Application of simple sequence repeat (SSR) markers for genotype differentiation of 24 Cassava (Manihot esculenta Crantz) accessions

Abstract

The genetic diversity and differentiation of 24 cassava (Manihot esculenta Crantz) accessions from the Puerto Rican collection are assessed in this study. In addition, 63 cassava DNA samples from the CIAT (Centro Internacional de Agricultura Tropical) germplasm collection, representing Latin America (Colombia, Costa Rica, Guatemala, Mexico, and Brazil) and Africa (Benin, Cameroon, Ghana, Nigeria, and Sierra Leone) were included from previous cassava diversity studies. Using simple sequence repeat (SSR) markers, variation in allele frequency at 37 unlinked loci was used to estimate genetic diversity and differentiation and to find the relationships between these 24 accessions and their cultivated relatives from primary and secondary diversity centers. The SSR markers were chosen because they represent a broad coverage of the cassava genome with moderate to high polymorphism information content (PIC) and robust amplification. For all the tested SSR loci studied there were on average 96.85 % ± 6.86 polymorphic loci across all country samples with an average of 4.58 ± 1.83 alleles per locus, and a mean observed heterozygosity of 0.7 ± 0.055. Despite the low level of differentiation [FST (theta) = 0.047± 0.005] found between country samples, sufficient genetic distance (Pairwise Nei’s and FST distances) existed between individual accessions to separate them according to their country of origin. UPGMA analysis of country samples revealed that Puerto Rican accessions clustered together with South American landraces. The SSR markers detected two genetically identical accessions in the Puerto Rican collection and led us identify the possibly closest cultivated relatives from Brazil and Colombia for some of the collection’s accessions. Finally, we evaluate the embryogenic capacity of the accessions present in the in vitro collection using the conventional solid induction medium system with 8 mg/l of 2,4-D. The explants used were young leaf lobes isolated from in vitro grown plants. Somatic embryogenesis was achieved in 58 % of the accessions, but only SG804, CM3064, Tremesiana, PI12900, PI12903 and Seda produced germinated somatic embryos. Differences found among the explants for their capacity to form embryogenic structures and germinate could be due to their intrinsic genetic characteristics. Our results support the thought that the capacity to produce embryogenic tissue in cassava varies among different accessions. Furthermore, the solid system used could be forming gradients in the uptake of nutrients and hormones promoting variation and reducing the growth of the embryogenic structures.

La diversidad genética y diferenciación de 24 accesiones de yuca (Manihot esculenta Crantz) de la colección puertorriqueña fueron estimados en este estudio. Adicionalmente, 63 accesiones de la colección de germoplasma del CIAT (Centro Internacional de Agricultura Tropical) que representan Latino América (Colombia, Costa Rica, Guatemala, México, Brasil) y África (Benin, Camerún, Ghana, Nigeria y Sierra León) fueron incluidos a partir de estudios de diversidad de yuca realizados previamente. La variación en la frecuencia alélica de 37 loci no ligados correspondiente a marcadores de Secuencias Sencillas Repetidas en tandem (SSR, acrónimo en inglés) fue usada para estimar la diversidad genética y diferenciación, así como para descifrar las relaciones entre las 24 accesiones con sus correspondientes parientes cultivados provenientes de los centros de diversidad primaria y secundaria. Los marcadores SSR fueron escogidos porque muestran una amplia cobertura del genoma de la yuca y un polimorfismo (PIC) moderado a alto. Para todos los loci SSR estudiados se observó un 96.85% ± 6.86 de loci polimórficos entre países, un promedio de 4.58 ± 1.83 alelos por locus y una heterozigosidad media observada de 0.7 ± 0.055. A pesar del bajo nivel de diferenciación [FST (theta) = 0.047± 0.005] que se encontró entre países, la distancia genética (Distancia de Nei y FST) existente entre las accesiones es suficiente para separarlas de acuerdo con su país de origen. Los análisis de UPGMA entre países revelaron que las accesiones puertorriqueñas se agrupan con las de Suramérica. Adicionalmente con los SSR se detectaron dos accesiones genéticamente iguales que exhibían nombres diferentes y se identificaron los posibles parientes cultivados de algunas de las accesiones de la colección puertorriqueña provenientes de Brasil y Colombia. Finalmente se evaluó la capacidad embriogénica de los cultivares presentes en la colección in vitro mediante el método de inducción convencional en sólido usando 8 mg/l de 2,4-D. Para ello se usaron como explantes hojas jóvenes aisladas de plantas crecidas en in vitro. Se logró la embriogénesis somática en el 58 % de los genotipos, pero solo las accesiones SG804, CM3064, Tremesiana, PI12900, PI12903 y Seda produjeron embriones germinados. Las diferencias observadas entre los explantes para formar estructuras embriogénicas y germinar, puede atribuirse a las características genéticas intrínsecas de cada individuo, y en este sentido nuestros resultados apoyan la idea de que la producción de estructuras embriogénicas en la yuca varía entre los diferentes accesiones. Además, el sistema en sólido que se usó podría formar gradientes en la toma de nutrientes y de hormonas que estarían promoviendo la variación y reduciendo el crecimiento de las estructuras embriogénicas.