Morphological phenotypes, pollen viability and pollen-pistil relations in three natural populations of the wild potato Solanum Chacoense bitter

Abstract

Argentina is center of diversity of approximately 35 wild taxonomic potato species that have wide geographical distribution. These species, which form polyploid series with 2n=2x=24 up to 2n=6x=72 (x=12), can reproduce both sexually and asexually. Most of them are diploid obligate outcrossers because they possess a one-locus gametophytic self-incompatibility system. In nature, wild potatoes can present both external and internal reproductive isolation barriers, within and between populations, which can be incomplete. Most accessions in germplasm banks have been assigned specific categories based on morphological phenotypes (taxonomic species concept), without taking into account the natural reproductive behavior of the sampled populations. One of these species, Solanum chacoense Bitter (2n=2x=24, 2 EBN 1 ), spontaneously grows from the NW provinces to SE Buenos Aires province, in very diverse habitats and overlapping with other taxonomic potato species, with which it can spontaneously hybridize. As preliminary activities of an in situ study, individual plants from three populations classified as S. chacoense (APEC-1, APEC-2 and APEC-3) that spontaneously grow in Balcarce, Buenos Aires province, were characterized for morphological phenotypes of leaves, flowers and fruits, pollen viability and pollen-pistil relations. The percentage of pollen viability (determined by staining) varied from 34.5 to 98.8% ( =81.3%) in APEC-1 (n=23), 0 to 98.8% ( =62.8%) in APEC-2 (n=26) and 63.3 to 95.4% ( =85%) in APEC-3 (n=21). Variability was also observed for pollen size ( 2n and 4n, in addition to normal n) and pollen size frequency. Abnormalities were observed at the tetrad stage of meiosis in eight plants of APEC-2 with heterogeneous-size pollen. According to the site of pollen tube arrest, pollen-pistil relationships within APEC-1 and APEC-2 revealed events of cross-incompatibility and/or self-incompatibility, whereas only cross-incompatibility was detected within APEC-3. No relations were found between morphological phenotypes and pollen-pistil reactions, and between corolla shape and pollen viability. The results are indicative of a likely hybrid origin of the studied populations and the need for revising the current taxonomic approaches in wild potatoes.

Argentina es centro de diversidad de aproximadamente 35 especies silvestres de papa, que tienen amplia distribución geográfica. Estas especies, que forman series poliploides con 2n=2x=24 hasta 2n=6x=72 (x=12), pueden reproducirse tanto sexual como asexualmente. La mayoría de ellas son diploides, y alógamas obligadas debido a que poseen un sistema de auto-incompatibilidad gametofítica. En la naturaleza, las papas silvestres presentan barreras de aislamiento reproductivo externas e internas, dentro y entre poblaciones, que pueden ser incompletas. A la mayoría de las colecciones de bancos de germoplasma se les ha asignado categoría específica en base a fenotipos morfológicos (concepto de especie taxonómica), sin considerar el comportamiento reproductivo natural de las poblaciones muestreadas. Una de estas especies, Solanum chacoense Bitter (2n=2x=24, 2NBE2 ), crece espontáneamente desde las provincias del noroeste hasta el sudeste de la provincia de Buenos Aires, en hábitats diversos y superponiéndose en su distribución con otras especies taxonómicas de papa con las que puede hibridarse espontáneamente. Como actividades preliminares de un estudio in situ, se caracterizaron por fenotipos morfológicos de hojas, flores y frutos, viabilidad de polen y relaciones polen-pistilo, tres poblaciones naturales de Balcarce, provincia de Buenos Aires, clasificadas como S. chacoense (APEC-1, APEC-2 y APEC-3). El porcentaje de viabilidad del polen (determinado por tinción) varió de 34,5 a 98,8% ( =81.3%) en APEC-1 (n=23), 0 a 98,8% ( =62.8%) en APEC-2 (n=26) y 63,3 a 95,4% ( =85%) en APEC-3 (n=21). Además, se observó variabilidad para tamaño de polen (2n y 4n, en adición al polen n normal) y para frecuencia según tamaño. Se observaron anormalidades en el estadio de tétrada en ocho plantas de APEC-2 con polen de tamaño heterogéneo. De acuerdo al sitio de detención del tubo polínico, las relaciones polen-pistilo dentro de APEC-1 y APEC-2 revelaron eventos de incompatibilidad cruzada y/o autoincompatibilidad mientras que en APEC-3 sólo se detectó incompatibilidad cruzada. No se encontraron relaciones entre fenotipos morfológicos y reacciones polen-pistilo, ni entre forma de corola y viabilidad de polen. Los resultados obtenidos son indicativos de un posible origen híbrido de las poblaciones estudiadas y de la necesidad de revisar el enfoque taxonómico en las papas silvestres.