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Predominant paternal inheritance pattern of light-energy processing adaptive traits in red and black spruce hybrids

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Abstract:

Ecophysiological traits related to light-energy processing and freezing tolerance are important adaptive traits in plants. Our goal was to investigate the pattern of inheritance of these traits in hybrids using controlled intra- and inter-specific crosses of red spruce (Picea rubens Sarg.) (RS) and black spruce (Picea mariana (Mill.) BSP) (BS). Our initial working hypothesis was that expected hybrid index categories could be a predictor of adaptive traits. Species results of dark-adapted photochemical efficiency (Fv/Fm) and light-adapted light-energy processing traits, quantum yield (YLD), thermal dissipation efficiency (qN), and chlorophyll fluorescence (Fpc), were consistent with previously published open-pollinated, species provenance results. Initially, YLD, qN, and Fpc, showed an additive inheritance pattern, evident by average hybrid index 50 having a mid-parent value. Because of various crosstypes of the hybrid families, parental analysis, testing male, female, and interaction effects, and having three categories (pure RS, pure BS, and hybrid spruce), revealed significant male and nonsignificant female and interactive effects. Underlying the averaged additive results was a significant species-specific paternal inheritance pattern. Crosses with BS males had 13.7% higher YLD (P = 0.001), 15.4% lower qN (P = 0.008), and 43.0% higher Fpc (P = 0.096) than crosses with either RS or hybrid males. Fv/Fm showed a nonadditive or parental species pattern. Parental analysis of Fv/Fm showed significant male, female, and male × female interaction effects, and further analysis supports a largely species-specific and paternally inherited trait. Freezing tolerance revealed a mixed model of inheritance dominated by species effects. Total dry mass was positively correlated with YLD, and negatively correlated with Fv/Fm and qN, suggesting a biological tradeoff. We know of no other studies in trees demonstrating paternal inheritance of ecophysiological processes that affect adaptation and fitness.

Les caractères écophysiologiques associés à la tolérance au gel et à l’utilisation de la lumière comme source d’énergie sont des caractères adaptatifs importants chez les plantes. Les auteurs ont étudié le patron de transmission génétique de ces caractères chez des hybrides issus de croisements dirigés intraspécifiques et interspécifiques chez l’épinette rouge (Picea rubens Sarg.) (ÉR) et l’épinette noire (Picea mariana (Mill.) BSP) (ÉN). Selon l’hypothèse initiale de travail, les catégories espérées d’index pour l’identification des hybrides pourraient constituer un prédicteur de la valeur des caractères liés à l’adaptation. Les résultats pour les espèces concernant les caractères reliés à l’efficacité photochimique en l’absence de lumière (Fv/Fm) et à l’utilisation de la lumière comme source d’énergie, le rendement quantique (YLD), l’efficacité de dissipation de la chaleur (qN) et la fluorescence de la chlorophylle (Fpc) étaient congruents avec les résultats déjà publiés d’essais de provenances établis à partir de matériel issu de la pollinisation libre pour chaque espèce. Au départ, YLD, qN et Fpc affichaient un patron additif de transmission génétique, comme le démontrait l’index moyen d’identification des hybrides 50 qui avait une valeur intermédiaire entre celles des parents. En raison de la diversité des types de croisements ayant permis d’obtenir les familles hybrides, l’analyse parentale en testant les effets mâle, femelle et d’interaction, tout en considérant trois catégories de descendants (ÉR pure, ÉN pure et épinettes hybrides), a révélé des effets significatifs dus au parent mâle et des effets non significatifs dans le cas du parent femelle et de l’interaction. Sous-jacent aux résultats additifs moyens, un patron de transmission génétique paternel significatif spécifique à l’espèce a été remarqué. Les croisements impliquant des parents mâles d’ÉN avaient une valeur de YLD 13,7% plus élevée (P = 0,001), une valeur de qN 15,4% moins élevée (P = 0,008) et une valeur de Fpc 43,0% plus élevée (P = 0,096) que celles des croisements impliquant aussi bien l’ÉR que des parents mâles hybrides. La variable Fv/Fm démontrait un patron non additif ou un patron typique des parents représentatifs des espèces. L’analyse parentale de la variable Fv/Fm a révélé qu’il y avait des effets significatifs mâle, femelle et d’interaction mâle× femelle. Une analyse plus poussée supporte le concept d’un caractère transmis paternellement et largement spécifique à l’espèce. La tolérance au gel était expliquée par un modèle mixte de transmission dominé par les effets des espèces. La masse anhydre totale était corrélée positivement avec YLD et négativement avec Fv/Fm et qN, ce qui pourrait être un indice de compromis biologique. Les auteurs ne relèvent aucune autre étude qui mette en évidence chez les arbres un patron de transmission paternel des processus écophysiologiques affectant l’adaptation et la santé.

Document Type: Research Article

Publication date: February 1, 2007

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