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Cytogenetics of native species of Festuca, crossover analyses and chromatid interference in Festulolium

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Resumo

Ryegrasses (Lolium L.) são gramíneas ideais para uso como forragem animal na agricultura de pastagens temperadas, no entanto, seu uso é restrito por serem suscetíveis à estresses bióticos e abióticos. Festuca L., por sua vez, apresenta espécies mais resistentes, porém com desempenho inferior quando se trata de provisão de forragem. O complexo Lolium-Festuca tem fascinado citogeneticistas e melhoristas há mais cem anos por algumas razões. Em primeiro lugar, devido à natureza incomum e fácil com que híbridos intergenéricos (Festulolium) são obtidos e por apresentarem recombinação homeóloga, característica também presente em híbridos de Allium L.. Em segundo lugar, pela importância econômica, principalmente por unirem as melhores qualidades de ambos os gêneros: a alta produção de forragem do Lolium e a resistência de Festuca. Análises citogenéticas realizadas com hibridização in situ genômica (GISH) possibilitaram discriminar visualmente os genomas parentais, cromossomos/segmentos introgredidos e acompanhar o comportamento de ambos ao longo das gerações. Esta técnica, geralmente combinada com a hibridização in situ fluorescente (FISH), permite a descrição da composição do genoma híbrido, fornecendo informações valiosas para a produção de novas cultivares, seleção de material nas fases iniciais de programas de melhoramento e caracterização de espécies nativas selvagens. Apesar dos inúmeros estudos citogenéticos já realizados, o complexo ainda é um campo fértil para análises pioneiras, tais como para espécies nativas do Brasil e no esclarecimento de fenômenos genéticos ainda não totalmente elucidados, como, por exemplo, a crossover/chromatid interference. Nesse sentido, o presente trabalho está dividido em dois manuscritos, cujos objetivos foram: construir e caracterizar os cariótipos de duas espécies nativas do Brasil, Festuca ulochaeta Steud. e Festuca fimbriata Ness., utilizando FISH com sondas de rDNA 35 e 5S; evidenciar a existência de interferência cromossômica e entre cromátides no crossing-over por meio de GISH em híbridos de Festulolium (L. multiflorum Lam. x F. pratensis Huds.). Os resultados com o primeiro estudo, mostraram que ambas as espécies nativas apresentaram 42 cromossomos e um par de sítios de rDNA 5S. Para o sítio de rDNA 35S, foram identificados dois pares em F. fimbriata e um par em F. ulochaeta. A análise das características cromossômicas indica que essas espécies possuem cariótipo simétrico e possível origem alopoliploide. No segundo artigo, por meio da GISH em células em anáfase I de híbridos interespecíficos (L. multiflorum × F. pratensis e Allium cepa × A. Roylei), foi constatada a ação do fenômeno da crossover interference. Na análise foi possível quantificar o envolvimento de duas a quatro cromátides em crossing-over duplos e, naqueles que envolveram o número máximo de cromátides, a frequência foi de 64%, quando o esperado seria de apenas 25%. Também foi possível fornecer a medida física da distância da interferência que cobriu de 30 a 40% do comprimento relativo do braço cromossômico e evidenciar que o centrômero atua como uma barreira para a propagação da interferência.

Abstract

Ryegrasses (Lolium L.) are ideal grasses for use as animal fodder in temperate pasture farming, however, their use is restricted as they are susceptible to biotic and abiotic stresses. Festuca L., in turn, presents more resistant species, but with lower performance when it comes to the provision of forage. The Lolium-Festuca complex has fascinated cytogeneticists and breeders for over a hundred years for some reasons. Firstly, due to the unusual and easy nature with which intergeneric hybrids (Festulolium) are obtained and have homeologous recombination, feature also present in hybrids of Allium L.. Secondly, due to its economic importance, mainly because it combines the best qualities of both genus: the high production of Lolium forage and the resistance of Festuca. Cytogenetic analyzes carried out with genomic in situ hybridization (GISH) made it possible to visually discriminate parental genomes, chromosomes/introgressed segments and monitor the behavior over generations. This technique, usually combined with fluorescent in situ hybridization (FISH), allows the composition description of the hybrid genome, providing valuable information for the production of new cultivars, selection of material in the early stages of breeding programs and characterization of wild native species. Despite the countless cytogenetic studies already carried out, the complex is still a fertile field for pioneering analyzes, such as for native species of Brazil and in the clarification of genetic phenomena not yet fully elucidated, such as, for example, chromosomal/chromatid interference in crossing-over. Therefore, the present work is divided into two manuscripts, which the objectives were: to build and characterize the karyotypes of two species native to Brazil, Festuca ulochaeta Steud. and Festuca fimbriata Ness., using FISH with 35 and 5S rDNA probes; to evidence the existence of chromosomal/chromatid interference by means of GISH in Festulolium hybrids (L. multiflorum Lam. x F. pratensis Huds.). The results with the first study were that both native species had 42 chromosomes and a pair of 5S rDNA sites. For the 35S rDNA site, two pairs were identified in F. fimbriata and one pair in F. ulochaeta. The chromosomal characteristics indicates that these species have a symmetrical karyotype and possible allopolyploid origin. In the second manuscript, through GISH in anaphase I cells of interspecific hybrids (L. multiflorum × F. pratensis and Allium cepa × A. Roylei), the action of the interference phenomenon in crossing-over observed. In the analysis it was possible to quantify the involvement of two to four chromatids in double crossovers and, in those that involved the maximum number of chromatids, the frequency was 64%, when the expected would be only 25%. It was also possible to provide the physical measure of the interference that covered 30 to 40% of the relative length of the chromosomal arm and that the centromere acts as a barrier for the propagation of the interference.

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FERREIRA, M. T. M. Cytogenetics of native species of Festuca, crossover analyses and chromatid interference in Festulolium. 2021. 58 p. Tese (Doutorado em Genética e Melhoramento de Plantas) – Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2021.

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