Genetic diversity and population structure of Urochloa grass accessions from Tanzania using simple sequence repeat (SSR) markers

• DOI: 10.1007/s40415-018-0482-8
• Publication Date: 2018-07-24T11:50:09Z
• Authors: S. O. Kuwi; M. Kyalo; C. K. Mutai; A. Mwilawa; J. Hanson; A. Djikeng; S. R. Ghimire
• Keywords: Carbon sequestration; 0301 basic medicine; Species Delimitation; Brachiaria; Plant Science; Tanzania; Gene; Genetic diversity; Agricultural and Biological Sciences; Sociology; Germplasm; Rangeland Degradation and Pastoral Livelihoods; Environmental planning; 2. Zero hunger; Principal coordinate analysis; Geography; Ecology; Life Sciences; Analysis of molecular variance; Gene flow; FOS: Sociology; mixed farming; Physical Sciences; Original Article; Population Genetic Structure and Dynamics; Apomixis; Livestock; Population; /dk/atira/pure/subjectarea/asjc/1100/1110; Polyploid; Management, Monitoring, Policy and Law; 03 medical and health sciences; Biochemistry, Genetics and Molecular Biology; Genetics; Genetic variation; Biology; Ecology, Evolution, Behavior and Systematics; Demography; Forage; Botany; forage; crops; Agronomy; livestock; Private alleles; FOS: Biological sciences; Environmental Science; Cultivar; Phylogeny and Evolution of Grasses (Poaceae)

Urochloa (syn.—Brachiaria s.s.) is one of the most important tropical forages that transformed livestock industries in Australia and South America. Farmers in Africa are increasingly interested in growing Urochloa to support the burgeoning livestock business, but the lack of cultivars adapted to African environments has been a major challenge. Therefore, this study examines genetic diversity of Tanzanian Urochloa accessions to provide essential information for establishing a Urochloa breeding program in Africa. A total of 36 historical Urochloa accessions initially collected from Tanzania in 1985 were analyzed for genetic variation using 24 SSR markers along with six South American commercial cultivars. These markers detected 407 alleles in the 36 Tanzania accessions and 6 commercial cultivars. Markers were highly informative with an average polymorphic information content of 0.79. The analysis of molecular variance revealed high genetic variation within individual accessions in a species (92%), fixation index of 0.05 and gene flow estimate of 4.77 showed a low genetic differentiation and a high level of gene flow among populations. An unweighted neighbor-joining tree grouped the 36 accessions and six commercial cultivars into three main clusters. The clustering of test accessions did not follow geographical origin. Similarly, population structure analysis grouped the 42 tested genotypes into three major gene pools. The results showed the Urochloa brizantha (A. Rich.) Stapf population has the highest genetic diversity (I = 0.94) with high utility in the Urochloa breeding and conservation program. As the Urochloa accessions analyzed in this study represented only 3 of 31 regions of Tanzania, further collection and characterization of materials from wider geographical areas are necessary to comprehend the whole Urochloa diversity in Tanzania.<br/>Urochloa (syn.—Brachiaria s.s.) هي واحدة من أهم الأعلاف الاستوائية التي حولت صناعات الثروة الحيوانية في أستراليا وأمريكا الجنوبية. يهتم المزارعون في إفريقيا بشكل متزايد بتنمية أوروكلوا لدعم أعمال الثروة الحيوانية المزدهرة، لكن الافتقار إلى الأصناف المتكيفة مع البيئات الأفريقية كان تحديًا كبيرًا. لذلك، تدرس هذه الدراسة التنوع الوراثي لضمات أوروكلوا التنزانية لتوفير المعلومات الأساسية لإنشاء برنامج تكاثر أوروكلوا في أفريقيا. تم تحليل ما مجموعه 36 انضمامًا تاريخيًا إلى Urochloa تم جمعها في البداية من تنزانيا في عام 1985 للتنوع الجيني باستخدام 24 علامة SSR جنبًا إلى جنب مع ستة أصناف تجارية من أمريكا الجنوبية. اكتشفت هذه العلامات 407 أليلًا في 36 انضمامًا لتنزانيا و 6 أصناف تجارية. كانت العلامات مفيدة للغاية حيث بلغ متوسط محتوى المعلومات متعددة الأشكال 0.79. أظهر تحليل التباين الجزيئي تباينًا وراثيًا كبيرًا داخل عمليات الانضمام الفردية في الأنواع (92 ٪)، وأظهر مؤشر التثبيت البالغ 0.05 وتقدير تدفق الجينات البالغ 4.77 تمايزًا وراثيًا منخفضًا ومستوى عالٍ من تدفق الجينات بين السكان. جمعت شجرة مجاورة غير مرجحة تضم 36 صنفًا وستة أصناف تجارية في ثلاث مجموعات رئيسية. لم يتبع تجميع عمليات الانضمام إلى الاختبار الأصل الجغرافي. وبالمثل، جمع تحليل البنية السكانية الأنماط الجينية الـ 42 التي تم اختبارها في ثلاثة تجمعات جينية رئيسية. وأظهرت النتائج أن Urochloa brizantha (A. Rich.) يتمتع سكان Stapf بأعلى تنوع وراثي (I = 0.94) مع فائدة عالية في برنامج تربية وحفظ Urochloa. نظرًا لأن عمليات الانضمام إلى Urochloa التي تم تحليلها في هذه الدراسة تمثل 3 مناطق فقط من أصل 31 منطقة في تنزانيا، فإن المزيد من جمع وتوصيف المواد من مناطق جغرافية أوسع ضروري لفهم تنوع Urochloa بأكمله في تنزانيا.<br/>Urochloa (sin.-Brachiaria s.s.) es uno de los forrajes tropicales más importantes que transformó las industrias ganaderas en Australia y América del Sur. Los agricultores en África están cada vez más interesados en cultivar Urochloa para apoyar el floreciente negocio ganadero, pero la falta de cultivares adaptados a los entornos africanos ha sido un gran desafío. Por lo tanto, este estudio examina la diversidad genética de las accesiones de Urochloa de Tanzania para proporcionar información esencial para establecer un programa de reproducción de Urochloa en África. Un total de 36 accesiones históricas de Urochloa recolectadas inicialmente en Tanzania en 1985 se analizaron para determinar la variación genética utilizando 24 marcadores SSR junto con seis cultivares comerciales sudamericanos. Estos marcadores detectaron 407 alelos en las 36 accesiones de Tanzania y 6 cultivares comerciales. Los marcadores fueron muy informativos, con un contenido medio de información polimórfica de 0,79. El análisis de la varianza molecular reveló una alta variación genética dentro de las accesiones individuales en una especie (92%), el índice de fijación de 0.05 y la estimación del flujo génico de 4.77 mostraron una baja diferenciación genética y un alto nivel de flujo génico entre las poblaciones. Un árbol de unión de vecinos no ponderado agrupó las 36 accesiones y seis cultivares comerciales en tres grupos principales. La agrupación de accesiones de prueba no siguió el origen geográfico. Del mismo modo, el análisis de la estructura de la población agrupó los 42 genotipos analizados en tres grupos genéticos principales. Los resultados mostraron la Urochloa brizantha (A. Rich.) La población Stapf tiene la mayor diversidad genética (I = 0.94) con alta utilidad en el programa de reproducción y conservación de Urochloa. Como las adhesiones de Urochloa analizadas en este estudio representaban solo 3 de las 31 regiones de Tanzania, se necesita una mayor recopilación y caracterización de materiales de áreas geográficas más amplias para comprender toda la diversidad de Urochloa en Tanzania.<br/>Urochloa (syn.-Brachiaria s.s.) est l'un des fourrages tropicaux les plus importants qui ont transformé les industries de l'élevage en Australie et en Amérique du Sud. Les agriculteurs africains sont de plus en plus intéressés par la culture d'Urochloa pour soutenir le secteur en plein essor de l'élevage, mais le manque de cultivars adaptés aux environnements africains a été un défi majeur. Par conséquent, cette étude examine la diversité génétique des accessions d'Urochloa tanzaniennes afin de fournir des informations essentielles pour l'établissement d'un programme d'élevage d'Urochloa en Afrique. Un total de 36 accessions historiques d'Urochloa initialement recueillies en Tanzanie en 1985 ont été analysées pour la variation génétique en utilisant 24 marqueurs SSR ainsi que six cultivars commerciaux sud-américains. Ces marqueurs ont détecté 407 allèles dans les 36 accessions de Tanzanie et 6 cultivars commerciaux. Les marqueurs étaient très informatifs avec un contenu d'information polymorphe moyen de 0,79. L'analyse de la variance moléculaire a révélé une forte variation génétique au sein des accessions individuelles chez une espèce (92%), un indice de fixation de 0,05 et une estimation du flux de gènes de 4,77 ont montré une faible différenciation génétique et un niveau élevé de flux de gènes parmi les populations. Un arbre voisin non pondéré a regroupé les 36 accessions et les six cultivars commerciaux en trois groupes principaux. Le regroupement des adhésions aux tests n'a pas suivi l'origine géographique. De même, l'analyse de la structure de la population a regroupé les 42 génotypes testés en trois grands pools de gènes. Les résultats ont montré l'Urochloa brizantha (A. Rich.) La population de Stapf a la plus grande diversité génétique (I = 0,94) avec une grande utilité dans le programme d'élevage et de conservation de l'Urochloa. Comme les accessions d'Urochloa analysées dans cette étude ne représentaient que 3 des 31 régions de Tanzanie, une collecte et une caractérisation plus poussées des matériaux provenant de zones géographiques plus larges sont nécessaires pour comprendre toute la diversité d'Urochloa en Tanzanie.<br/>