Comparative genetic linkage map for <em>Solanum ochranthum </em>and<em> S. juglandifolium</em> and genetic diversity and population structure in <em>S. lycopersicoides </em>and<em> S. sitiens </em>

Abstract

The four nightshades <em>Solanum ochranthum, S. juglandifolium, S. lycopersicoides </em>and<em> S. sitiens </em>compose the basal ranks of the tomato clade (<em>S. sect. lycopersicum </em>and<em> S. sect. juglandifolium</em>), representing a link between cultivated potato (<em>S. tuberosum</em>) and cultivated tomato (<em>S. lycopersicum</em>). All four exhibit potato-like morphological features and are isolated by strong reproductive barriers from tomato. <em>S. ochranthum </em>and<em> S. juglandifolium</em> occupy wet, tropical regions in Colombia, Ecuador and Peru while <em>S. lycopersicoides </em>and<em> S. sitiens </em>are narrowly endemic in the arid south of Peru and Northern Chile.<br /> The <em>S. lycopersicoides </em>and<em> S. sitiens</em> genome lacks one of the major whole-arm paracentric inversions that differentiate tomato from potato. To investigate the genomic structure in <em>S. ochranthum </em>and<em> S. juglandifolium,</em> a genetic linkage map was constructed from 66 F₂ plants of an interspecific mapping population using 96 CAPS, 19 RFLPs and 17 microsatellites. Segregation distortion affected one third of the markers, and 13 putative segregation distorter loci were identified on nine out of twelve chromosomes. Total map length spanned 790 cM, representing 42 % length reduction relative to the tomato reference map. As expected, the degree of collinearity with the tomato genome was high. Evidence was found for a reciprocal whole-arm translocation among the parental species involving chromosome 8 and 12.<br /> Levels of genetic diversity and genetic structure were investigated for the two narrowly endemic tomatoes <em>S. lycopersicoides </em>and<em> S. sitiens</em>. Fourteen and seven populations, respectively, were analyzed with a total of 11 allozyme and 15 microsatellite markers. Less variability was detected at the protein compared to the DNA level. <em>S. lycopersicoides</em> appeared more diverse than <em>S. sitiens</em> from the microsatellite analysis, whereas the opposite picture was presented by the allozyme analysis. Congruence between the two marker systems was low in the former species. Populations of <em>S. sitiens</em> were characterized by severe population fragmentation and exhibited signs of recent bottleneck events. A pattern of isolation by distance was evident in both species, and several alleles and diversity estimates exhibited geographic clines, primarily across the latitudinal range. Phylogenetic analyses revealed three major population clusters for each species; a northern, a central and a southern.

<p><strong>Komparative Genkartierung in <em>Solanum ochranthum </em>und<em> S. juglandifolium</em> sowie genetische Diversität und Populationsstruktur in <em>S. lycopersicoides </em>und<em> S. sitiens</em></strong><br /> Die vier Nachtschattengewächse <em>Solanum ochranthum, S. juglandifolium, S. lycopersicoides </em>und<em> S. sitiens</em> bilden die untersten Ränge im Stammbaum der Tomatengewächse und gelten als Verbindungsglied zwischen Kartoffel <em>(S. tuberosum</em>) und Tomate (<em>S. lycopersicum</em>). Alle vier besitzen morphologische Charakteristika, die typisch für Kartoffel sind, und sind von der Tomate durch Kreuzungsbarrieren getrennt. Während <em>S. ochranthum </em>und<em> S. juglandifolium</em> in den tropisch feuchten Regionen Kolumbiens, Ecuadors und Perus vorkommen, sind <em>S. lycopersicoides </em>and<em> S. sitiens</em> ausschließlich in trockenen, eng begrenzten Gebieten im Süden Perus und Norden Chiles zu finden.<br /> In den Genomen von <em>S. lycopersicoides </em>und<em> S. sitiens</em> fehlt eine der parazentrischen Inversionen, die Tomate von der Kartoffel differenzieren. Um die Genomstruktur in <em>S. ochranthum </em>und<em> S. juglandifolium</em> zu untersuchen, wurde an 66 F₂ Pflanzen einer interspezifischen Kreuzung eine Gen-Kartierungsanalyse durchgeführt. Insgesamt wurden 132 molekulare Marker (96 CAPS, 19 RFLPs und 17 Mikrosatelliten) eingesetzt. Abweichungen von dem erwarteten Aufspaltungsmuster wurden bei einem Drittel der molekularen Marker beobachtet. Dreizehn Loci, die die Aufspaltung möglicherweise beeinflussen, wurden auf neun der zwölf Chromosomen identifiziert. Die Länge der Genkarte umfasste 790 cM, was einer 42 %-igen Reduktion der Rekombinationsereignisse im Vergleich zur Referenz-Genkarte für Tomate entsprach. Wie erwartet war der Grad der Kollinearität mit Tomate hoch. Die Analyse deutete auf eine reziproke Translokation zwischen den Armen zweier Chromosomen (8 und 12) in einer der beiden Eltern-Spezies hin.<br /> Das Ausmaß der genetischen Diversität sowie deren strukturelle Verteilung wurden in 14 <em>S. lycopersicoides </em>und<em> sieben S. sitiens</em> Populationen anhand von insgesamt elf Isoenzymen und 15 Mikrosatelliten bestimmt. Die genetische Diversität war geringer auf dem Protein-Level verglichen mit dem DNA-Level. Auf Basis der Mikrosatelliten erwiesen sich <em>S. lycopersicoides</em> Populationen diverser als die der Schwester-Spezies <em>S. sitiens</em>, die Isoenzyme-Analyse jedoch zeigte das Gegenteil. Insgesamt war der Grad der Übereinstimmung zwischen den beiden Markersystemen in <em>S. lycopersicoides</em> recht gering. Die Analyse zeigte einen hohen Grad an Fragmentierung in <em>S. sitiens</em> Populationen sowie Anzeichen, dass sich in ihnen in jüngerer Vergangenheit genetische Flaschenhals Ereignisse zugetragen hatten. Strukturen der Isolierung durch Distanz waren in beiden Spezies deutlich, und eine Reihe von Allelen sowie Diversitäts-Parameter zeigten Korrelationen mit geographischen Eigenschaften (sog. Clines), vor allem mit dem Breitengrad. In den Stammbaumanalysen beider Spezies wurden jeweils drei primäre Populations-Gruppen deutlich; eine nördliche, eine zentrale und eine südliche.</p>