تنوع کروموزومی در یک محصول کلونال: تغییر سوماکلونال پس از ظهور زعفران تریپلوئید کروکوس

پیشینه زعفران کروکوس (Crocus sativus) منبع زعفران، گران‌ترین ادویه جهان است. این گیاه حدود ۳۰۰۰ سال پیش به عنوان یک کلون تریپلوئید استریل در یونان تکامل یافت. از آن زمان، زعفران در سراسر جهان گسترش یافته است، جایی که شیوه‌های کشت زعفران به صورت منطقه‌ای متمایز توسعه یافته است. با وجود تفاوت در صفات مورفوفیزیولوژیکی، تنوع ژنتیکی کم است، اگر اصلاً وجود داشته باشد. در اینجا، هدف ما حل تنوع کروموزومی و مرتبط با توالی در بین ارقام زعفران کروکوس از مناطق اصلی کشت این محصول در آفریقا، آسیا و اروپا است.
روش‌ها ما از پلی‌مورفیسم‌های DNA در سطح ژنوم که از طریق ژنوتیپینگ با توالی‌یابی (GBS) 33 نمونه زعفران و 14 نمونه کروکوس نزدیک به هم به دست آمده‌اند، استفاده کردیم که آنها را در یک زمینه فیلوژنتیکی قرار می‌دهیم. برای کاریوتایپینگ، نه نمونه زعفران را با هیبریداسیون چند رنگ فلورسنت درجا (FISH) با پروب‌های DNA تکراری مقایسه می‌کنیم.
نتایج کلیدی: تجزیه و تحلیل‌های فیلوژنتیکی، منشأ واحد و ماهیت کلونال همه نمونه‌های زعفران را تأیید کردند. ما تفاوت‌های DNA اندکی را در بین ژنوتیپ‌های زعفران کروکوس شناسایی کردیم که در مقایسه با جمعیت‌های وحشی C. cartwrightianus جزئی بودند. با این حال، نمونه‌های زعفران ایرانی یک گروه بسیار باریک از نظر ژنتیکی را تشکیل می‌دهند که در تجزیه و تحلیل‌های ژنتیکی جمعیت با سایر نمونه‌ها متفاوت است. با این حال، کروموزوم‌های برخی از نمونه‌های زعفران، سیگنال‌های FISH متغیری را نشان می‌دهند که احتمالاً ناشی از افزایش و کاهش DNA تکراری پشت سر هم است.نتیجه‌گیری‌های اصلی بر اساس هویت ژنتیکی بالا و تفاوت‌های کاریوتیپی کوچک، منشأ کلونال نمونه‌های زعفران را تأیید می‌کنیم. با این وجود، همانطور که ما تنوع کروموزومی کوچک و منطقه‌ای را شناسایی کردیم، نتیجه می‌گیریم که حداقل چهار دودمان سوماکلونال زعفران پس از منشأ زعفران پدیدار شده‌اند.بیانیه تأثیر اجتماعی برای هزاره‌ها، بسیاری از فرهنگ‌ها شیوه‌های کشت و انواع محصولات منطقه‌ای را توسعه داده‌اند. یک مورد قابل توجه زعفران، گران‌ترین ادویه جهان است که از کلاله‌های زعفران کروکوس برداشت می‌شود. این محصول گل 3000 سال پیش در یک رویداد تکثیر ژنومی واحد به وجود آمد و از آن زمان به صورت کلونال در سراسر جهان گسترش یافت. با شناسایی تنوع ژنتیکی و کروموزومی در نمونه‌های کلونال زعفران، ما تنوع منطقه‌ای را برجسته می‌کنیم، از حفظ دانش سنتی حمایت می‌کنیم و خطر تکیه بر تنها یک دودمان کلونال را برجسته می‌کنیم. این امر، استراتژی‌های کشت زعفران را شکل می‌دهد و میراث فرهنگی را با ژنومیک مدرن پیوند می‌دهد تا به تنوع زیستی، تکامل و امنیت غذایی بپردازد.

Background Saffron crocus (Crocus sativus) is the source of saffron, the most expensive spice in the world. It evolved about 3000 years ago as a sterile triploid clone in Greece. Since then, saffron has spread across the globe, where regionally distinct practices of saffron cultivation have developed. Despite differences in morpho-physiological traits, genetic variability is low, if present at all. Here, we aim to resolve chromosomal and sequence-associated variability across saffron crocus cultivars from the crop’s main cultivation areas in Africa, Asia and Europe.
Methods We used genome-wide DNA polymorphisms obtained through genotyping-by-sequencing (GBS) of 33 saffron and 14 closely related Crocus accessions, which we place into a phylogenetic context. For karyotyping, we compare nine saffron accessions by multi-color fluorescent in situ hybridisation (FISH) with repetitive DNA probes.
Key results Phylogenetic analyses confirmed the single origin and clonal nature of all saffron accessions. We detected slight DNA differences among saffron crocus genotypes, which were minor compared with those in wild C. cartwrightianus populations. Still, the Iranian saffron accessions form a genetically very narrow group that differs from the other proveniences in population genetic analyses. However, chromosomes of some saffron accessions display variable FISH signals, likely resulting from gains and losses of tandemly repeated DNA.Main conclusions Based on the high genetic identity and small karyotypic differences, we confirm the clonal origin of the saffron accessions. Nevertheless, as we detected small and regional chromosomal variability, we conclude that at least four somaclonal saffron lineages emerged after saffron’s origin. Societal Impact Statement For millennia, many cultures developed cultivation practices and regional crop varieties. A notable case is saffron, the world’s most expensive spice that is harvested from stigmas of saffron crocus. This flower crop arose 3000 years ago in a singular genome triplication event and since then spread clonally across the globe. By identifying genetic and chromosomal variability in clonal saffron accessions, we highlight regional diversity, support the preservation of traditional knowledge, and underscore the risk of relying on only one clonal lineage. This informs strategies for saffron cultivation, linking cultural heritage with modern genomics to address biodiversity, evolution, and food security.