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Heteroplasmy and paternally oriented shift of the organellar DNA composition in barley–wheat hybrids during backcrosses with wheat parents

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Mitochondrial (mt) and chloroplast (ct) genome inheritance was studied in barley–wheat hybrids, as were their progenies obtained from backcrosses with different common wheat cultivars, by monitoring the composition of 4 mtDNA (coxI, a 5′-flanking region of cob, nad3-orf156, and 5′-upstream region of 18S/5S) and 2 ctDNA (simple-sequence repeat locus downstream of trnS and a 3′-flanking region of rbcL) loci. In male sterile F1 and BC1 plants, maternal barley mtDNA fragments were mainly detected and very low levels of paternal wheat fragments were occasionally detected by PCR in coxI, a 5′-flanking region of cob and nad3-orf156, whereas a 5′-upstream region of 18S/5S showed clear heteroplasmy, containing both maternal and paternal copies, with maternal copies prevailing. Plants showing such heteroplasmic mtDNA composition remained either semisterile or became completely sterile in the later backcross generations. Only maternal ctDNA copies were detected in these plants. In 3 stable, self-fertile, and vigourous lines obtained in the advanced backcross generations and possessing recombinant wheat nuclear genome, however, only mt- and ctDNA copies of wheat parents were detected; thus, the original alloplasmic condition appeared to be lost. Our results suggest that transmission followed by selective replication of the paternal wheat organellar DNA leads to a paternally oriented shift of the organellar DNA composition in barley–wheat hybrids, which correlates with the restoration of fertility and plant vigour. These 2 processes seem to be related to nucleocytoplasmic compatibility and to be under the control of the nuclear genome composition.Key words: barley–wheat hybrids, ctDNA, mtDNA, nucleoytoplasmic compatibility, organelle DNA inheritance.

La transmission des génomes mitochondrial (mt) et chloroplastique (ct) a été étudiée chez des hybrides orge-blé et leurs descendances obtenues par rétrocroisement avec différents cultivars de blé en examinant 4 locus d'ADNmt (cox1, une région 5′ bordant cob, nad3-orf156 et une région en 5′ du 18S/5S) et 2 locus d'ADNct (un microsatellite en aval de trnS et une région en 3′ de rbcL). Chez des plantes F1 et BC1 stériles, ce sont surtout des fragments d'ADNmt de l'orge, avec parfois une très faible quantité d'ADN du blé parental, qui ont été détectés par PCR pour cox1, la région en 5′ de cob et nad3-orf156. Par contre, pour la région 5′ en amont du 18S/5S, une hétéroplasmie nette a été observée ; les copies maternelles et paternelles étant toutes 2 présentes en dépit d'une prédominance des copies maternelles. Les plantes montrant une telle hétéroplasmie de l'ADNmt sont demeurées soit semi-stériles ou encore sont devenues complètement stériles lors de rétrocroisements ultérieurs. Seules des copies d'ADNct maternel ont été détectées chez ces plantes. Chez 3 lignées auto-fertiles stables et vigoureuses, obtenues dans les générations ultérieures et possédant un génome nucléaire de blé recombinant, seuls des ADNmt et ADNct des blés parentaux ont été détectés. Ainsi, l'alloplasmie initiale a été perdue chez ces lignées. Ces résultats suggèrent que la transmission, suivie d'une réplication sélective, des génomes paternels des organites entraîne un changement de la composition génomique des organites chez des hybrides orge-blé. Cette transition serait corrélée avec la restauration de la fécondité et de la vigueur. Ces 2 processus semblent liés à la compatibilité nucléocytoplasmique et déterminés par la composition du génome nucléaire.Mots clés : hybrides orge-blé, ADNct, ADNmt, compatibilité nucléocytoplasmique, transmission de l'ADN des organites.[Traduit par la Rédaction]

Document Type: Research Article

Publication date: 2005-10-01

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