From genotype to phenotype: unraveling the complexities of cold adaptation in forest trees

Author： Howe Glenn T Aitken Sally N Neale David B Jermstad Kathleen D Wheeler Nicholas C Chen Tony H.

ISSN： 1480-3305

Source： Canadian Journal of Botony, Vol.81, Iss.12, 2003-12, pp. : 1247-1266

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Abstract

Adaptation to winter cold in temperate and boreal trees involves complex genetic, physiological, and developmental processes. Genecological studies demonstrate the existence of steep genetic clines for cold adaptation traits in relation to environmental (mostly temperature related) gradients. Population differentiation is generally stronger for cold adaptation traits than for other quantitative traits and allozymes. Therefore, these traits appear to be under strong natural selection. Nonetheless, high levels of genetic variation persist within populations. The genetic control of cold adaptation traits ranges from weak to strong, with phenological traits having the highest heritabilities. Within-population genetic correlations among traits range from negligible to moderate. Generally, bud phenology and cold hardiness in the fall are genetically uncorrelated with bud phenology and cold hardiness in the spring. Analyses of quantitative trait loci indicate that cold adaptation traits are mostly controlled by multiple genes with small effects and that quantitative trait loci × environment interactions are common. Given this inherent complexity, we suggest that future research should focus on identifying and developing markers for cold adaptation candidate genes, then using multilocus, multi allelic analytical techniques to uncover the relationships between genotype and phenotype at both the individual and population levels. Ultimately, these methods may be useful for predicting the performance of genotypes in breeding programs and for better understanding the evolutionary ecology of forest trees.Key words: association genetics, cold hardiness, dormancy, genecology, bud phenology, quantitative trait loci.L'adaptation au froid hivernal chez les arbres des régions tempérées et boréales implique des processus génétiques, physiologiques et ontogéniques complexes. Des études génécologiques démontrent l'existence de gradients génétiques abruptes pour les caractères d'adaptation au froid, en relation avec des gradients (surtout reliés à la température) environnementaux. Les différences entre populations sont généralement plus marquées pour les caractères d'adap tation au froid que pour les autres caractères quantitatifs incluant les allozymes. Il semble donc que ces caractères font l'objet d'une forte sélection naturelle. Cependant, on retrouve un haut degré de variation génétique au sein des populations. Le déterminisme génétique des caractères d'adaptation au froid va de faible à fort, avec les caractères phénologiques ayant les plus fortes héritabilités. À l'intérieur de la population, les corrélations génétiques entre les caractères vont de négligeables à modérées. Généralement, la phénologie des bourgeons et la résistance au froid à l'automne ne montrent pas de corrélation avec la phénologie des bourgeons et la résistance au froid au printemps. Des analyses sur les lieux des caractères quantitatifs (QTL) indiquent que les caractères d'adaptation au froid sont surtout contrôlés par des gènes multiples ayant des effets faibles et que les interactions entre les lieux des caractères quantitatifs et l'environ nement sont fréquentes. Compte tenu de cette complexité inhérente, les auteurs suggèrent que les recherches futures devraient porter sur l'identification et le développement de marqueurs de gènes candidats pour l'adaptation au froid, pour ensuite utiliser des techniques d'analyses multi-lieux et multi-alléliques pour déceler les relations qui existent entre les génotypes et les phénotypes aux niveaux individuels aussi bien que des populations. Ultimement, ces méthodes pourraient s'avérer utiles pour prédire la performance de génotypes dans des programmes d'amélioration génétique, et pour mieux comprendre l'écologie évolutive de arbres forestiers.Mots clés : associations génétiques, résistance au froid, dormance, génécologie, phénologie des bourgeons, lieux des caractères quantitatifs.[Traduit par la Rédaction]