Estudios moleculares en Jopo de girasol (Orobanche cumana Wallr.)

Abstract

Los jopos (Orobanche spp. y Phelipanche spp.) son un grupo de aproximadamente 170 especies de plantas holoparásitas distribuidas principalmente en el Hemisferio Norte. A pesar de que la mayor parte de Orobanche spp. sólo parasitan plantas silvestres, algunas de ellas se han convertido en malas hierbas nocivas en un rango variable de cultivos. Orobanche cumana Wallr. se distribuye de forma natural desde Asia Central hasta el sudeste de Europa, dónde parasita especies silvestres de la familia Asteraceae. La costa del Mar Negro en el este de Bulgaria es una de las principales áreas naturales de distribución de O. cumana, dónde esta especie se encuentra principalmente parasitando Artemisia maritima L. Esta especie, conocida como jopo del girasol (Helianthus annuus L.), es también una importante mala hierba parásita de este cultivo, dónde fue observada por primera vez parasitando girasol en Rusia en la década de 1890. Orobanche cumana está presente en los cultivos de girasol en muchos países de todo el mundo, especialmente en el centro y este de Europa, España, Turquía, Israel, Rusia, Ucrania, Irán, Kazajstán, China, Francia y Túnez. En la mayoría de estas áreas, O. cumana causa severas pérdidas de rendimiento en los cultivos de girasol. Orobanche cumana se encuentra en España como una especie alóctona que parasita al girasol cultivado exclusivamente, a diferencia de la especie estrechamente relacionada O. cernua L., que es una especie autóctona que sólo parasita huéspedes silvestres de la familia Asteraceae, principalmente Artemisia spp. Durante muchos años, O. cumana se distribuyó en el Valle del Guadalquivir (Andalucía, Sur de España) y en la provincia de Cuenca (Catilla-La Mancha, Centro de España), pero en los últimos años, se ha extendido a otras áreas de cultivo de ambas zonas y en nuevos campos de otras regiones como Castilla y León (Norte de España). La información sobre la diversidad genética, la dinámica de poblaciones, el sistema de reproducción, el flujo genético y la genética de la virulencia en O. cumana es escasa, especialmente en relación con el análisis molecular entre y dentro de las poblaciones, debido a la falta de marcadores moleculares adecuados para este tipo de estudios. Sólo unos pocos estudios moleculares se han llevado a cabo en O. cumana, limitados a la evaluación de la diversidad genética a través de isoenzimas o marcadores RAPD. Además, sólo algunos estudios se han descrito sobre las interacciones genéticas entre formas silvestres y de malas hierbas de especies de plantas parásitas. La aplicación de estos estudios es importante para el desarrollo de estrategias de mejora para el control a largo plazo que implica la resistencia genética en girasol. Por otra parte, el conocimiento de las interacciones entre los genotipos silvestres y de malas hierbas de las plantas parásitas es importante porque la vegetación silvestre puede jugar un papel como reservorio de diversidad genética para la superación de los mecanismos de resistencia genética en los cultivos huéspedes. Pero, por otro lado, la evolución de la virulencia en las poblaciones de malas hierbas parásitas también puede tener un impacto sobre la distribución de las especies en la naturaleza. Unido a esto, se necesitan marcadores alternativos como marcadores microsatélites (SSRs) que son reproducibles, no influenciados por el ambiente, multialélicos y codominantes, para permitir análisis más efectivos en O. cumana. Dado que los estudios sobre la variabilidad genética de poblaciones de O. cumana se han basado en un número restringido de poblaciones recolectadas en girasol y tipos de marcadores, una evaluación a mayor escala podría contribuir a una mejor comprensión de la estructura genética y dinámica de la especie. Tampoco hay información sobre la estructura genética de poblaciones de O. cumana que parasitan especies silvestres y su relación con las poblaciones de malas hierbas parásitas en zonas en las que conviven, y su virulencia en girasol. Como los recursos disponibles para estudios moleculares con...

Broomrapes (Orobanche spp. and Phelipanche spp.) are a group of around 170 holoparasitic plant species mainly distributed in the Northern Hemisphere. Even though most of the Orobanche spp. only parasitize wild plants, some of them have become noxious weeds on a variable range of cultivated hosts. Orobanche cumana Wallr. is naturally distributed from Central Asia to Southeastern Europe, where it parasitizes wild Asteraceae species. The Black Sea coast in Eastern Bulgaria is one of the main natural distribution areas for O. cumana, where this species is mainly found parasitizing Artemisia maritima L. This species, known as sunflower broomrape, is also an important parasitic weed of sunflower (Helianthus annuus L.), where it was first observed parasitizing this crop in Russia in the 1890s. Orobanche cumana is present in sunflower crops in many countries around the world, especially in Central and Eastern Europe, Spain, Turkey, Israel, Russia, Ukraine, Iran, Kazakhstan, China, France and Tunisia. In most of these areas, O. cumana causes severe yield losses in sunflower crops. Orobanche cumana is found in Spain as an allochthonous species parasitizing exclusively cultivated sunflower, in contrast to the closely related species O. cernua L., which is an autochthonous species that only parasitizes wild Asteraceae hosts, mainly Artemisia spp. For many years, O. cumana was distributed in the Guadalquivir Valley (Andalucía, Southern Spain) and Cuenca province (Castilla-La Mancha, Central Spain), but in recent years, it has spread to other areas of these both cultivation regions and new fields in other regions such as Castilla y León (Northern Spain). Information on genetic diversity, population dynamics, mating system, gene flow and virulence genetics in O. cumana is scarce, particularly concerning molecular analysis among and within populations, due to the lack of suitable molecular markers for such studies. Only a few molecular studies have been conducted in O. cumana, restricted to evaluating genetic diversity through isoenzymes or RAPD markers. Furthermore, only some studies have been described on genetic interactions between wild and weedy forms of parasitic plant species. The application of these studies is important for the development of long-term breeding strategies for control involving genetic resistance in sunflower. Moreover, knowledge about interactions between wild and weedy genotypes of parasites is significant because wild vegetation may play a role as reservoir of genetic diversity for overcoming genetic resistance mechanisms in the host crops. But on the other hand, evolution of virulence in weedy populations may also have an impact on the distribution of the species in the wild. Coupled with this, alternative markers such as Simple Sequence Repeat (SSR) markers, which are reproducible, neutrally evolving, multiallelic and co-dominant, are needed to enable more powerful analyses in O. cumana. Since studies on genetic variability of O. cumana populations have been based on restricted numbers of weedy populations collected on sunflower and marker types, a larger-scale evaluation would contribute to a better understanding of genetic structure and dynamics of this species. There is also no information on the population structure of O. cumana populations parasitizing wild species and their genetic relationship with weedy populations in areas where they co-exist, and their virulence on sunflower. As very limited SSR resources are available for molecular research in O. cumana and other Orobanche spp., we developed and characterized a collection of SSR primer pairs for sunflower broomrape. Four thousand two hundred SSR-containing candidate sequences were obtained from O. cumana using Next Generation Sequencing (454 GS-FLX Titanium), from which 298 SSR primer pairs were designed and 217 of them used for validation. Seventy nine SSR primers produced reproducible, high quality amplicons of the expected size that were polymorphic among 18 O.