Molecular and cytological characterization of ribosomal RNA genes in Chenopodium quinoa and Chenopodium berlandieri

P. J. Maughan, B. A. Kolano, J. Maluszynska, N. D. Coles, A. Bonifacio, J. Rojas, C. E. Coleman, M. R. Stevens, D. J. Fairbanks, S. E. Parkinson, and E. N. Jellen

Abstract: The nucleolus organizer region (NOR) and 5S ribosomal RNA (rRNA) genes are valuable as chromosome landmarks and in evolutionary studies. The NOR intergenic spacers (IGS) and 5S rRNA nontranscribed spacers (NTS) were PCR-amplified and sequenced from 5 cultivars of the Andean grain crop quinoa (Chenopodium quinoa Willd., 2n = 4x = 36) and a related wild ancestor (C. berlandieri Moq. subsp. zschackei (Murr) A. Zobel, 2n = 4x = 36). Length heterogeneity observed in the IGS resulted from copy number difference in subrepeat elements, small re arrangements, and species-specific indels, though the general sequence composition of the 2 species was highly similar. Fifteen of the 41 sequence polymorphisms identified among the C. quinoa lines were synapomorphic and clearly differentiated the highland and lowland ecotypes. Analysis of the NTS sequences revealed 2 basic NTS sequence classes that likely originated from the 2 allopolyploid subgenomes of C. quinoa. Fluorescence in situ hybridization (FISH) analysis showed that C. quinoa possesses an interstitial and a terminal pair of 5S rRNA loci and only 1 pair of NOR, suggesting a reduction in the number of rRNA loci during the evolution of this species. C. berlandieri exhibited variation in both NOR and 5S rRNA loci without changes in ploidy.

Key words: rDNA, NOR, IGS, 5S NTS, FISH, Chenopodium.

Résumé : L'organisateur nucléolaire (NOR) et les gènes codant pour les ARN ribosomiques 5S sont utiles comme repères chromosomiques et pour des études sur l'évolution. Les espaceurs intergéniques (IGS) des NOR et les espaceurs non-transcrits (NTS) des ARNr 5S ont été amplifiés et séquencés chez 5 cultivars du quinoa (Chenopodium quinoa Willd., 2n = 4x = 36), une pseudocéréale des Andes, et un ancêtre sauvage (C. berlandieri Moq. subsp. Zschakei (Murr) A. Zobel, 2n = 4x = 36). Une hétérogénéité de taille a été observée chez les IGS en raison d'une différence quant au nombre de copies des sous-répétitions, de petits réarrangements et d'indels spécifiques d'une espèce. En général, cependant, la composition des séquences était très semblable entre les 2 espèces. Quinze des 41 polymorphismes identifiés au sein des lignées de C. quinoa étaient synapomorphes et distinguaient clairement les écotypes des bas-fonds de ceux de montagne. Une analyse des séquences NTS a révélé 2 classes de séquences NTS qui dérivent vraisemblablement des 2 sous-génomes allopolyploïdes du C. quinoa. Une hybridation in situ en fluorescence (FISH) a montré que le C. quinoa possède 2 paires de locus d'ARNr 5S, l'une terminal et l'autre interne, mais 1 seule paire de locus NOR, ce qui suggère une réduction du nombre de locus d'ARNr au cours de l'évolution de cette espèce. Le C. berlandieri montrait une variation au niveau des locus NOR et d'ARNr 5S sans qu'il y ait de changement de ploïdie.

Mots clés : ADNr, NOR, IGS, 5S NTS, FISH, Chenopodium.

[Traduit par la Rédaction]