Local adaptation and plasticity of a wild apple relative species, Malus sylvestris, to the cultivated apple (Malus domestica) to climate change

Abstract

[ES] Las poblaciones de plantas reaccionan al cambio climático de muy diversas maneras, y para evaluarlas es crucial comprender cómo se comportan los individuos en las distintas condiciones. El rendimiento fenotípico podría tener una base genética o estar influenciado únicamente por el medio ambiente (Plasticidad). Conocer el potencial del acervo genético de los diferentes grupos genéticos repartidos por los gradientes climáticos es significativo para determinar la adaptación o la plasticidad. El manzano cultivado (Malus domestica Borkh.) tiene cruces de hibridación natural con el manzano cangrejo europeo Malus sylvestris y parientes silvestres Malus orientalis, y M. sylvestris todos conservados en el huerto de manzanas silvestres de Saclay instalado en noviembre de 2020 en Francia. Se plantaron poblaciones de dos especies de parientes silvestres del manzano (M. orientalis, M. sylvestris) y de manzana comercial domesticada (M. domestica) procedentes de 4 lugares (Rumanía, Francia, Armenia, Dinamarca), en la estación biológica francesa ECOTRON, celdas de simulación climática de la temperatura y la humedad. Se recogieron muestras de hojas para extraer ARN

El objetivo principal de este estudio era determinar las diferencias en la expresión génica y los rasgos ecofisiológicos entre las poblaciones de manzanas silvestres M. sylvestris, M. orientalis y la manzana comercial M. domestica debido a la variación climática en la estación biológica ECOTRON. Se comprobó la coexpresión diferencial de genes que influyen en la mayoría de los rasgos fenotípicos para detectar la adaptación entre poblaciones o la plasticidad fenotípica. Se midieron los rasgos ecofisiológicos superficie foliar, fotosíntesis, flavonoides, e índice de balance de nitrógeno (NBI), tasa de crecimiento (absoluta y relativa) y, absorción de carbono/nitrógeno, para determinar el rendimiento fenotípico. Se determinaron los patrones de adaptación local para la supervivencia de las poblaciones de manzanas silvestres francesas y danesas, mientras que la mala adaptación de la manzana silvestre rumana. La manzana cultivada y la manzana silvestre del Cáucaso presentaron altas tasas de supervivencia independientemente del clima, lo que sugiere una gran plasticidad. También demostramos que las manzanas silvestres presentan un alto nivel de plasticidad al clima en las primeras etapas de crecimiento, y que existían compensaciones entre la altura y el número de hojas. Todas las variaciones en el fenotipo entre ambientes y la expresión genética de las plantas de manzana serán una posible fuente de información que puede utilizarse en los programas de mejora de cultivos

[EN] Plant populations react to climate change in a wide range of different ways, to evaluate it is crucial to understand how individuals perform in different conditions. The phenotypic performance could have a genetic basis or could only be influenced by the environment (Plasticity). To know the potential of the genetic pool for different genetic groups spread across climatic gradients is significant to determine the adaptation or plasticity. The cultivated apple tree (Malus domestica Borkh.) has natural hybridization crosses with European crab apple Malus sylvestris and wild relatives Malus orientalis, and M. sylvestris all conserved in the wild apple orchard of Saclay installed in November 2020 in France. Two species populations of apple¿s wild relatives (M. orientalis, M. sylvestris) and commercial domesticated apple (M. domestica) from 4 locations (Romania, France, Armenia, Denmark), were planted in the French biological station ECOTRON, climate simulation cells for temperature and humidity. leaves samples were collected to extract RNA

The main purpose of this study was to determine differences in gene expression and ecophysiological traits between populations of wild apples M. sylvestris, M. orientalis, and commercial apple M. domestica due to climate variation in biological station ECOTRON. Gene differential coexpression that influences most of the phenotypic traits was tested to detect adaptation between populations or phenotypic plasticity. Ecophysiological traits foliar surface, Photosynthesis, Flavonoids, and nitrogen Balance Index (NBI), Growth rate (Absolute and relative) and, carbon/nitrogen uptake, were measured to determine phenotypic performance. We determined patterns of local adaptation for survival for the French and Danish wild apple populations, while maladaptation for the Romanian wild apple. The cultivated apple and the Caucasian wild apple had high survival rates whatever the climate suggesting high plasticity. We also showed that the wild apples present a high level of plasticity to climate at the first stages of growth, and that tradeoffs between height and leaf numbers were existing. All variations in phenotype between environments and gene expression of apple plants will be a possible source of information that can be used in crop breeding programs.