Genetic diversity assessment of naturalized cacao (Theobroma cacao L.) in Puerto Rico using single nucleotide polymorphisms

Abstract

Cacao (Theobroma cacao L.) is an important tropical perennial crop on which the multimillion dollar chocolate industry is based. Identification of genetically diverse cacao with disease resistance, high productivity and desirable organoleptic traits is critically important for the sustainability of this crop. Environmental changes, pests and diseases as well as sovereign property rights have lead to a decrease in accessibility and exchange of germplasm of interest. Naturalized cacao in Puerto Rico could be a valuable, unexplored source of genetic diversity in crop selection and improvement programs. An island-wide survey was carried out to indentify naturalized cacao trees and collect leaf samples. Efforts allowed to survey 32 municipalities and collect a total of 180 samples. Single nucleotide polymorphism (SNP) genotyping was employed to assess local genetic diversity of naturalized T. cacao. Genetic profiles generated for the sampled cacao in Puerto Rico were compared to known reference accessions. A total of 87 EST- derived SNP markers were successfully amplified (≥90% allele calls) for 145 samples. When reference samples were included, genotype data analysis using Structure software assigned individuals into five distinct genetic backgrounds: Criollo, Trinitario, Amelonado, Upper Amazon Forastero (UAF) and Nacional. Distance based PCoA and cluster analysis results generally agreed with Structure findings, identifying the same five genetic backgrounds. Puerto Rican cacao samples fit into four of the five genetic backgrounds with no local samples belonging to the Nacional cluster. Naturalized Puerto Rican cacao was found to be mainly composed of Criollo ancestry individuals (71 out 180 total samples). Criollo background cacao was probably introduced from Venezuela and/or Central America during Spanish colonial times. Trinitario, Amelonado and UAF genetic backgrounds are most likely products of modern or more recent introductions. Fingerprinting of naturalized cacao in Puerto Rico has allowed targeting of material for germplasm incorporation and long term conservation as well as to fill gaps in existing germplasm collections. The assessment also provides knowledge on the available resources for the conservation and/or utilization of cacao germplasm in Puerto Rico.

Cacao (Theobroma cacao L.) es un cultivo tropical perenne importante sobre la cual la industria multimillonaria chocolatera está cimentada. La identificación de individuos con caracteres de resistencia a plagas y enfermedades, alta productividad, buenas cualidades organolépticas y que a su vez sean genéticamente diversos es de suma importancia para la sustentabilidad de este cultivo. Los cambios ambientales, enfermedades y plagas, así como los derechos de propiedad intelectual han contribuido a un descenso en la disponibilidad e intercambio de germoplasma de cacao de interés. El cacao naturalizado en Puerto Rico podría ser una valiosa fuente inexplorada de la diversidad genética para los programas de selección y mejoramiento de cultivos. Se llevó a cabo un estudio a través de la isla identificando aárboles naturalizados y colectando hojas. Se muestrearon 32 municipalidades de Puerto Rico para un total de 180 muestras recolectadas. Las muestras fueron genotipadas utilizando polimorfismos de un solo nucleótido (SNPs) para evaluar la diversidad genética existente en el cacao naturalizado. Los perfiles genéticos generados para el cacao muestreado en Puerto Rico, fue comparado con accesiones previamente descritas. Ochenta y siete (87) marcadores tipo SNP derivados de etiquetas de secuencias expresadas (ESTs) fueron amplificados exitosamente (>90% llamadas alélicas) para 145 muestras. Al incluirse las muestras de referencia, el análisis de datos genotípicos utilizando el programa Structure, asignó individuos a cinco trasfondos genéticos distintos: Criollo, Trinitario, Amelonado y Forasteros de los altos del Amazonas (UAF). Análisis de coordenadas principales (PCoA) y análisis de conglomerados generalmente confirmaron los resultados de Stucture, identificando los mismos cinco trasfondos genéticos.. El cacao de Puerto Rico corresponde a cuatro de los cincos trasfondos genéticos identificados, sin ninguna representación local del trasfondo genético Nacional. El cacao naturalizado en Puerto Rico está compuesto principalmente del trasfondo genético ancestral Criollo (71 de 180 muestras). El trasfondo Criollo fue probablemente incorporado de Venezuela y/o América Central durante los tiempos de la colonización española. Los trasfondos Trinitario, Amelonado y UAF son productos de introducciones recientes o modernas. La caracterización genética del cacao naturalizado en Puerto Rico ha permitido la identificación de germoplasma a ser incorporado y conservado a largo plazo y cubrir vacíos en colecciones existentes. La evaluación también provee conocimiento de los recursos disponibles para la conservación y utilización del germoplasma de cacao en Puerto Rico.