was found among the nearest wild plants (3 m) from the crop and gradually decreased with distance, up to 500 m. The Clearfield technology (resistance to imidazolinone herbicides) has been incorporated to Argentinean commercial hybrids in the last years. This trait was suitable to study fitness changes and the likely environmental impact produced by gene transfer from the crop to its wild relatives. Five populations of wild H. annuus comprising the species ditribution range were used in this study. A mean of 2% surviving wild sunflower plants among 301 screened was found, whereas survival of F1 plants increased to 38% among 350 screened plants. Backcrosses with both cultivated and wild parents showed more than 80% of IMI-resistant offspring. Fitness in all evaluated generations demonstrated that although F1 progenies had low fertility (assessed through seed set), viable seed production was recovered in the following generations.