Agronomic study of two annual helianthus species naturalized in Argentina as potential sunflower crop genetic resource

Abstract

The genus Helianthus (Asteraceae), native from North America comprises not only the cultivated sunflower H. annuus var. macrocarpus L., but also some invasive species. The wild H. annuus ssp. annuus (common sunflower) and H. petiolaris Nutt. (prairie sunflower) are two annual species of the genus naturalized in central Argentina. Both species merit interest as genetic resources. Wild H. annuus was probably introduced for forage purposes, but H. petiolaris seems to have entered as a seed contaminant. Using multivariate tools, the environment and ecological conditions of the habitats were analysed. A diffusive process from each entry point is suggested, following the terrestrial infrastructure. Invasion took place in a strip of land bordering between the Mollisols and Entisols, the same soil orders as in the centre of origin. Within that strip, each species thrived in different microhabitats transformed by human activity such as fences, fire lines, roadsides, ditches. Helianthus annuus showed preference for microhabitats with heavy soils, while H. petiolaris preferred sandy soils, as has been reported in North America. The hypothesis of gene flow between both wild taxa and the crop was tested by the morphological study of the progeny of off type plants and pure populations that flowered in proximity to the other taxa found under natural conditions. Between 0.5 to 18% of hybridization was found. Taking into account the dimensions of the populations found at the points of contact, these frequencies may mean thousands to millions of first generation hybrids each year. Nine argentine populations of wild H. annuus showed enough biodiversity to differentiate among them. The biodiversity contained in this new germplasm was about two thirds of that observed in a sample of wild sunflower from seventeen USA states. The accessions from Argentina showed different combinations of the same traits and a longer life cycle in one accession. The oil content and fatty acid profile did not show values that could merit attention as a source of sunflower oil improvement. Other agronomic traits of interest, such as resistance to SuCMoV or the presence of malesterility are currently under evaluation. Seed companies probably lost interest in transgenic sunflower after research demonstrated the existence of wild populations in several regions of the world, the intense gene flow between crop and wild relatives and the probable increase of reproductive capacity due to the acquisition of transgenes. The traits under experimentation in genetically modified (GM) sunflower could improve the performance of the crop but face some market restrictions. The future of GM sunflower depends on the possibility to mitigate the effect of transgenes on the wild and weedy relatives and a change in market place acceptance, which could increase if GM means better quality for the consumer.

El género Helianthus (Asteraceae), que es nativo de América del Norte comprende no solo el girasol cultivado H. annuus var. macrocarpus L. sino también otras especies que son invasoras. El girasol silvestre H. annuus ssp. annuus L. y H. petiolaris Nutt. son dos especies anuales naturalizadas en la parte central de Argentina. Ambas resultan de interés como recurso fitogenético. El H. annuus silvestre fue probablemente introducido para uso forrajero mientras que pareciera que H. petiolaris ingresó como contaminante de semillas. Se estudiaron las condiciones ambientales y ecológicas de los habitats ocupados por las poblaciones mediante análisis multivariante. Se sugiere la existencia de un proceso de difusión desde el punto de ingreso de cada especie, siguiendo la infraestructura de las comunicaciones terrestres. La invasión ocurrió en una banda de territorio en el límite entre Mollisoles y Entisoles, los mismos órdenes de suelos que existen en el centro de origen. Dentro de esa banda, cada especie se ubicó en diferentes microhábitats transformados por actividad antrópica, como alambrados, contrafuegos, banquinas, canales. Helianthus annuus mostró preferencia por suelos pesados mientras que H. petiolaris prefirió suelos arenosos, en modo análogo a lo informado para América del Norte. La hipótesis de flujo génico entre los dos taxa silvestres y el cultivo se exploró mediante el estudio de la morfología de la progenie de plantas fuera de tipo y poblaciones puras que habían florecido en proximidad del otro taxa, halladas bajo condiciones naturales. Se encontró entre 0.5 a 18% de hibridización. Considerando las dimensiones de las poblaciones halladas en contacto estas frecuencias pueden significar miles a millones de híbridos de primera generación cada año. Nueve poblaciones Argentinas de H. annuus mostraron suficiente biodiversidad como para diferenciarse entre ellas. La biodiversidad contenida en este nuevo germoplasma fue alrededor de dos tercios de la observada en una muestra de girasoles silvestres de 17 estados de USA. Las accesiones de Argentina mostraron diferentes combinaciones de los mismos caracteres, pero una de ellas presentó un ciclo de mayor duración. El contenido de materia grasa y el perfil de ácidos grasos no presentaron valores que puedan ser de interés para la mejora del aceite de girasol. Se están investigando actualmente otros rasgos de interés agronómico, como la resistencia al SuCMoV o la presencia de androesterilidad. Las empresas de semillas perdieron interés en el girasol transgénico luego que las investigaciones revelaran la existencia de poblaciones silvestres en muchas regiones del mundo, intenso flujo génico entre el cultivo y los parientes silvestres y el posible incremento de la capacidad reproductiva por adquisición de transgenes. Los eventos bajo evaluación en girasol genéticamente modificado (GM) podrían mejorar el comportamiento del cultivo pero enfrentan restricciones de mercado. El futuro del girasol GM depende de la posibilidad de mitigar el efecto de los transgenes sobre los parientes silvestres y malezas y a cambios en la aceptación del mercado. Esta podría aumentar si el girasol GM implicara mejor calidad para el consumidor.

El gènere Helianthus (Asteraceae), nadiu d'Amèrica del Nord, compren no només el girasol conreuat H. annuus var. Macrocarpus L., sinó també d'altres espècies que són invasores. El gira-sol silvestre H. annuus ssp. Annuus L. i H. petiloaris Nutt. Són dues espècies anuals naturalitzades en la part central d'Argentina. Ambdues resulten d'interès com a recurs fitogenètic. L'H. annuus silvestre fou probablement introduït per a ús farratger mentre que sembla que l'H. petiolaris ingressà com a contaminant de llavors. S'estudiaren les condicions ambientals i ecològiques dels hàbitats ocupats per les poblacions mitjançant anàlisi multivariant. Es suggereix l'existència d'un procés de difusió des del punt d'ingrés de cada espècie, seguint la infraestructura de les comunicacions terrestres. La invasió va ocórrer en una banda de territori en el límit entre Mollisoles i Entisoles, els mateixos ordres de sòls que existeixen en el centre d'origen. Dins d'aquesta banda, cada espècie s'ubicà en diferents microhàbitats transformats per activitat antròpica, com ara tancats de filferro, tallafocs, bancals, canals. Helianthus annuus mostrà preferència pels sòls pesants mentres que H. petiolaris preferí sòls arenosos, a l'igual que allò constatat per a Amèrica del Nord. La hipòtesi de flux gènic entre els dos taxa silvestres i el conreu s'explorà mitjançant l'estudi de la morfologia de la progènie de plantes de diferent tipus y poblacions pures que havien florit en proximitat de l'altre taxa, trobades amb condicions naturals. Es trobà entre 0,5 a 18% d'hibridació. Considerant les dimensions de les poblacions trobades en contacte, aquestes freqüències poden significar milers a milions d'híbrids de primera generació cada any. Nou poblacions argentines d'H. annuus mostraren suficient biodiversitat com per diferenciar-se entre elles. La biodiversitat continguda en aquest nou germoplasma fou al voltant de dos terços d'aquella observada en una mostra de gira-sols silvestres de 17 estats d'EUA. Les accessions d'Argentina mostraren diferents combinacions dels mateixos caràcters, però una d'elles presentà un cicle de més llarga durada. El contingut de matèria grassa i el perfil d'àcids grassos no presentaren valors d'interès per a la millora de l'oli de gira-sol. Actualment s'investiguen d'altres trets d'interès agronòmic, com ara la resistència al SuCMoV o la presència d'androesterilitat. Les empreses de llavors perderen l'interès pel gira-sol transgènic després de les investigacions que revelaren l'existència de poblacions silvestres en moltes regions del món, intens fluxe gènic entre el conreu i els parents silvestres i el possible increment de la capacitat reproductiva per adquisició de transgens. Els esdeveniments en avaluació de gira-sol genèticament modificat (GM) podrien millorar el comportament del conreu però enfronten restriccions de mercat. El futur del gira-sol GM depèn de la possibilitat de mitigar l'efecte dels transgens sobre els parents silvestres i malesa i a canvis en l'acceptació del mercat. Aquesta podria augmentar si el gira-sol GM impliqués una millor qualitat per al consumidor.