Genetic structure and core collection of the World Olive Germplasm Bank of Marrakech: towards the optimised management and use of Mediterranean olive genetic resources

The conservation of cultivated plants in ex-situ collections is essential for the optimal management and use of their genetic resources. For the olive tree, two world germplasm banks (OWGB) are presently established, in Córdoba (Spain) and Marrakech (Morocco). This latter was recently founded and includes 561 accessions from 14 Mediterranean countries. Using 12 nuclear microsatellites (SSRs) and three chloroplast DNA markers, this collection was characterised to examine the structure of the genetic diversity and propose a set of olive accessions encompassing the whole Mediterranean allelic diversity range. We identified 505 SSR profiles based on a total of 210 alleles. Based on these markers, the genetic diversity was similar to that of cultivars and wild olives which were previously characterised in another study indicating that OWGB Marrakech is representative of Mediterranean olive germplasm. Using a model-based Bayesian clustering method and principal components analysis, this OWGB was structured into three main gene pools corresponding to eastern, central and western parts of the Mediterranean Basin. We proposed 10 cores of 67 accessions capturing all detected alleles and 10 cores of 58 accessions capturing the 186 alleles observed more than once. In each of the 10 cores, a set of 40 accessions was identical, whereas the remaining accessions were different, indicating the need to include complementary criteria such as phenotypic adaptive and agronomic traits. Our study generated a molecular database for the entire OWGB Marrakech that may be used to optimise a strategy for the management of olive genetic resources and their use for subsequent genetic and genomic olive breeding

Origins, domestication and varietal diversification in Olive (Olea europaea L.) in western Mediterranean area.

Les oliviers cultivés et leurs parents sauvages (oléastres), représentent deux variétés botaniques de l'espèce Olea europaea, subsp. var. europaea et var. sylvestris, respectivement. Selon des études génétiques et archéobotaniques antérieures, l'existence de populations d'oléastres dans l'est et l'ouest du bassin méditerranéen remonte à avant le néolithique. La domestication de l'olivier aurait eu lieu au moins dans ces deux zones. Néanmoins, la lignée maternelle qui caractérise les oléastres de l'est de la Méditerranée est majoritaire au sein des variétés méditerranéennes. Une telle signature génétique est probablement le résultat de migrations humaines essentiellement d'est en ouest. En dépit de ces travaux, les origines et les processus de diversification à l'ouest de la méditerranée demeurent méconnus. L'objectif de cette thèse est d'étudier les origines et les processus de diversification chez l'olivier à l'ouest de la Méditerranée. Deux hypothèses sont formulées: (i) une co-existence entre variétés sélectionnées localement et variétés introduites à partir de l'est de la Méditerranée et maintenues par clonage, (ii) une sélection à partir des formes de l'est introgressées par les populations locales à l'ouest de la Méditerranée. Dans une première partie, nous avons examiné les processus de diversification par une analyse des pratiques paysannes à une échelle localisée et dans une zone d'extrême diffusion : le Maroc. Il s'agissait de comprendre comment les paysans traitent la diversité variétale dans un contexte fortement impacté par une seule et même variété, la ‘Picholine marocaine'. Sur la base d'enquêtes semi-dirigées menées auprès des paysans dans les agro-écosystèmes traditionnels et selon une approche d'ethnobiologie, nous avons mis en évidence l'importance des logiques de classifications locales (usage, origine, âge, conservation de l'huile, méthode de propagation…) dans le traitement, le maintien et la gestion de la diversité variétale. Nos résultats montrent la présence d'un système de dénomination basée sur des catégories englobantes où les types d'oliviers sont regroupés sous des noms génériques en fonction des critères socioculturels et techniques plutôt que sur des critères morphologiques. Nous avons montré que ces catégories sont définies par des contours permissifs permettant aux types d'oliviers d'être classées dans plusieurs catégories. Nous soutenons l'hypothèse que ce système de classification permet de maintenir la diversité et est une force motrice pour la diversification variétale dans ces agro-écosystèmes caractérisés par une faible diversité d'oliviers. Dans une seconde partie, nous avons examiné les processus de diversification variétale par une approche basée sur la phylogéographie à l'échelle de la Méditerranée. Les analyses génétiques des variétés méditerranéennes d'olivier basées sur l'utilisation des marqueurs microsatellites nucléaires et chloroplastiques selon une approche bayésienne montrent une structure génétique est-ouest. La plupart des variétés de l'ouest de la méditerranée ont une lignée maternelle de l'est mais un génome nucléaire proche du "pool" génétique de l'ouest de la Méditerranée, ce qui indique une sélection à partir des formes de l'est introgressées par le "pool" génétique ouest et suggère que la sélection des oliviers à partir du semis n'a pas cessé aux premières étapes de domestication. Nos analyses sur les pratiques paysannes montrant que l'oléastre issu de semis fait partie intégrante de l'agro-écosystème et fait l'objet de sélection et d'usage (greffage sur oléastre, utilisation de l'huile de l'oléastre), ce qui plaide en faveur de l'hypothèse de l'introgression. En adoptant l'approche ABC (Approximative Bayesianne Computation), nous montrons que le scénario basé sur l'introgression des oliviers de l'est par les oléastres de l'ouest est le plus probable avec une introgression.Olive cultivars and their wild relatives (also named oleasters) represent two botanical varieties of Olea europaea subsp. europaea, respectively var. europaea and var. sylvestris. Archaeobotanical and genetic studies showed the occurrence of Oleasters populations in east and west Mediterranean areas before the Neolithic. The domestication of the olive tree has taken place at least in these two areas. However, the maternal lineage that characterizes the eastern Mediterranean oleasters predominates among Mediterranean olive varieties. Such genetic signature is probably the result of human migrations mainly from east to west. Nevertheless, the origins and processes of olive diversification in the western Mediterranean remain unknown. The objective of this thesis is to study the origins and processes of olive diversification in the western Mediterranean areas. Two assumptions are formulated: (i) a co-existence between locally selected and introduced olive varieties from the eastern Mediterranean and maintained by cloning, (ii) a selection from the eastern olive varieties and their introgression by local populations of the western Mediterranean pool. Firstly, we examined the process of olive diversification through analysis of farming practices on a localized scale and in an area of extreme diffusion, in Morocco. Our aim is to understand how farmers treat the olive varietal diversity in a highly impacted context by a single variety, the ‘Picholine marocaine'. Based on semi-structured surveys conducted with farmers in traditional agro-ecosystems and using an approach of ethnobiology, we highlighted the importance of local classification logic (use, origin, age, conservation oil, propagation methods ...) in the treatment, maintenance and management of the varietal diversity. Our results show the presence of a naming system based on inclusive categories which olives types are grouped under generic names based on cultural and technical criteria rather than morphological criteria. We have shown that these categories are defined by permissive contours allowing the olive types to be classified in several categories. We support the hypothesis that this classification system helps to maintain diversity and is a driving force for varietal diversification in these agro-ecosystems characterized by a low diversity of olive trees. Secondly, we examined the varietal olive diversification process by an approach based on a phylogeographic study at a Mediterranean scale. Genetic analyses of Mediterranean olive varieties based on the nuclear and chloroplast microsatellites markers and a Bayesian approach show an east-west genetic structure. Most of western olive varieties have a maternal lineage of the oleasters Mediterranean east, but a nuclear genome close to the gene pool of western Mediterranean, indicating a selection from the eastern forms that were introgressed by the western Mediterranean gene pool and suggests that selection from seedling has not ceased in the early stages of domestication. Our analyzes on the farmers' practices show that oleasters from seedling is an integral part of the agroecosystem and are subject to selection and use (grafting, use of oil oleasters), which argues in favor of the introgression hypothesis. By adopting the ABC approach (Approximate Computation Bayesianne), we show that the scenario based on the introgression of olive varieties of the east by the western oleasters is the most likely scenario. We enrich the knowledge about the domestication process in the western Mediterranean by crossing analysis of farmers' practices and phylogeographic study of olive trees in the Mediterranean basin. Results were discussed with respect to ex-situ versus in-situ conservation and with the questions raised by the evolution of plant diversity involving clonal and sexual propagation

Origines, domestication et diversification variétale chez l’olivier (Olea europaea L.) à l’ouest de la Méditerranée

Olive varieties and their wild relatives known as oleasters) represent two botanical varieties of Olea europaea subsp. europaea, respectively var. europaea and var. sylvestris. Archaeobotanical and genetic studies showed the occurrence of oleasters populations in east and west Mediterranean areas before the Neolithic. These studies show that domestication of the olive tree has taken place at least in these two areas. However, the maternal lineage based on the polymorphism of chloroplast DNA that characterizes the eastern Mediterranean oleasters predominates among Mediterranean olive varieties. Such a genetic signature is probably the diffusion of olive during successive human civilizations mainly from east to west. Nevertheless, the origins and processes of olive diversification in the western Mediterranean still remain unclear from the point of view of biological processes and human practices involved. The objective of this thesis is to study the origins and processes of olive diversification in the western Mediterranean areas. Two assumptions are considered: (i) a co-existence between locally selected and introduced olive varieties from the eastern Mediterranean and maintained by clonal propagation, (ii) a selection from the eastern olive varieties and their introgression by local populations of the western Mediterranean pool. Firstly, we examined the processes of olive diversification through analysis of farming practices on a localized scale and in an area of extreme diffusion, in Morocco at national and regional levels. Our aim is to understand how farmers treat the olive varietal diversity in a highly impacted context by a single variety, the ‘Picholine marocaine’. Based on semi-structured surveys conducted with farmers in traditional agro-ecosystems and using an ethnobiological approach, we highlighted the importance of local classification logics which relate to use, origin, age, oil conservation, propagation methods, ...) in the treatment, maintenance and management of the varietal diversity. Our results show the presence of a naming system based on inclusive categories that incorporate olives types grouped under generic names based on cultural and technical criteria and sometimes morphological criteria. Analysis of relationship between ethnobiological classification and genetic classification highlights the importance of these generic names which include close varieties showing farmers capacity to integrate genetic mutational events in their naming system. We have shown that these categories are defined by permissive contours allowing the olive types to be classified in several categories. We support the hypothesis that this classification system helps to maintain diversity and is a driving force for varietal diversification in these agro-ecosystems characterized by a low diversity of olive trees. Secondly, we examined olive varietal diversification process by an approach based on a phylogeographic study at a Mediterranean scale. Genetic analyses of Mediterranean olive varieties based on the nuclear and chloroplast microsatellites markers and using a Bayesian approach show an east-west genetic structure. Most of western olive varieties have a maternal lineage of oleasters from Eastern Mediterranean, but a nuclear genome close to the gene pool of western Mediterranean, indicating a selection from the eastern forms that were introgressed by the western Mediterranean gene pool and suggesting that selection from seedling has not ceased in the early stages of domestication. Our analyses on the farmers' practices show that oleasters from seedling is an integral part of the agroecosystems and are subject to selection and use (grafting, use of oleaster oil), which argue in favor of the introgression hypothesis. By adopting the ABC approach (Approximate Computation Bayesianne), we show that the scenario based on the introgression of olive varieties of the east by the western oleasters is the most likely scenario. We enrich the knowledge about the domestication process in the western Mediterranean by crossing analysis of farmers' practices and phylogeographic study of olive trees in the Mediterranean basin. Results were discussed with respect to ex-situ versus in-situ conservation and with the questions related to the evolution of plant diversity involving clonal and sexual propagation.Les oliviers cultivés et leurs parents sauvages (oléastres), représentent deux variétés botaniques de l'espèce Olea europaea, subsp. var. europaea et var. sylvestris, respectivement. Selon des études génétiques et archéobotaniques antérieures, l'existence de populations d'oléastres dans l'est et l'ouest du bassin méditerranéen remonte à avant le néolithique. La domestication de l'olivier aurait eu lieu au moins dans ces deux zones. Néanmoins, la lignée maternelle qui caractérise les oléastres de l'est de la Méditerranée est majoritaire au sein des variétés méditerranéennes. Une telle signature génétique est probablement le résultat de migrations humaines essentiellement d'est en ouest. En dépit de ces travaux, les origines et les processus de diversification à l'ouest de la méditerranée demeurent méconnus. L'objectif de cette thèse est d'étudier les origines et les processus de diversification chez l'olivier à l'ouest de la Méditerranée. Deux hypothèses sont formulées: (i) une co-existence entre variétés sélectionnées localement et variétés introduites à partir de l'est de la Méditerranée et maintenues par clonage, (ii) une sélection à partir des formes de l'est introgressées par les populations locales à l'ouest de la Méditerranée. Dans une première partie, nous avons examiné les processus de diversification par une analyse des pratiques paysannes à une échelle localisée et dans une zone d'extrême diffusion : le Maroc. Il s'agissait de comprendre comment les paysans traitent la diversité variétale dans un contexte fortement impacté par une seule et même variété, la ‘Picholine marocaine'. Sur la base d'enquêtes semi-dirigées menées auprès des paysans dans les agro-écosystèmes traditionnels et selon une approche d'ethnobiologie, nous avons mis en évidence l'importance des logiques de classifications locales (usage, origine, âge, conservation de l'huile, méthode de propagation…) dans le traitement, le maintien et la gestion de la diversité variétale. Nos résultats montrent la présence d'un système de dénomination basée sur des catégories englobantes où les types d'oliviers sont regroupés sous des noms génériques en fonction des critères socioculturels et techniques plutôt que sur des critères morphologiques. Nous avons montré que ces catégories sont définies par des contours permissifs permettant aux types d'oliviers d'être classées dans plusieurs catégories. Nous soutenons l'hypothèse que ce système de classification permet de maintenir la diversité et est une force motrice pour la diversification variétale dans ces agro-écosystèmes caractérisés par une faible diversité d'oliviers. Dans une seconde partie, nous avons examiné les processus de diversification variétale par une approche basée sur la phylogéographie à l'échelle de la Méditerranée. Les analyses génétiques des variétés méditerranéennes d'olivier basées sur l'utilisation des marqueurs microsatellites nucléaires et chloroplastiques selon une approche bayésienne montrent une structure génétique est-ouest. La plupart des variétés de l'ouest de la méditerranée ont une lignée maternelle de l'est mais un génome nucléaire proche du "pool" génétique de l'ouest de la Méditerranée, ce qui indique une sélection à partir des formes de l'est introgressées par le "pool" génétique ouest et suggère que la sélection des oliviers à partir du semis n'a pas cessé aux premières étapes de domestication. Nos analyses sur les pratiques paysannes montrant que l'oléastre issu de semis fait partie intégrante de l'agro-écosystème et fait l'objet de sélection et d'usage (greffage sur oléastre, utilisation de l'huile de l'oléastre), ce qui plaide en faveur de l'hypothèse de l'introgression. En adoptant l'approche ABC (Approximative Bayesianne Computation), nous montrons que le scénario basé sur l'introgression des oliviers de l'est par les oléastres de l'ouest est le plus probable avec une introgression. Nous proposons un nouvel éclairage sur les processus de domestication à l'ouest de la Méditerranée en croisant les analyses des pratiques paysannes à celles de la phylogéographie de l'olivier dans le bassin méditerranéen. Nous discutons ces résultats vis-à-vis de la conservation ex-situ versus in-situ et en rapport avec les questions soulevées par l'évolution de la diversité des plantes impliquant une multiplication végétative et la reproduction sexuée

Ongoing domestication and diversification in grafted olive-oleaster agroecosystems in Northern Morocco

UMR AGAP - équipe AFEF - Architecture et fonctionnement des espèces fruitièresThis paper analyzes sociohistorical and biological factors that shape olive-oleaster agroecosystems (hereafter OOAs), in northern Morocco and their continuing roles in olive domestication, diversification and food security. Forests are cleared and oleasters (wild olive trees) are preserved by farmers for their valuable oil and for use as rootstocks to graft olive. This practice is among those that have shaped olive domestication in the Mediterranean region. It contributes to the creation of forest-based olive agroecosystems and favors olive intraspecific diversity that is highly adapted to heterogeneous mountain environments. Productions contribute to food security, short trade circuits, land tenure and cultural identity. Ethnobiological studies show a continuity of classification, naming and uses between selected oleaster types and olive varieties suggesting an ongoing domestication process. This is supported by genetic analyses which show a higher concentration of genotypes selected from seedlings that propagate through sexual propagation in OOAs as compared to areas where management of oleasters for oil and as rootstocks is absent. Photointerpretation of aerial images corroborated with field-based observations, show the impacts of exogenous projects since the French and Spanish Protectorate periods to contemporary projects of the state policy "Plan Maroc Vert." We discuss the importance of OOAs for the preservation of on-farm genetic resources, food security and as models for future agroecosystems within the context of climate change

Construction of core collections suitable for association mapping to optimize use of Mediterranean olive (Olea europaea L.) genetic resources.

Phenotypic characterisation of germplasm collections is a decisive step towards association mapping analyses, but it is particularly expensive and tedious for woody perennial plant species. Characterisation could be more efficient if focused on a reasonably sized subset of accessions, or so-called core collection (CC), reflecting the geographic origin and variability of the germplasm. The questions that arise concern the sample size to use and genetic parameters that should be optimized in a core collection to make it suitable for association mapping. Here we investigated these questions in olive (Olea europaea L.), a perennial fruit species. By testing different sampling methods and sizes in a worldwide olive germplasm bank (OWGB Marrakech, Morocco) containing 502 unique genotypes characterized by nuclear and plastid loci, a two-step sampling method was proposed. The Shannon-Weaver diversity index was found to be the best criterion to be maximized in the first step using the Core Hunter program. A primary core collection of 50 entries (CC50) was defined that captured more than 80% of the diversity. This latter was subsequently used as a kernel with the Mstrat program to capture the remaining diversity. 200 core collections of 94 entries (CC94) were thus built for flexibility in the choice of varieties to be studied. Most entries of both core collections (CC50 and CC94) were revealed to be unrelated due to the low kinship coefficient, whereas a genetic structure spanning the eastern and western/central Mediterranean regions was noted. Linkage disequilibrium was observed in CC94 which was mainly explained by a genetic structure effect as noted for OWGB Marrakech. Since they reflect the geographic origin and diversity of olive germplasm and are of reasonable size, both core collections will be of major interest to develop long-term association studies and thus enhance genomic selection in olive species

Parameter measurements for different core collections and OWGB Marrakech.

<p><i>Cv:</i> allelic coverage or number of alleles, <i>D_CE:</i> average genetic distance of Cavalli-Sforza and Edwards, <i>SD:</i> standard deviation, <i>He:</i> Nei diversity index, <i>Sh</i>: Shannon-Weaver diversity index.</p>*<p>Statistically significant difference (p<0.05) using the Mann-Whitney test to assess differences between core collections and OWGB Marrakech.</p

Inferred structure for K = 3 within OWGB Marrakech, CC₅₀, and CC₉₄.

<p><i>H′</i> represents the similarity coefficient between runs, whereas ΔK represents the ad-hoc measure of Evanno et al. <a href="http://www.plosone.org/article/info:doi/10.1371/journal.pone.0061265#pone.0061265-Evanno1" target="_blank">[84]</a>. According to geographic and genetic criteria, three gene pools were revealed within Marrakech OWGB (western, central, and eastern Mediterranean groups) while the genetic structure was reduced to two sub-divisions in both core collections (eastern and western/central).</p

Linkage disequilibrium <i>p</i>-values between pairs of 17 SSR loci.

<p>Linkage disequilibrium <i>p-values</i> obtained for the 457 genotypes (distinguished by more than three dissimilar alleles, upper triangle) and for the CC₉₄ core collection (lower triangle) using the <i>Tassel</i> program. Red, blue, grey and white boxes indicate high (p<0.0001), intermediate (0.01>p>0.0001), low significance (p>0.01) and no significance, respectively. A sampling effect on the linkage disequilibrium was found between pairs of SSR loci.</p