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Molecular, morphological, and cytological analysis of diverse Brachypodium distachyon inbred lines

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Abstract:

Brachypodium distachyon (brachypodium) is a small grass with the biological and genomic attributes necessary to serve as a model system for all grasses including small grains and grasses being developed as energy crops (e.g., switchgrass and Miscanthus). To add natural variation to the toolkit available to plant biologists using brachypodium as a model system, it is imperative to establish extensive, well-characterized germplasm collections. The objectives of this study were to collect brachypodium accessions from throughout Turkey and then characterize the molecular (nuclear and organelle genome), morphological, and cytological variation within the collection. We collected 164 lines from 45 diverse geographic regions of Turkey and created 146 inbred lines. The majority of this material (116 of 146 inbred lines) was diploid. The similarity matrix for the diploid lines based on AFLP analysis indicated extensive diversity, with genetic distances ranging from 0.05 to 0.78. Organelle genome diversity, on the other hand, was low both among and within the lines used in this study. The geographic distribution of genotypes was not significantly correlated with either nuclear or organelle genome variation for the genotypes studied. Phenotypic characterization of the lines showed extensive variation in flowering time (7-22 weeks), seed production (4-193 seeds/plant), and biomass (15-77 g). Chromosome morphology of the collected brachypodium accessions varied from submetacentric to metacentric, except for chromosome 5, which was acrocentric. The diverse brachypodium lines developed in this study will allow experimental approaches dependent upon natural variation to be applied to this new model grass. These results will also help efforts to have a better understanding of complex large genomes (i.e., wheat, barley, and switchgrass).

Le Brachypodium distachyon (brachypodium) est une petite graminée dont les caractéristiques biologiques et génomiques en font un bon modèle pour toutes les graminées, incluant les petites céréales et les graminées envisagées pour la production de biocarburants (e.g. le panic érigé et le Miscanthus). Afin d’ajouter la variation naturelle à l’ensemble des outils à la portée des chercheurs utilisant le brachypodium comme modèle, il serait impératif d’établir des collections de ressources génétiques caractérisées de manière exhaustive. Les objectifs de ce travail étaient de constituer une collection d’accessions du brachypodium provenant de toute la Turquie et de caractériser la variation moléculaire (génomes nucléaire et des organites), morphologique et cytologique au sein de cette collection. Les auteurs ont collecté 164 lignées provenant de 45 régions géographiques diverses en Turquie et en ont dérivé 146 lignées fixées. La majorité (116 de 146) de ce matériel était diploïde. La matrice de similarité basée sur des analyses AFLP des lignées diploïdes a révélé une grande diversité puisque les distances génétiques variaient entre 0,05 et 0,78. La diversité au sein des génomes des organites était par contre faible, tant au sein que parmi les lignées employées dans ce travail. L’origine géographique des génotypes n’était pas corrélée significativement avec la variation des génomes nucléaire ou des organites. Une caractérisation phénotypique des lignées a révélé une grande variation pour ce qui est de la date de floraison (7-22 semaines), de la production de graines (4-193 graines/plante) et de la biomasse (15-77 g). La morphologie chromosomique chez ces brachypodiums variait de submétacentrique à métacentrique, à l’exception du chromosome 5, lequel était acrocentrique. Les diverses lignées de brachypodium développées au cours de ce travail rendront possibles des approches expérimentales reposant sur l’existence de variation génétique chez cette nouvelle graminée modèle. Ces résultats contribueront également aux efforts visant l’acquisition d’une meilleure connaissance des grands génomes complexes (i.e. le blé, l’orge et le panic érigé).

Document Type: Research Article

Publication date: October 1, 2009

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