Ex situ plant germplasm conservation revised at the light of mechanisms and methods of genetics / Conservación de germplasma Ex situ revisada a la luz de mecanismos y métodos de genética

ABSTRACT Plant genetic resources for food and agriculture are ex situ conserved in germplasm banks as samples (accessions) of natural or naturalized populations, either as the originally sampled propagules (mainly seeds) or their multiplications. The premises underlying ex situ conservation are that (a) it is the safest and cheapest alternative for germplasm preservation for future generations and (b) accessions are representative of the genetic diversity encountered in nature. In the past decades, ideas, alternatives and considerations have been put forward on the topic, and protocols have been devised for plant germplasm sampling, conservation and multiplication. However, limitations in the management efficiency of germplasm banks have been pointed out by international organizations. In our opinion, germplasm banks in general need to revise their functioning and management at the light of principles and methods of Genetics. To that end, it is necessary to consider the reproductive biology of higher plants -whose genetic consequences at both the individual plant and the population levels are not always either fully understood or taken into account in devising the protocols-, the genetic structures of wild and cultivated populations, and the course of the genetic material in the populations. In this paper, we discuss the three topics and provide an example of a national forage breeding program, from germplasm bank accessions as the germplasm of origin to the obtainment of commercial cultivars. Finally, we present a proposal as a base for discussion among curators, researchers and breeders.

RESUMEN Los recursos genéticos vegetales para la alimentación y la agricultura se conservan ex situ en bancos de germoplasma como muestras (introducciones) de poblaciones naturales o naturalizadas ya sea como propágulos originales (mayoritariamente semillas) o sus multiplicaciones. Las premisas subyacentes son que (a) es la alternativa más segura y barata de preservación de germoplasma para futuras generaciones y (b) las introducciones son representativas de la diversidad genética que se encuentra en la naturaleza En las últimas décadas, se han presentado ideas, alternativas y consideraciones sobre el tema y se han elaborado protocolos para el muestreo, conservación y multiplicación de germoplasma. Sin embargo, organizaciones internacionales han señalado limitaciones en la eficiencia del manejo de los bancos de germoplasma. En nuestra opinión, se necesita revisar el funcionamiento y manejo de dichos bancos en general a la luz de los principios y métodos de Genética. Para tal fin, es necesario considerar la biología reproductiva de las plantas superiores -cuyas consecuencias genéticas a nivel de planta individual y de población no se comprenden en su totalidad o no se consideran al idear los protocolos -, las estructuras genéticas de poblaciones naturales y cultivadas, y el curso del material genético en las poblaciones. En este trabajo discutimos los tres temas y proveemos un ejemplo de un programa nacional de mejoramiento de forrajeras, desde las introducciones como germoplasma de origen hasta la obtención de cultivares comerciales. Finalmente, presentamos una propuesta como base de discusión entre curadores, investigadores y mejoradores.

Storage protein variability in natural populations of maté (Ilex paraguariensis) in Brazil / Variabilidade de proteínas de reserva em populações naturais de erva-mate (Ilex paraguariensis) no Brasil

Samples of 168 maté trees (Ilex paraguariensis) from four natural populations of different states of Brazil (Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Paraná and Mato Grosso do Sul) were analyzed for their variability in storage proteins seed, which were used to estimate the degree of differentiation among and within species, because are relatively stable during evolution. Data on band presence/absence from 80 different polypeptides were used to perform similarity coefficient of Jaccard. A high level of genetic variability was reported within sampled populations (SJ intra=0.374). Lower levels of diversity were observed between populations (SJ inter=0.308). Total genetic diversity of maté was Hsp=0.264 estimated by Shannon measure. Partition of that value disclosed that 95 % of the total diversity is within-population, and only 5% to between-populations. The phenogram based on Kings distances indicates a certain degree of geographic differentiation. This represents the first study on storage protein variability in I. paraguariensis and guides the choice of the specimens to increment germoplasm banks and genetic improvement programs.(AU)

A variabilidade de proteínas de reserva das sementes foi analisada em 168 árvores de quatro populações naturais de erva-mate (Ilex paraguariensis) dos estados brasileiros Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Paraná e Mato Grosso do Sul. Estes marcadores foram utilizados para estimar o grau de diferenciação entre e dentro da espécie porque são relativamente estáveis ao longo da evolução. Dados sobre presença e ausência de bandas de 80 diferentes polipeptídios foram utilizados para calcular o coeficiente de similaridade de Jaccard. Encontramos alto grau de variabilidade genética dentro de cada uma das quatro populações de árvores (SJ intra=0.374). Menores níveis de diversidade foram observados entre as populações (SJ inter=0.308). A diversidade total da espécie Ilex foi Hsp=0,264, estimada pela medida de Shannon. A partição deste valor revelou que 95% da diversidade total é intrapopulacional, enquanto somente 5% é entre populações. O fenograma, baseado nas distâncias de King, indica certo grau de diferenciação geográfica. Este trabalho representa o primeiro estudo de variabilidade em proteínas de reserva de I. paraguariensis e pode ser utilizado para orientar a escolha de espécimes para compor bancos de germoplasma e programas de melhoramento genético da espécie.(AU)

Storage protein variability in natural populations of maté (Ilex paraguariensis) in Brazil / Variabilidade de proteínas de reserva em populações naturais de erva-mate (Ilex paraguariensis) no Brasil

ABSTRACT: Samples of 168 maté trees (Ilex paraguariensis) from four natural populations of different states of Brazil (Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Paraná and Mato Grosso do Sul) were analyzed for their variability in storage proteins seed, which were used to estimate the degree of differentiation among and within species, because are relatively stable during evolution. Data on band presence/absence from 80 different polypeptides were used to perform similarity coefficient of Jaccard. A high level of genetic variability was reported within sampled populations (SJ intra=0.374). Lower levels of diversity were observed between populations (SJ inter=0.308). Total genetic diversity of maté was Hsp=0.264 estimated by Shannon measure. Partition of that value disclosed that 95 % of the total diversity is within-population, and only 5% to between-populations. The phenogram based on King's distances indicates a certain degree of geographic differentiation. This represents the first study on storage protein variability in I. paraguariensis and guides the choice of the specimens to increment germoplasm banks and genetic improvement programs.

RESUMO: A variabilidade de proteínas de reserva das sementes foi analisada em 168 árvores de quatro populações naturais de erva-mate (Ilex paraguariensis) dos estados brasileiros Rio Grande do Sul, Santa Catarina, Paraná e Mato Grosso do Sul. Estes marcadores foram utilizados para estimar o grau de diferenciação entre e dentro da espécie porque são relativamente estáveis ao longo da evolução. Dados sobre presença e ausência de bandas de 80 diferentes polipeptídios foram utilizados para calcular o coeficiente de similaridade de Jaccard. Encontramos alto grau de variabilidade genética dentro de cada uma das quatro populações de árvores (SJ intra=0.374). Menores níveis de diversidade foram observados entre as populações (SJ inter=0.308). A diversidade total da espécie Ilex foi Hsp=0,264, estimada pela medida de Shannon. A partição deste valor revelou que 95% da diversidade total é intrapopulacional, enquanto somente 5% é entre populações. O fenograma, baseado nas distâncias de King, indica certo grau de diferenciação geográfica. Este trabalho representa o primeiro estudo de variabilidade em proteínas de reserva de I. paraguariensis e pode ser utilizado para orientar a escolha de espécimes para compor bancos de germoplasma e programas de melhoramento genético da espécie.

Adaptação da tecnologia do ovário artificial para os animais silvestres / Adaptation of the artificial ovary technology for wild animals

A biodiversidade mundial tem sido consideravelmente reduzida nos últimos anos, principalmente devido as modificações antrópicas nos habitats. Como consequência, tem-se observado um rápido e contínuo declínio das espécies mamíferas silvestres. Nesse contexto, a biotécnica “Ovário Artificial”, surge como uma ferramenta para a conservação da biodiversidade, pois tem como objetivo a manipulação in vitro de oócitos inclusos em folículos préantrais visando o seu crescimento e maturação, além da preservação de oócitos por meio do resfriamento e/ou criopreservação, permitindo o fornecimento de milhares de oócitos, que poderão ser utilizados posteriormente. Este artigo de revisão descreve os aspectos gerais, importância e avanços do ovário artificial em animais silvestres.(AU)

The world biodiversity has declined in recent years, mainly due to anthropogenic changes in habitats. As consequence, a rapid and steady decline in wild mammalian species is observed. In this context, the "Artificial Ovary" biotechnology emerges as a tool for the biodiversity conservation, since its objective is the in vitro manipulation of oocytes enclosed in preantral follicles, aiming their growth and maturation, as well as their preservation by cooling and / or cryopreservation, allowing the supply of thousands of oocytes, which can be further used. This review describes the general aspects, importance and advances of the artificial ovary in wild animals.(AU)

Adaptação da tecnologia do ovário artificial para os animais silvestres / Adaptation of the artificial ovary technology for wild animals

A biodiversidade mundial tem sido consideravelmente reduzida nos últimos anos, principalmente devido as modificações antrópicas nos habitats. Como consequência, tem-se observado um rápido e contínuo declínio das espécies mamíferas silvestres. Nesse contexto, a biotécnica “Ovário Artificial”, surge como uma ferramenta para a conservação da biodiversidade, pois tem como objetivo a manipulação in vitro de oócitos inclusos em folículos préantrais visando o seu crescimento e maturação, além da preservação de oócitos por meio do resfriamento e/ou criopreservação, permitindo o fornecimento de milhares de oócitos, que poderão ser utilizados posteriormente. Este artigo de revisão descreve os aspectos gerais, importância e avanços do ovário artificial em animais silvestres.

The world biodiversity has declined in recent years, mainly due to anthropogenic changes in habitats. As consequence, a rapid and steady decline in wild mammalian species is observed. In this context, the "Artificial Ovary" biotechnology emerges as a tool for the biodiversity conservation, since its objective is the in vitro manipulation of oocytes enclosed in preantral follicles, aiming their growth and maturation, as well as their preservation by cooling and / or cryopreservation, allowing the supply of thousands of oocytes, which can be further used. This review describes the general aspects, importance and advances of the artificial ovary in wild animals.