Chromosome set doubling and DNA methylation as triggers of phenotypic variability in Eucalyptus sp.

Abstract

Genomic changes as chromosome set doubling and DNA methylation patterns have a profound significance in ecological and evolutionary aspects, shaping plants to different environments and adverse conditions. Within this context, induced changes in whole genome by duplication or manipulation of DNA methylation patters, could create advantageous phenotypes, inheritable and stable, and therefore, passive of selection in breeding programs. In this sense, we evaluated the effect of chromosome set doubling in Eucalyptus benthamii trees in the context of secondary metabolism, and whole DNA demethylation in germinated seeds of Eucalyptus urograndis during in vitro organogenesis. Autotetraploid trees of E. benthamii produced 1,8-cineole, limonene, α-terpineol, and α-terpynil acetate which in contrast were absent in diploids, and yielding of essential oils were not correlated to the ploidy level. Diploid essential oils have twice more larvicidal effect against Aedes aegyptii larvae than autotetraploids. Essential oils from both ploidy levels had no cytogenotoxic effect in meristematic roots of Lactuca sativa. Besides the ploidy level alterations, epigenetic changes in the global DNA methylation levels may promote stable phenotypes of forest interest. In E. urograndis plantlets, using 5-Azacytidine it was possible to reduce 5-methyl cytosine levels in whole plant (roots, hypocotyls, cotyledons and leaves). Treatments with this demethylating agent promoted an increase of 65% in rooting formation without plant growth regulators. Subsequent DNA demethylation through organogenesis promoted a reduction of 50% in global DNA methylation of regenerated plants. Chromosome set doubling and DNA demethylation are powerful tools to modify phenotypic diversity in short-term, and in long-term these changes can be more explored aiming desirable traits in forest breeding. Keywords: Polyploidy. Epigenetic. Forest breeding. Biotechnology. Eucalypts.Mudanças genômicas como a duplicação do conjunto cromossômico e padrões de metilação do DNA, têm um significado profundo nos aspectos ecológicos e evolutivos, moldando as plantas em seus diferentes ambientes e condições adversas. Nesse contexto, mudanças induzidas no genoma por duplicação ou manipulação nos padrões de metilação do DNA podem criar fenótipos vantajosos, herdáveis, estáveis e, portanto, passivos de seleção em programas de melhoramento. Nesse sentido, avaliamos o efeito da duplicação do conjunto cromossômico em árvores de Eucalyptus benthamii no contexto do metabolismo secundário e da desmetilação do DNA global em sementes germinadas de Eucalyptus urograndis, durante a organogênese in vitro. Árvores autotetraploides de E. benthamii produziram 1,8- cineol, limoneno, α-terpineol e acetato de α-terpinila que, em contraste, não foram identificados em árvores diploides, e o rendimento dos óleos essenciais não foi correlacionado com o nível de ploidia. Os óleos essenciais de diploides têm duas vezes mais efeito larvicida em larvas de Aedes aegyptii do que os autotetraploides. Os óleos essenciais de ambos os níveis de ploidia não apresentaram efeito citogenotóxico em raízes meristemáticas de Lactuca sativa. Além da alteração no nível de ploidia cromossômica, mudanças epigenéticas nos padrões globais de metilação de DNA podem promover fenótipos estáveis de interesse florestal. Em plântulas de E. urograndis, o uso de 5- azacitidina reduziu os níveis de 5-metil citosina em todas as partes da planta (raízes, hipocótilos, cotilédones e folhas). Tratamentos com este desmetilante promoveram um aumento de 65% na formação de raízes, sem auxílio de fitohormônios. A desmetilação subsequente do DNA por organogênese promoveu uma redução de 50% na metilação global do DNA de plantas regeneradas. A duplicação do conjunto cromossômico e a desmetilação do DNA são ferramentas poderosas para modificar a diversidade fenotípica em curto prazo, e em longo prazo essas alterações podem ser exploradas visando características desejáveis no melhoramento florestal. Palavras-chave: Poliploidia. Epigenética. Melhoramento florestal. Biotecnologia. Eucaliptos.