Genetic variation and structure of agroforestry useful trees, Inga edulis Mart. and I. ingoides (Rich.) Willd., (Leguminosae: Mimosoideae) in Amazonian Peru

Ing. Alexandr Rollo

Doctoral thesis

Genetická variabilita a struktura vybraných agrolesnicky využitelných druhů dřevin, Inga edulis Mart. a I. ingoides (Rich.) Willd., (Fabaceae) v peruánské Amazonii.

Abstract:

Rod Inga (Fabaceae) tvoří důležitou složku amerických tropických lesů. Druh Inga edulis je v Amazonii hojně využívan pro produkci jedlého ovoce a pro stínění v agrolesnických systémech. Inga ingoides je blízce příbuzný I. edulis, avšak téměř neznámý a lidmi nevyužívaný druh. Málo je známo o genetické diverzitě a struktuře těchto druhů v peruánské Amazonii, podobně jako o stupni jejich vzájemné introgrese. Genetická diverzita a struktura byla hodnocena u druhu I. edulis na vzorku 259 stromů v pěti divokých a 22 kulturních populacích, ve třech geograficky odlišných oblastech (Selva Central, Ucvayali a Loreto). Sedmdesát sedm jedinců druhu I. ingoides bylo sledováno ve třech přirozených populacích. Hodnocen byl také stupeň genetické divergence a introgrese mezi divokými populacemi obou druhů. Pro měření genetické diverzity a populační struktury obou druhů byla použita metoda mikrosatelitních markerů, analýzy molekulární variance a Bayesovská analýza. Pro budoucí šlechtitelské účely byl navržen morfologický deskriptor druhu I. edulis. Délka lusků divokých a kultivovaných forem I. edulis byla sledována pro důkaz jejich morfologické odlišnosti.Průměrná délka lusků u pěstovaných stromů I. edulis (83 cm) byla výrazně větší než u divokých stromů (39 cm). Nejdelší lusky I. edulis a nejnižší alelická bohatost byli pozorovány v oblasti Loreto. Očekávaná genetická diverzita a průměrný počet alel byl u druhu I. edulis vyšší u planých populací ve srovnání s pěstovanými. Celková genetická diferenciace mezi divokými I. edulis a I. ingoides byla slabá a stupeň genetické variability podobný. Mezi oběma druhy byla pozorována silná introgrese a intenzivní genový tok, který mohl být již dříve příčinou malé diferenciace mezi populacemi. Ztráta genetické diverzity byla pozorována v kultivovaných populacích I. edulis. Výsledky studie naznačují, že druh I. edulis mohl být domestikován na více místech současně, obvykle z materiálu místního původu. Původní přirozeně se vyskytující genetický materiál druhu I. edulis by měl být předmětem ochrany a konzervace, navíc přikřížením divokého materiálu by za předpokladu, že nebude ohrožen výnos jedlého ovoce, mohla být zvýšena genetická diverzita u populace pěstovaných jedinců tohoto druhu. Výběr přírodních mezidruhových hybridů nebo umělá hybridizace mezi I. edulis a I. ingoides by mohli být použity pro zlepšení velikosti a výnosu lusků u druhu I. ingoides, při zachování tolerance vůči záplavám. Vylepšený druh I. ingoides by následně mohl být použit při zavádění agrolesnických systémů v příbřežních zátopových oblastech, což by mohlo zmírnit tlak na zisk nové zemědělské půdy obvyklou metodou žďáření lesa.

Abstract:

Inga species (Fabaceae) are important components of neotropical forests. Inga edulis is frequently used tree species for fruits and shade tree in the Amazon region. Inga ingoides is phylogenetically I. edulis close relative, but underutilized and poorly known tree species. Little is known about I. edulis species’ genetic structure in the wild and cultivated populations in Amazonian Peru, as well as the degree of introgression with I. ingoides. The genetic structure and diversity was observed on 259 I. edulis trees in five wild (62 trees) and 22 cultivated (197 trees) populations in three different geographical regions (Selva Central, Ucvayali and Loreto) of Amazonian Peru. Seventy seven I. ingoides were sampled in three wild populations and used to asessed the degree of genetic divergence and introgression with wild I. edulis. Microsatellite markers, analysis of molecular variance and Bayesian analysis have been used to determine the genetic diversity and population structure of both species. Characterization descriptors for I. edulis have been designed for further use in hybridization programs. Legume length was measured to highlight morphological difference between wild and cultivated I. edulis trees.The average legume length in cultivated trees (83 cm) was significantly larger then in wild trees (39 cm). The Loreto region cultivated I. edulis trees showed longest legumes and lowest allelic richeness. The expected genetic diversity and the average number of alleles was higher in the wild I. edulis compared to the cultivated I. edulis populations. Overall genetic differentiation between wild I. edulis and I. ingoides was weak and the degree of genetic variation was similar. A putatively strong introgression was detected between the two species and an intense gene flow was identified among populations. The identified intense gene flow in the past could have led to a small differentiation among populations within species. A loss of genetic diversity was confirmed in the I. edulis cultivated populations. The species could have been simultaneously domesticated in multiple locations, usually with local origin. The original I. edulis Amazonian germplasm should be maintained, and cultivated population new germplasm influx from the wild populations could increase genetic diversity, provided that fruit yield will not be compromised. Selection of natural hybrids or artificial hybridization between I. edulis and I. ingoides could be applied to improve legume size and yield in the later species, while maintaining tolerance to flooding. Improved I. ingoides could be used in multipurpose agroforestry on open areas along the rivers, instead of using the usual slash and burn practice to create new inland open areas.

Keywords

domestikace, Inga, introgrese, jedlé ovoce, mikrosatelitní markery, stinné stromy, zachování biodiverzity

Keywords

biodiversity conservation, domestication, edible fruit, Inga, introgression, microsatellite markers, shade trees

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 7. 6. 2019

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Bohdan Lojka, Ph.D.
• Reader: Helena Cvrčková, externi, Tomáš Fér, Bc., externi

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Tropical AgriSciences

Doctoral programme / field:
Agricultural Specialization / Tropical and Subtropical Agriculture