Analysis of the genetic determinism of the glanded-plant and glandless-seed trait in the progeny of the HRS [(Gossypium hirsutum L. x G. raimondii Ulb.)² x G. sturtianum Willis] hybrid

Several analyses were performed in advanced generations of HRS [(Gossypium hirsutum x G. raimondii) ² x G. sturtianum] hybrid. These were obtained by backcrossing and selfing HRS plants expressing the glanded-plant and glandless-seed trait of G. sturtianum. The purpose is to understand why it is not possible to fix this target character in the HRS progeny. Thus, HRS BC2S5, BC2S6, BC2S7, BC3S4, ♂BC4S3, ♂BC4S4, ♀BC4S3 and ♀BC4S4 plant populations were studied. Agro-morphological observations carried out on the studied plant material showed in all analyzed progenies significant fertility problems as manifested by high rates of embryo abortion, poor germination of seeds and premature mortality of many seedlings. Moreover, major phenotypic differences were observed between the HRS plants and upland cotton. Genomic in situ hybridization analysis (GISH) demonstrated that the magnitude of these problems is related to the importance of the presence of genetic material of the Australian species in HRS hybrids. The analysis of the plant material with the 10 SSRs markers, mapped on c2-c14, c3-c17, and c6-c25 linkage groups of G. hirsutum, points out very important segregation distortions (SD). Genotypic profiles were almost always heterozygous. These SD are caused by gametic and/or zygotic selections that occur respectively before and/or after fertilization. GISH showed the presence of one (1) to four (4) whole G. sturtianum chromosomes and one to two large fragments of G. sturtianum chromosomes. This structural heterozygosity is implicated in the SD observed. However, the massive presence of alien genetic material hardly affected the chromosome pairing and pollen fertility of the analyzed hybrid plants. This is contradictory to the observed SD and suggests a certain genetic balance in the analysed hybrids. It thus indicates no, or very weak interaction between the chromosomes of G. sturtianum and those of G. hirsutum into the genome of HRS derivatives. The expression of the desired character is very complex, but it is certain that: (i) the factors responsible for the desired trait are better transmitted through the ovule than the pollen, (ii) the alleles involved in the expression of the target trait operate both according to the additive and epistatic models, (iii) the increase of the G. hirsutum genetics background in the most advanced generations of the HRS hybrid is accompanied by a decrease of the expression of the desired trait, (iv) seeds viability problems affect both seeds with or without gossypol glands, whether they are well formed or malformed, showing the independence between at least a part of the imbalance factors and those related to the expression of researched character. Several G. sturtianum genes appear to be involved in the control of the target trait. However, the strong SD that characterizes the analyzed plants questions the reliability of this result obtained through single-marker analysis. A resumption of the breeding program using agro-morphological characterization tools, SSR and GISH, in the early generations of backcrossing, should help to better guide the selection program towards obtaining stable plants that express the character.Différentes analyses ont été réalisées chez des générations avancées de HRS [(Gossypium hirsutum x G. raimondii) ² x G. sturtianum, obtenues par rétrocroisement et autofécondation de plantes issues de graines présentant le caractère « glandless-seed and glanded-plant » recherché. Il s’agit de comprendre l’instabilité des plantes et pourquoi il n’est pas possible de fixer le caractère inhibition de la synthèse du gossypol uniquement dans la graine provenant de G. sturtianum chez la descendance de l’hybride trispécifique. Ainsi, des populations HRS BC2S5, BC2S6, BC2S7, BC3S4, ♂BC4S3, ♂BC4S4, ♀BC4S3 et ♀BC4S4 ont été étudiées. Les observations agro-morphologiques réalisées ont mis en évidence d’importants problèmes de fertilité du matériel étudié se manifestant par des taux élevés d’avortement des embryons, la mauvaise germination des graines produites et la mortalité précoce de nombreuses plantules. A cela s’ajoute une différence phénotypique entre les plantes HRS analysées et le cotonnier cultivé. L’ampleur de ces problèmes est liée à l’importance de la présence de matériel génétique de l’espèce australienne chez les hybrides HRS, mis en évidence avec l’analyse par hybridation in situ génomique (GISH). L’analyse du matériel au moyen de 10 marqueurs SSRs cartographiés sur trois (3) groupes de liaisons (c2-c14, c3-c17 et c6-c25) de G. hirsutum, met en évidence d’importantes distorsions de ségrégation (DS). Les profils génotypiques étaient presque toujours hétérozygotes. Ces distorsions sont causées par des sélections gamétique et/ou zygotique, qui se produisent respectivement avant et/ou après la fécondation. La GISH a montré la présence de 1 à 4 chromosomes entiers de G. sturtianum et de 1 à 2 grands fragments de chromosomes de G. sturtianum. Cette hétérozygotie structurelle est impliquée dans la DS observée. Par contre, la présence massive de matériel génétique de l’espèce sauvage affecte peu les appariements chromosomiques et la fertilité pollinique des plantes hybrides analysées. Cette situation qui est contradictoire à la DS observée, laisse supposer l’existence d’un certain équilibre génétique au niveau des formes hybrides analysées. Elle indique ainsi, une absence ou une très faible interaction entre les chromosomes de G. sturtianum et ceux de G. hirsutum dans le génome de HRS. L’expression du caractère recherché est très complexe, mais il est certain que : (i) les facteurs responsables du caractère recherché se transmettent mieux par l’ovule que par le pollen, (ii) les allèles impliqués dans le contrôle du caractère fonctionnent selon des modes à la fois additif et épistatique, (iii) l’augmentation du fond génétique de G. hirsutum au niveau des générations les plus avancées sélectionnées dans la descendance de l’hybride HRS se traduit par une diminution de l’expression du caractère recherché, (iv) les problèmes de viabilité des graines touchent aussi bien les graines avec ou sans glandes à gossypol, qui peuvent être bien ou mal-formées, ce qui laisse supposer qu’au moins une partie des facteurs du déséquilibre et ceux liés à l’expression du caractère sont indépendants. Il apparaît aussi que plusieurs gènes de G. sturtianum semblent être impliqués dans le contrôle de celui-ci. Cependant, la forte DS mise en évidence questionne la fiabilité de ce résultat obtenu par analyse en simple marqueur. Une reprise du programme d’amélioration en utilisant les outils de caractérisation agro-morphologique, SSR et GISH, dès les premières générations de rétrocroisement, devrait permettre de mieux orienter le programme de sélection vers l’obtention de plantes stables qui expriment le caractère.Pic_coto

Segregation distortions and their consequences on plants breeding (a review)

peer reviewedDistortion of allele segregation is a phenomenon common to all living organisms. Described as a great force of evolution, this phenomenon is caused by various genetic or physiological factors. Random or not, the factors involved in segregation distortion have significant effects on crop improvement and on the mapping of crop genomes. Analysis of numerous results involving a distortion of the segregation of alleles was used to characterize partially the causes and effects of this phenomenon. The results obtained show that the importance of segregation distortion depends on the type of molecular markers used and the nature of the populations investigated. Further research is needed to better identify and locate the factors causing segregation distortion, and to better assess and to understand their effects. The development of dense genetic maps, combined with cytogenetic analysis, would allow rapid progress in this area.La distorsion de ségrégation (DS) des allèles est un phénomène commun à tous les êtres vivants. Décrite comme une grande force de l’évolution, elle est causée par divers facteurs génétiques ou physiologiques, influencés par l’environnement. Aléatoires ou non, les facteurs de distorsion de ségrégation ont des effets considérables sur l’amélioration des cultures et la cartographie de leur génome. L’analyse de nombreux résultats impliquant une distorsion de ségrégation d’allèles a permis la caractérisation partielle des causes et des effets de ce phénomène. Les résultats obtenus montrent que l’importance de la DS dépend du type de marqueurs moléculaires utilisés et de la nature des populations étudiées. Des recherches complémentaires sont nécessaires pour une meilleure identification des facteurs générateurs de distorsion de ségrégation et une plus précise évaluation de leurs effets. La réalisation de cartographies génétiques denses, associée à des analyses cytogénétiques, devraient permettre de rapides progrès

Comparison of the efficacy of the bispecific and trispecific pathways to exploit Australian wild diploid species for the genetic improvement of upland cotton

peer reviewe

Distorsion de ségrégation dans une population interspécifique de cotonnier issue de l’hybride [(Gossypium hirsutum x G. raimondii)² x G. sturtianum]

The segregation ratio of 10 Gossypium sturtianum specific SSR markers belonging to linkage groups c2-c14, c3-c17, and c6-c25was analysed in the BC2S6 progeny of the [G.hirsutum x G. raimondii)² x G. sturtianum] (HRS) hybrid; based on chi-square test. All the marker loci tested were associated with skewed allele frequencies (P < 0.001) showing a strong SD with a zygotic selection. The possible causes and consequences of this massive segregation distortion are discusse

Effect of GammaRay in the Progeny of Trispecific Hybrid [(Gossypium hirsutum x G. raimondii)² x G. sturtianum]

The objective of this study is to analyse the possibilities of fixing in the progeny of the [(Gossypium hirsutum x G. raimondii)² x G. sturtianum] (HRS) trispecies hybrid, the glandless-seed and glanded-plant trait. The expression of the character was analysed in progenies obtained by selfing the HRS BC2S5/9/6/1/51/15 genetic stock. This character is controlled by one or more genes located on introgressed chromosome fragments of G. sturtianum. These foreign DNA fragments seem also carriers of gametes terminators genes on the same chromosome fragments and there would be a possible existence of negative interactions between some of the introgressed G. sturtianum alleles and the G. hirsutum genetic background inducing post-zygotic mortality. In order to break existing lethal links, some of the studied seeds were treated with 15 krad of gamma radiation. The transfer of G. sturtianum chromosome fragments introgressed stocks was assessed using ten mapped SSR markers, carried out on 78 plants HRS ‘BC2S6’. Gamma irradiation used to overcome lethality in HRS hybrid did not give expected results in M2 because of high rate of abortion observed in HRS ‘BC2S6’ seeds. However, gamma ray did not induce the appearance of chimeric tissues in the HRS ‘BC2S5/9/6/1/51/15’ in M1 plants. Moreover, the notable fertility improvement observed for some plants issued from irradiated seeds constitutes a clue of the achievement of favourables recombinations due to the gamma ray treatment. The perspectives opened by the results obtained for the stabilization of the glandless-seed and glanded-plant trait in a G. hirsutum commercial variety are discussed