Roullier

Caroline

Avril 2011

Thesis supervisors: Vincent Lebot  & Doyle MC Key

Elucidating sweet potato  evolutionnary history with  molecular markers  

Sweet potato Ipomoea batatas

Convolvulaceae family,  Ipomoea gender (from 600  to 700 species),  series Batatas

Just one cultivated species: Ipomoea batatas

(L.)

Tuberous roots only in I. batatas (some wild species  have thickening  roots)

Cultivated form hexaploid (6x=90) ; Wild / Weedy form (4X, 6X?)

Sporophytic incompatibility / clonal propagation

Sweet potato domestication history in America: Which

botanical origin?

Serie Batatas :

*

13 wild species ; one cultivated /  wild‐weedy

*

All endemics from America (exepted  I. littoralis)

* 2 types of genomes « A and B*

»,  cross incompatible

• Various ploidy level (from 2x to 6x)

• Taxonomic debate (I. trifida, I.  batatas, a single taxon?)

• Ipomoea trifida is a probable  ancestor*

*

*

*?

Ipomoea species Ploidy 2n x=15

Geographical origin

I. cyanchifolia 2x South AmericaI. lacunosa 2x North AmericaI. leucantha 2x North AmericaI. littoralis 2x Pacific and Indian OceansI. ramosissima 2x Central and south AmericaI. tenuissima 2x Greater Antilles, south

Florida and CaribbeanI. triloba 2x Caribbean and circum-

CaribbeanI. umbraticola 2x Central and north AmericaI. tiliacea 4x Caribbean and circum-

CaribbeanI. tabascana 4x Central America (Mexico)I. cordotriloba (I. trichocarpa) 2x, 4x North America

I. grandifolia 2x South AmericaI. trifida 2x, 3x,

4x, 6xCentral and south America

I. batatas 6x, 4x, Central and / or south America ?

•

Which ancestors species contributed to cultivated I. Batatas  genome?

•

How many genomes are implicated ? allo‐polyploid, auto‐ polyploid or auto/allo polyploid origin?

Sweet potato domestication history in Amerca: Which botanical origin?

I. trifida 2X / 4X is implicated

Morphological , taxonomical  : I. trifida  distribution range Austin,1987

Molecular data (Zhang, 2000)

Higher level of genetic diversity in Central  America / No regional specific patterns

Sweet potato domestication history in America: A single origin: the most parsimonious hypothesis

* A  primary center of diversity in central‐ caribbean America 

* Early diffusion to Peru

* The Peru‐Ecuador region is a secondary  center of diversity

Archeological data

:

Oldest archaeological remains are in the  Andean valleys  of Pacific coasts

* Canyon Chilca Peru : 8000 ans BP (Engel,  1970; Woolfe, 1992). 

•Casma Valley, cost of

Peru

: 1785 et 1120 BC  (Ugent et al., 1981).

Molecular data :

(Gichuki, 2003)Two genetic genepool in primary center of 

diversity

Geographical arguments

(Diamond, 1997)

Ethnobotanical arguments  (Roots crops  domestication) (Lebot, 2009)

Sweet potato domestication history in America: Multiple domestication centres?

«

Population structure

»

and genetic diversity of  New World sweet potatoes with both 

chloroplast and nuclear SSRs markers

Are there different sweet potato genepools in America? How many?

What do we lean from population structure and genetic diversity about  domestication scenari and sweet potato diffusion on the continent?

Single domestication event following by early diffusion and  diversification

Multiple  independant domestication events?

Which diversification processes? Clonality/reproduction

Sweet potato domestication history in America

Plant material

The CIP collection (Dr Tay, Dr Rossel)

NWSA

CSA

CI

CA

CI+CSA+CA= CCAGeographic area Country

Number of acc. cpSSRs

Number of acc. SSR

ND Argentina 3 1 ND Bolivia 8 2 ND Brazil 6 ND Paraguay 2 Total ND 19 3 NWSA Ecuador 33 17 NWSA Peru 66 23 NWSA South Columbia 19 9 Total NWSA 85 49 CSA North Columbia 24 7 CSA Venezuela 31 20 Total CSA 55 27 CA Costa Rica 2 1 CA Guatemala 30 9 CA Honduras 5 CA Mexico 25 10 CA Nicaragua 3 CA Panama 22 10 Total CA 87 30 CI Cuba 10 4 CI Dominican Republic 22 9 CI Jamaica 13 5 CI Puerto Rico 2 CI St Vincent 3 1 Total CI 50 19 Total 329 130

Molecular markers 

Locus TM Forward Primer Name Reverse Primer Name SSR MotifJ263 57 CTCTGCTTCTCCTGCTGCTT GTGCGGCACTTGTCTTTGATA AAC(6)J315E 57 TAGGTGTGTTTATGGGAGATT GGGACTTGACTTTCATTATTAC (TCAG)5J522A 57 ACCCGCATAGACACTCACCT TGACCGAAGTGTATCTAGTGG (CAC)7Ib297 58 GCAATTTCACACACAAACACG CCCTTCTTCCACCACTTTCA (CT)13J10A 58 TCAACCACTTTCATTCACTCC GTAATTCCACCTTGCGAAGC (AAG)6J206A 58 ATCAGGGAGAGAGGACAGTAA TAGGCAAACCATAAACAGAGA (GAT)6J116a 58 TCTTTTGCATCAAAGAAATCCA CCTCAGCTTCTGGGAAACAG (CCT)7J130 60 CCAGTTGTGGCGGAGAAAG GGATTCTTGTGAGGGACAACA (GAA)8J1809E 60 CTTCTCTTGCTCGCCTGTTC GATAGTCGGAGGCATCTCCA (CCT)6IbR16 60 GACTTCCTTGGTGTAGTTGC AGGGTTAAGCGGGAGACT (GATA)4IbC5 60 CCACAAAAATCCCAGTCAACA AGTGGTCGTCGACGTAGGTT (AAG)8J544b 60 AGCAGTTGAGGAAAGCAAGG CAGGATTTACAGCCCCAGAA (TCT)6IbS11 60 CCCTGCGAAATCGAAATCT GGACTTCCTCTGCCTTGTTG (TTC)10IbR12 60 GATCGAGGAGAAGCTCCACA GCCGGCAAATTAAGTCCATC (CAG)5A

Markers Primers (5'-3') Expected

size T (°C)

F: GATCCCGGACGTAATCCTGR: ATCGTACCGAGGGTTCGAATF: CTGTTCTTTCCATGACCCCTCR: CCACCTAGCCAAGCCAGAF: TCCAATGGCTTTGGCTAR: AGAAACGAAGGAACCCACF: GCAATTGCAATGGCTTCTTTAR: TTTATGTTCGGTGGAAATCACAF: GCTCTCACGCTCAATTACTTAR: ATGCTTAATTGACGACCTGTF: AATAAGTACTTGGCCGTGAAR: CGATTCAAGTAGGCAAAGAGF: ATATAAGGGGCCATTTTAGGR: ACGATAGAGGAGAAGGTTCC

ccmp2 199-202 60

ntcp18 194-198 60

ntcp28 178-183 58

ntcp26 175-178 60

IBcp5 242-246 55

IBcp8 195-197 55

IBcp10 199-201 55

7 chloroplast SSRs :

4 universal primers (Weising &  Gardner, 1998

; Bryan, 1999)

3 specific primers developped at  CIRAD / CEFE (Montpellier)

13 nuclear SSRs:

All developped at CIP

Results : chloroplastic SSRs

Geographical haplotypes distribution

H2

H3

H4

H6

H8

H13

H14

H23

H16

H1, H5, H7, H9, H10, H11, H12, H15, H17, H18, H19, H20, H21, H22, H24

MECU DO

PU

VC

BR

VECO

PE

EC

PANI

HN

GT

BO

PR

AR

JA

Results : chloroplastic SSRs

Geographical haplotypes distribution

H2

H3

H4

H6

H8

H13

H14

H23

H16

H1, H5, H7, H9, H10, H11, H12, H15, H17, H18, H19, H20, H21, H22, H24

MECU DO

PU

VC

BR

VECO

PE

EC

PA

CR

NI

HN

GT

BO

PR

AR

JA

Two distinct haplotypes groups separated by numerous mutation events 

Each group with 2 or 3 major haplotypes from which  derive the minor ones by  one‐step mutation

Genetic structure and geographical distribution of haplotypes are highly  correlated

Minimum spanning tree

Results : chloroplastic SSRs

Chloroplastic diversity structure

Results : nulcear SSRs

Nuclear diversity structure of new world sweet potatoes

K means clustering : this technique assigns individuals to a defined number of 

genetic groups (hereafter K) in order to maximize the intergroup

variance (Arrigo, 

2010).

No population genetic models!

101 individuals; 100 000 independent runs ; K from 1 to 10; Geographic composition of clusters

K=2Cluster 1: 40 NSWA / 5 CCACluster 2: 60 CCA / 6 NWSA

Results : nulcear SSRs

Nuclear diversity structure of new world sweet potatoes

K means clustering : this technique assigns individuals to a defined number of 

genetic groups (hereafter K) in order to maximize the intergroup

variance (Arrigo, 

2010).

No population genetic models!

101 individuals; 100 000 independent runs ; K from 1 to 10; Geographic composition of clusters

K>3

Cluster 1 : two regional groupsCluster 2 : different groups non- regional

Methode d’assignation?

Both phylogeographical signals are globally congruentPlant transfers and local recombination Few misidentifications

ASA CCAA

Cp group1 Cp group2

Results : nulcear SSRs

Comparison of cpSSRs and nuclear SSRs phylogeographical signals

Results : nulcear SSRs

MLGs and clonal lineages

115 samples without missing data

6 groups of 2 or 3 clones (14 accessions) / 101 MLGs

7 clonal lineages (17 accessions)

All geographically restricted

Higher diversity in CCAA region but not significant (p value =0.5) CA>CSA>ASA>CAI

Locus name

Allele number Private alleles Global ASA (49) CCAA (49) ASA CCAA

J315E 9 9 9 (8.61) 3

J522A 10 6 7 (6.51) 1J263 7 4 5 (4.65) 2Ib297 23 18 21 (19.11) 2 3J10A 10 9 9 (8.3) 1 2J206A 9 5 5 (5) 4J116A 15 14 15 (14.42) 2IbC5 12 10 11 (10.63) 1IbR16 8 7 8 (7.8) 3J130 4 4 4 (4)J1809E 8 6 7 (6.67) 1 1IbS11 12 10 11 (10.56) 1 2J544b 8 7 7 (6.96) 1total 135 109 119 13 17Mean 10.384 8.385 9.153 (8.654)

Locus nameAllele number ASA (49) CA(30) CAI(19) CSA(26)

total 109 109 83 98Mean per locus 8.385 8.385 6.385 7.538total (19) 89.22 100.86 83 92.4Mean per locus (19) 6.86 7.76 6.38 7.1

Genetic diversity and differentiation of the two groups

Results : nuclear SSRs

Indice de diversité?

Summary : results

Identication of two genepools corresponding to regional  groups : the NWSA and the CCA genepools

Ancient divergence between the two genetic groups with  chloroplast SSRs, predated domestication time

No significant difference in diversity between NWSA and  CCA genepools

Incongruence betwwen cpSSRs structure, nuclear SSrs  structure and geographical region : transfers of clones  between the two groups and local recombination

Discussion

Scenario 1 : a single domestication 

Divergence chloroplastic

predated  domestication time

*Hybridisation with local wild pool* Early in diffusion process 

(redomestication?)

No significant difference in diversity between  NWSA and CCA genepools

*Opposite scenario?*Wild/cultivated geneflow?

Scenario 2 : Multiple domestication events in time and space 

Discussion

Divergence chloroplastic

predated  domesticaiton time : 

At least two domestication events from* a single widely distributed, 

geographically differentiated species*

different wild Ipomoea species

Numerous haplotypes in each group* multiple domestication events 

in each region* wild/cultivated geneflow 

(redomestication?)

Diffusion and diversifying processes

Discussion

Diversification processes

Clonal diversification (17%)Recombination / Sexual propagation (83%)

mixed clonal/sexual reproduction 

DiffusionIsolation by distance patterns in both NWSA and CCA areas

Slow diffusion?Differences in pollen flows, social exchanges in both 

regions?Geneflows between two genepools

Conclusion

Multiple domestication events, once in the lowlands of north‐ western South America, and once in the lowlands of Central 

America 

Importance of wild/cultivated geneflows. Re‐domestication?Protracted domestication?

High number of American landraces : social exchange of clones,  somatic mutation, local recombination, and gene flow between wild 

and cultivated forms 

Usefull tools  for rationalizing the conservation and use of  germplasm

Necessity to study the genetic relationships between cultivated samples and wild relatives ancestors populations

Plant material

Wild relatives samples from various geograpahical area

The CIP collection (Dr Tay, Dr Rossel)2X I. trifida; wild and weedy I. batatas, I. triloba, I. tiliacea, I. leucantha, I. tabascana)

The Konarc collection (Dr Yakata)(4X / 6X I. trifida and 4X I. tiliacea )

The USDA collection (Dr Jarret)4X wild I. batatas, I. batatas var apiculataWild tetraploid I. batatas from Ecuador

Chloroplastic sequence IGSNuclear sequence ITS / Nuclear SSRs

Pays Nbre pop Effecti total

Colombie 5 38

Costa Rica 4 24

Cuba 2 4

Guatemala 9 40

Mexique 7 36Nicaragua 18 96

Venezuela 2 8

Total 47 246

?

Two distinct haplotypes groups separated by numerous mutation events 

Each group with 2 or 3 major haplotypes from which  derive the minor ones by  one‐step mutation

Genetic structure and geographical distribution of haplotypes are highly  correlated

Minimum spanning tree

Results : chloroplastic SSRs

Chloroplastic diversity structure

Roullier

Caroline

Thesis supervisor: Vincent Lebot ; Co‐supervisor: Doyle MC Key

Thanks for your attention