Variación natural de la tolerancia a temperaturas extremas en girasol (Helianthus annuus L.) silvestre y cultivado

Abstract

Las plantas invasoras, además de representar una amenaza ambiental y económica, son excelentes modelos para el estudio de la evolución contemporánea y la predicción de las respuestas evolutivas ante el calentamiento global. Los parientes silvestres de un cultivo son un caso especial de especies invasoras debido a que su presencia puede dificultar el uso de tecnologías en sus parientes cultivados, la hibridación cultivo-silvestre puede catalizar la evolución de poblaciones invasoras y estas pueden ser consideradas una fuente de germoplasma útil para el mejoramiento. El girasol (Helianthus annuus L.) es una especie nativa de Norteamérica. H annuus es un grupo taxonómico complejo, integrado por el cultivo, poblaciones silvestres e híbridos cultivo-silvestre. Esta especie fue introducida y se naturalizó fuera de su rango nativo en varias regiones del mundo. Esto hace que el girasol sea un modelo ideal para estudiar aspectos evolutivos asociados a la domesticación, la evolución de poblaciones invasoras y la hibridación cultivo-silvestre. En Argentina, el girasol silvestre fue probablemente introducido como cultivo forrajero y se naturalizó y expandió por la zona central del país, convirtiéndose en una especie invasora no nativa. El objetivo general de esta tesis fue evaluar la presencia de variabilidad genética para la tolerancia a temperaturas extremas (<0°C y >40°C) usando un enfoque ecológico-evolutivo. Los objetivos específicos fueron: 1) evaluar la importancia relativa del efecto materno y de la hibridación sobre caracteres del fruto (dormición, peso, tamaño y anatomía del pericarpio) en híbridos cultivo-silvestre; 2) evaluar la existencia de adaptación rápida de los caracteres del fruto (dormición, peso y tamaño) en el rango no-nativo de girasol; 3) evaluar la divergencia evolutiva entre materiales silvestres y cultivados para la tolerancia a temperaturas extremas durante estadios vegetativos tempranos; 4) evaluar diferencias en la tolerancia a estrés por calor durante estadios reproductivos en materiales silvestres y cultivados de girasol y variaciones geográficas de la tolerancia a estrés dentro del germoplasma silvestre; 5) evaluar la diversidad genética y la estructura poblacional del girasol silvestre de Argentina y caracterizar los principales procesos genéticos asociados a la invasión. Como material vegetal se utilizaron poblaciones no-nativas de girasol silvestre en Argentina, colectadas por el grupo de trabajo junto con poblaciones nativas y no-nativas de Australia, provistas por el USDA y materiales cultivados, tanto híbridos comerciales de Argentina como líneas públicas de EEUU. Todas las poblaciones silvestres utilizadas fueron geo-referenciadas y su ambiente local se caracterizó usando una base de datos climáticos pública. La evaluación de adaptación local y/o evolución rápida se realizó mediante técnicas estadísticas utilizadas en biogeografía. Se observó una gran divergencia entre biotipos silvestres y cultivados, de manera esperada para caracteres del fruto que fueron objetivo de la domesticación, tales como la dormición y el tamaño de los frutos, pero también en caracteres que probablemente no fueron, al menos de manera consciente, seleccionados durante la domesticación, tales como la tolerancia a temperaturas extremas. Dentro del germoplasma silvestre se observó divergencia entre poblaciones del rango nativo, explicadas por diferencias en su ambiente local, en dormición y tolerancia a estrés por calor. Se encontraron grandes diferencias entre poblaciones nativas e invasoras que no pudieron ser explicadas totalmente por diferencias en las condiciones climáticas entre ambientes. Finalmente, se encontró que las poblaciones argentinas retuvieron la mayor parte de la variabilidad genética presente en el rango nativo, lo que ayuda a explicar la diversidad observada en caracteres adaptativos como la dormición y de interés agronómico como la tolerancia a temperaturas extremas.

Invasive plants represent a major environmental and economic threat, but they are also valuable models to study contemporary evolution and to predict evolutionary responses to global change. Crop wild relatives are a special case of invasive species because their presence can limit the use of technology in their crop relatives, crop-wild hybridization may catalyze the evolution of invasiveness and invasive populations can be considered useful germplasm sources for the purposes of breeding. Sunflower (Helianthus annuus L.) is native to North America. H. annuus is a complex taxonomic group, formed by domesticated sunflower, wild populations and crop-wild hybrids. Wild sunflower was introduced and naturalized out of their native range in several regions worldwide. This make sunflower an ideal model system to study the evolutionary aspects associated to domestication, evolution of invasiveness and crop-wild hybridization. In Argentina, wild sunflower was probably introduced as an experimental forage crop and since then it has spread over the central region, being currently considered a non-native, invasive species. The main objective of this thesis was to evaluate the presence of genetic variability in the tolerance to extreme temperatures (<0°C y >40°C) by using an ecological-evolutionary approach. The specific objectives were to: 1) evaluate the relative importance of maternal and hybridization effects on seed traits (dormancy, weight, size and pericarp anatomy) in crop-wild sunflower hybrids; 2) evaluate the existence of rapid adaptation of seed traits (dormancy, weight and size) in the non-native range; 3) evaluate the evolutionary divergence in the tolerance to extreme temepratures during early vegetative phases; 4) evaluate differences in heat stress tolerance during reproductive phases between cultivated and wild sunflower and to explore geographic variations in heat stress tolerance within the wild germplasm; and 5) evaluate the genetic diversity and population structure of wild Argentinean sunflower and to characterize the genetic processes associated with the invasion by using molecular tools. Wild germplasm consisted of wild populations from Argentina and Australia (invasive range), and North America (native range). Wild populations from Argentina were collected by our research group while populations from Australia and North America were provided by the USDA. Cultivated germplasm consisted of commercial hybrids currently grown in Argentina and public inbred lines from USA. Geographic coordinates of every wild populations were used to characterize their local environment by using a public climatic database. Biogeographic tools were used for evaluating local adaptation and/or rapid evolution. Mainly, we found high divergence between wild and cultivated sunflower in fruit traits that were target of domestication (e.g. dormancy and size) but also in non-target traits during domestication (at least not consciously selected for) as tolerance to extreme temperatures. Within wild sunflower, we observed divergence among native populations for both adaptive traits (as seed dormancy) and agronomic traits (as heat tolerance), which were explained by differences in their local environment. In addition, we observed genetic differences between native and invasive populations, which could not be fully attributed to differences in climatic conditions between ranges. Finally, we found that wild sunflower from Argentina has retained most of the genetic variation observed in the native range, which helps explaining the wide diversity observed in both adaptive and agronomic traits.