Phenotypic and molecular characterization of cactus pear accessions from Mediterranean and Brazil collections

Cerca de 2,5 milhões de pessoas - 30% da população mundial - vivem nas áreas secas que cobrem mais de 40% da superfície terrestre do mundo. Os recursos naturais escassos, a degradação da terra e secas frequentes desafiam severamente a produção de alimentos nessas áreas. Tanto o Norte da África (Marrocos, Argélia, Tunísia) quanto o Nordeste do Brasil se encontram nestas condições. Cactus desenvolveram adaptações fenológicas, fisiológicas e estruturais para o crescimento e a sobrevivência em ambientes áridos onde eles possuem múltiplas funções de uso (alimento, pasto, conservação do solo, etc). Cactus são bem posicionados para lidar com futuras alterações climáticas globais já que eles podem gerar, sob condições áridas, um sequestro de carbono equivalente a 30 toneladas de CO2 por hectare ao ano. A palma é o cactus mais comumente cultivado, pertence ao gênero Opuntia e em comparação com outras espécies, Opuntia ficus-indica é a mais encontrada por todos os continentes. A variação morfológica dentro do gênero, a falta de descritores claros para cada espécie, e a facilidade relativa de hibridação cruzada levou a uma designação de espécies errada. Para superar estes problemas, os marcadores moleculares podem ser ferramentas úteis para ajudar a desvendar incertezas na classificação que não são abordadas pela caracterização morfológica. O objetivo desta contribuição é avaliar a diversidade genética de duas coleções de palma utilizando características morfológicas e moleculares. As coleções in-situ estão localizadas no IPA no Nordeste do Brasil com 300 acessos orientados para a produção de forragem e no INRA - estação de Agadir com 20 acessos representante da Bacia do Mediterrâneo. A caracterização fenotípica foi realizada usando descritores da FAO CactusNet enquanto que a caracterização molecular foi efetuada através da técnica SSR (Simple Sequence Repeats) com 8 marcadores recomendados recentemente (Opuntia 3, Opuntia 5, Opuntia 9, Opuntia 11, Opuntia 12, Opuntia 13, Ops 9 and Ops 24). Os dados fenotípicos foram submetidos à análise de componentes principais (PCA) e ao Agrupamento Hierárquico Aglomerativo (AHC) usando o pacote XLSTAT 2015. O dendrograma obtido pelo UPGMA (método de média aritmética não ponderada), com base na distância genética de Nei, foi usado para as análises moleculares. Já a relação entre as características morfológicas e moleculares foi avaliada pelo teste de Mantel. Os resultados mostram que os acessos podem ser discriminados pelos descritores morfológicos. Muitos destes descritores são significativamente correlacionados como o número de cladódios e o número de frutos (r=0.73), o número de cladódios e o diâmetro da planta (r=0.73), o comprimento do cladódio e a altura da planta (r=0.7), o comprimento do espinho e o número de auréolas (r=0.67). A análise em componentes principais (ACP) e o agrupamento hierárquico aglomerativo (AHC) são boas ferramentas para distinguir acessos utilizando um número reduzido de descritores morfológicos. A forma do cladódio, o número de espinhos e auréolas são os descritores recomendados, sendo capazes de discriminar acessos com precisão adequada. A análise SSR revelou 72 alelos com um número médio de 9 alelos por locus. Todos os microssatélites utilizados se revelaram discriminativos com um valor médio de conteúdo de informação polimórfica (PIC) de 0,458. As similaridades genéticas estimadas entre os acessos variaram muito, o que sugere que existe uma importante variabilidade genética na coleção. Todos os marcadores utilizados foram informativos ou altamente informativos, podendo ser recomendados para detectar a diversidade genética em espécies de Opuntia, sendo que os mais são Ops 24 e Opuntia 9 e Opuntia 5 é o menos discriminante. A relação entre as características fenotípicas e as distâncias genéticas baseadas nos alelos da análise SSR foi altamente significativa (r=0.4, p=0.01) e obtida pela primeira vez na caracterização molecular pela técnica SSR. Consequentemente, esta última é uma das melhores ferramentas para avaliar o nível de diversidade genética nas coleções de germoplasma Opuntia; complementa caracterização fenotípica e recomenda-se para o planejamento de programas de melhoramento genético e induz a rever a classificação taxonômica atual.Around 2.5 billion people – 30 percent of the world’s population – live in the dry areas, which cover more than 40 percent of the world’s land surface. Scarce natural resources, land degradation and frequent droughts severely challenge food production in these areas. Both North Africa (Morocco, Algeria, Tunisia) and the North East of Brazil fall under arid and semi-arid climate. Cacti have developed phenological, physiological and structural adaptations for growth and survival in arid environments where they have multiple functions (food, feed, soil conservation, etc.). Cacti are well positioned to cope with future global climate change; they can generate, under arid conditions, a carbon sequestration equivalent to 30 tons of CO2 ha-1year-1. Cactus pear, the most commonly cropped belongs to the genus Opuntia and compared to other species, Opuntia ficus-indica is the most spread over all continents. The continuous morphological variation within the genus, the lack of clear descriptors for each species, and the relative ease of cross hybridization has led to an erroneous species designation. To overcome these problems, molecular markers might be useful tools to help unravel uncertainties in classification that are not addressed by morphological characterization. The objective of this contribution is to assess the genetic diversity of two cactus collections using morphological and molecular traits. The in-situ collections are located at IPA in Northeast of Brazil with 300 accessions oriented toward forage production and at INRA Agadir station with 20 accessions representative of the Mediterranean Basin. Phenotypic characterization was achieved using FAO Cactusnet descriptor while the molecular characterization used the SSR (Simple Sequence Repeats) technique and 8 recently recommended primers (Opuntia 3, Opuntia 5, Opuntia 9, Opuntia 11, Opuntia 12, Opuntia 13, Ops 9 and Ops 24). Phenotypic data have been submitted to principal component analysis (PCA) and agglomerative hierarchical clustering (AHC) using XLSTAT 2015 package. The Unweighted Pair Group Method with Arithmetic Mean (UPGMA) dendrogram based on Nei’s genetic distance has been used for molecular, and the relationship between morphological and molecular traits was assessed by Mantel test. Results show that accessions may be discriminated by the morphological descriptors. Many of these morphological descriptors are significantly correlated as the number of cladodes and the number of fruits (r=0.73), the number of cladodes and the plant diameter (r=0.73), the length of the cladode and the plant height (r=0.7), the length of the spine and the number of areoles (r=0.67). Principal Component Analysis (PCA) and Agglomerative Hierarchical Clustering (AHC) are good tools to segregate accessions using a reduced number of morphological descriptors. The cladode shape and the number of spines and areoles are the recommended descriptors, and are capable de discriminate accessions with a suitable accuracy. SSR analysis revealed 72 alleles with an average allele number of 9 per locus. All microsatellites used were found to be discriminative with a mean value of Polymorphic Information Content (PIC) estimated at 0.458. Genetic dissimilarities estimated between the accessions varied widely, suggesting that an important genetic variability exist in the collection. All the markers used were either informative or highly informative and can be recommended to detect genetic diversity in Opuntia species; the most discriminant markers are Ops 24 and Opuntia 9 and the less discriminant is Opuntia 5. The relationship between phenotypic traits and the allele based genetic distances from the SSR analysis was highly significant (r=0.4, p=0.01) and obtained for the first time while using SSR for molecular characterization. Consequently, SSR technique is one of the best tools to assess the level of genetic diversity in Opuntia germplasm collections; it complements phenotypic characterization and it is recommended for planning breeding programs and to revise the current taxonomical classification