Relaciones filogenéticas de especies de Phaseolus de México con base en marcadores de ADN cloroplástico

Sanjuana Hernández-Delgado; Victor Hugo Villarreal-Villagrán; José S. Muruaga-Martínez; Maria LuisaPatricia Vargas-Vázquez; Netzahualcoyotl Mayek-Perez

doi:10.18387/polibotanica.53.3

Sanjuana Hernández-Delgado Centro de Biotecnología Genómica IPN
Victor Hugo Villarreal-Villagrán Centro de Biotecnología Genómica IPN
José S. Muruaga-Martínez
Maria LuisaPatricia Vargas-Vázquez
Netzahualcoyotl Mayek-Perez Universidad Autónoma de Tamaulipas

DOI: https://doi.org/10.18387/polibotanica.53.3

Palabras clave: Secuenciación de DNA cloroplástico, relaciones genéticas, colecta de germoplasma, filogenia, frijoles silvestres

Resumen

El género Phaseolus es originario de México; al menos la mitad de las 70 especies conocidas y distribuidas a través de América son endémicas en el país. Los estudios filogenéticos en Phaseolus deberán incluir las especies menos conocidas del género. Los objetivos de este trabajo fueron colectar germoplasma de especies de Phaseolus en México y determinar sus relaciones filogenéticas. El germoplasma (34 accesiones) incluyó 19 especies y dos subespecies de P. coccineus (P. coccineus griseus y P. coccineus striatus). Como testigo se incluyó una accesión de Vigna radiata del GenBank. Tres especies (P. albiviolaceus, P. maculatifolius y P. rotundatus) no se habían estudiado antes. Cinco regiones no codificantes de DNA cloroplástico (cpDNA) se amplificaron por PCR y se secuenciaron. Las secuencias se analizaron por tres métodos filogenéticos. El género Phaseolus es un grupo monofilético que se subdivide en dos linajes principales: uno incluye P. pluriflorus, P. esperanzae, P. pedicellatus, P. microcarpus, P. glabellus, P. oligospermus, P. gladiolatus, P. zimapanensis y P. albiviolaceus; y otro a P. filiformis, P. acutifolius, P. vulgaris, P. coccineus striatus, P. coccineus griseus, P. macvaughii, P. leptostachyus, P. lunatus, P. maculatus, P. maculatifolius y P. rotundatus. La topología de los subclados distales en todos los dendrogramas estuvo de acuerdo, en general, con la topología para Phaseolus reconocida a la fecha, con excepción de P. albiviolaceus, especie no estudiada antes y que según su morfología pertenece al grupo Pedicellatus pero en este trabajo perteneció al grupo Tuerckheimii. Las especies P. maculatifolius y P. rotundatus se incluyeron en el grupo Polystachios. El análisis de cinco regiones de cpDNA en especies y subespecies de Phaseolus ratificó la filogenia que indica un grupo monofilético con dos clados: (P. pluriflorus, P. esperanzae, P. pedicellatus, P. microcarpus, P. glabellus, P. oligospermus, P. gladiolatus, P. zimapanensis y P. albiviolaceus) y un segundo clado (P. filiformis, P. acutifolius, P. vulgaris, P. coccineus, P. macvaughii, P. leptostachyus, P. lunatus, P. maculatus, P. maculatifolius y P. rotundatus). La discrepancia es la ubicación de P. albiviolaceus que se agrupó con el grupo Tuerckheimii y no con Pedicellatus; estudios anteriores los agruparon con base en morfología.

Biografía del autor

Victor Hugo Villarreal-Villagrán, Centro de Biotecnología Genómica IPN

Estudiante de la Maestría en Biotecnología Genómica

José S. Muruaga-Martínez

Investigador Jubilado del INIFAP-Valle de México

Maria LuisaPatricia Vargas-Vázquez

Investigadora del INIFAP Valle de México

Netzahualcoyotl Mayek-Perez, Universidad Autónoma de Tamaulipas

Investigador Nacional del SNi (CVU 19880)

Citas

Acosta-Gallegos, J. A., Kelly, J. D. & Gepts, P. (2007). Prebreeding in common bean and use of genetic diversity from wild germplasm. Crop Science, 47, 44-59. https://doi.org/10.2135/cropsci2007.04.0008IPBS
Akaike, H. (1973). Information theory and an extension of the maximum likelihood principle. In: Parzen E., Tanabe K., Kitagawa G. (eds) Selected Papers of Hirotugu Akaike. pp. 199-213. https://doi.org/10.1007/978-1-4612-1694-0_15.
Albert, V. A. (2005). Parsimony and phylogenetics in the genomic age. In: Parsimony, Phylogeny and Genomics. Oxford University Press, New York. pp. 1-11. DOI:10.1093/acprof:oso/9780199297306.003.0001
Álvarez, I. & Wendel, J. F. (2003). Ribosomal ITS sequences and plant phylogenetic inference. Molecular Phylogenetics and Evolution, 29, 417-434. doi: 10.1016/s1055-7903(03)00208-2.
Alva-Valdivia, L. M., Goguitchaichvili, A., Ferrari, L., Rosas-Elguera, J., Urrutia-Fucugauchi, J., & Zamorano-Orozco, J. J. (2000). Paleomagnetic data from the Trans-Mexican Volcanic Belt: implications for tectonics and volcanic stratigraphy. Earth Planets Space, 52, 467–478. https://link.springer.com/content/pdf/10.1186/BF03351651.pdf
Angioi, S.A., Desiderio, F., Rau, D., Bitocchi, E., Attene, G., & Papa R. (2009). Development and use of chloroplast microsatellites in Phaseolus spp. and other legumes. Plant Biology, 11, 598-612. doi: 10.1111/j.1438-8677.2008.00143.x.
Chacón, M. I., Pickersgill, B., & Debouck D. G. (2005). Domestication patterns in common bean (Phaseolus vulgaris L.) and the origin of the Mesoamerican and Andean cultivated races. Theoretical and Applied Genetics, 110, 432-44. doi: 10.1007/s00122-004-1842-2.
Chacón, M. I., Pickersgill, B., Debouck, D. G., & Arias, J. S. (2007). Phylogeographic analysis of the chloroplast DNA variation in wild common bean (Phaseolus vulgaris L.) in the Americas. Plant Systematics and Evolution, 266, 175-195. DOI:10.1007/s00606-007-0536-z
Cota-Sánchez, J. H., Remarchuk, K., & Ubayasena, K. (2006). Ready-to-use DNA extracted with a CTAB method adapted for herbarium specimens and mucilaginous. Plant Molecular Biology Reporter, 24, 161-167. DOI:10.1007/BF02914055
Delgado-Salinas, A. O. (1985). Systematics of the genus Phaseolus (Leguminosae) in North and Central America. Ph.D. Dissertation. University of Texas. Austin, USA. 363 p.
Delgado-Salinas, A., Turley, T., Richman, A., & Lavin, M. (1999). Phylogenetic analysis of the cultivated and wild species of Phaseolus (Fabaceae). Systematic Botany, 24, 438-460. https://www.jstor.org/stable/2419699
Delgado-Salinas, A., Bibler, R., & Lavin, M. (2006). Phylogeny of the genus Phaseolus (Leguminosae): A recent diversification in an ancient landscape. Systematic Botany, 31, 779-791. https://doi.org/10.1600/036364406779695960.
Drummond, A. J., Ashton, B., Buxton, S., Cheung, M., Cooper, A., Duran, C., Field, M., Heled, J., Kearse, M., Markowitz, S., Moir, R., Stones-Havas, S., Sturrock, S., Thierer, T., & Wilson A. (2011). Geneious v5.4. University of Auckland. Auckland, New Zealand. Available from http://www.geneious.com/
Drummond, A. J., Suchard, M. A., Xie, D., & Rambaut, A. (2012). Bayesian phylogenetics with BEAUti and the BEAST 1.7 Molecular Biology and Evolution, 29, 1969-1973. DOI:10.1093/molbev/mss075
Edgar, R. C. (2004). Muscle: multiple sequence alignment with high accuracy and high throughput. Nucleic Acids Research, 32, 1792-1797. https://doi.org/10.1093/nar/gkh340
Estrada, G., Guillén, G., Olivares, J. E., Díaz, C., & Alvarado, X. (2007). La transformación genética y genómica del frijol. In: Una Ventana al Quehacer Científico, pp. 281-290. Instituto de Biotecnología de la UNAM (eds). México D.F. http://oldwww.ibt.unam.mx/server/PRG.base?tit:-,tipo:doc,dir:libros_25aniv.html
Felsenstein J. 1993. Phylogeny Inference Package (PHYLIP). Ver. 3.5. University of Washington, Seattle, USA. Available from http://cmgm.stanford.edu/phylip/.
Freytag, G. F. & Debouck, D. G. (2002). Taxonomy, Distribution, and Ecology of the Genus Phaseolus (Leguminosae-Papilionoideae) in North America, Mexico, and Central America. Botanical Research Institute of Texas. Fort Worth, USA. pp. 1-268.
Gepts, P. (1996). Origin and evolution of cultivated Phaseolus species. In: Pickersgill, B & Lock, J. M. (eds.). Advances in Legume Systematics: Legumes of Economic Importance. pp. 65-78. Royal Botanic Gardens, Kew, UK.
Gouy, M., Guindon, S., & Gascuel, O. (2010). SeaView version 4: A multiplatform graphical user interface for sequence alignment and phylogenetic tree building. Molecular Biology and Evolution, 27, 221-224. doi: 10.1093/molbev/msp259.
Guindon, S. & Gascuel, O. (2003). A simple, fast, and accurate algorithm to estimate large phylogenies by maximum likelihood. Systematic Biology, 52, 696-704. doi: 10.1080/10635150390235520.
Guo, X., Castillo-Ramírez, S., González, V., Bustos, P., Fernández-Vázquez, J. L., Santamaría, R. I., Arellano, J., Cevallos, M. A., & Dávila, G. (2007). Rapid evolutionary change of common bean (Phaseolus vulgaris L) plastome, and the genomic diversification of legume chloroplasts. BMC Genomics, 8, 228. doi:10.1186/1471-2164-8-228
Hernández-López, V. M., Vargas-Vázquez, M. L. P., Muruaga-Martínez, J. S., Hernández-Delgado, S., & Mayek-Pérez, N. (2013). Origen, domesticación y diversificación del frijol común. Avances y perspectivas. Revista Fitotecnia Mexicana, 36, 95-104. http://www.scielo.org.mx/pdf/rfm/v36n2/v36n2a2.pdf
Huson, D. H., Richter, D. C., Rausch, C., Dezulian, T., Franz, M., & Rupp, R. (2007). Dendroscope: an interactive viewer for large phylogenetic trees. BMC Bioinformatics, 8, 460-466. doi: 10.1186/1471-2105-8-460.
Kupczok, A., Schmidt, H. A., & Haeseler, A. V. (2010). Accuracy of phylogeny reconstruction methods combining overlapping gene data sets. Algorithms for Molecular Biology, 5, 1-17. DOI:10.1186/1748-7188-5-37
Lavin, M., Herendeen, P. S., & Wojciechowski, M. F. (2005). Evolutionary rates analysis of Leguminosae implicates a rapid diversification of lineages during the Tertiary. Systematic Biology, 54, 530–549. https://doi.org/10.1080/10635150590947131
Lépiz-Ildefonso, R., López-Alcocer, J. J., Sánchez-González, J. J., Santacruz-Ruvalcaba, F., Nuño, R., & Rodríguez-Guzmán, E. (2010). Características morfológicas de formas cultivadas, silvestres e intermedias de frijol común de hábito trepador. Revista Fitotecnia Mexicana, 33, 21-28. DOI:10.35196/rfm.2010.1.21
Llaca, V., Delgado-Salinas, A., & Gepts, P. (1994). Chloroplast DNA as an evolutionary marker in the Phaseolus vulgaris complex. Theoretical and Applied Genetics, 88, 646-648. DOI:10.1007/BF01253966
López-Soto, J. L., Ruiz-Corral, J. A., Sánchez-González, J. J., & Lépiz-Ildefonso, R. (2005). Adaptación climática de 25 especies de frijol silvestre (Phaseolus spp.) en la República Mexicana. Revista Fitotecnia Mexicana, 28, 221-230. https://www.revistafitotecniamexicana.org/documentos/28-3/6a.pdf
Meza-Vázquez, K. E., Lépiz-Ildefonso, R., López-Alcocer, J. J., & Morales-Rivera, M. M. (2015). Caracterización morfológica y fenológica de especies silvestres de frijol (Phaseolus). Revista Fitotecnia Mexicana, 38, 17-28. http://www.scielo.org.mx/pdf/rfm/v38n1/v38n1a4.pdf
Posada, D. (2008). jModelTest: phylogenetic model averaging. Molecular Biology and Evolution, 25, 1253-1256. DOI: 10.1093/molbev/msn083
Ronquist, F. & Huelsenbeck, J. P. (2003). MrBayes 3: Bayesian phylogenetic inference under mixed models. Bioinformatics, 19, 1572-1574. https://doi.org/10.1093/bioinformatics/btg180
Salcedo, J. C., Lépiz, R., Castañeda, N. A., Ocampo, C., & Debouck, D. G. (2009). Additional observations about Phaseolus rotundatus (Fabaceae), an endemic bean species from western Mexico. Journal of the Botanical Research Institute of Texas, 3, 751-762. https://www.jstor.org/stable/41971867
Smýkal, P., Coyne, S. J., Ambrose, M. J., Maxted, N., Schaefer, H., Blair, M. W., Berger, J., Greene, S. L., Nelson, M. N., Besharat, N., Wymyslický, T. C., Saxena, R. K., Roorkiwal, M., Pandey, M. K., Hu, J., Li, Y. H., Wang, L. X., Guo, Y., Qiu, L. J., Redden, R. J., & Varshney, R. K. (2015). Legume crops phylogeny and genetic diversity for science and breeding. Critical Reviews in Plant Sciences, 34, 43-104. https://doi.org/10.1080/07352689.2014.897904
Sanger, F., Nicklen, S., & Coulson, A. R. (1977). DNA sequencing with chain-terminating inhibitors. Biochemistry, 74, 5463-5467. DOI: 10.1073/pnas.74.12.5463
Schwarz, G. 1978. Estimating the dimension of a model. Annals of Statistics, 6, 461-464. DOI: 10.1214/aos/1176344136
Servín, L. E. & Márquez-Ortíz, Y. (2007). A new phylogenetic analysis of Phaseolus species: patterns of diversification and biogeography. PhaseomicsV. Varenna, Italy. p. 11. https://www.cnr.it/it/eventi/allegato/7959
Tangphatsornruang, S., Sangsrakru, D., Chanprasert, J., Uthaipaisanwong, P., Yoocha, T., Jomchai, N., & Tragoonrung, S. (2010). The chloroplast genome sequence of mungbean (Vigna radiata) determined by high-throughput pyrosequencing: structural organization and phylogenetic relationships. DNA Research, 17, 11-22. doi: 10.1093/dnares/dsp025.
Vekemans, X., Hardy, O., Berken, B., Fofana, B., & Baudoin, J. P. (1998). Use of PCR-RFLP on chloroplast DNA to investigate phylogenetic relationships in the genus Phaseolus. Biotechnology, Agronomy, Society and Environment, 2, 128-134. https://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.571.5809&rep=rep1&type=pdf