Coffea cytogenetics: from the first karyotypes to the meeting with genomics

Coffea karyotype organization and evolution has been uncovered by classical cytogenetics and cytogenomics. We revisit these discoveries and present new karyotype data. Coffea possesses ~ 124 species, including C. arabica and C. canephora responsible for commercial coffee production. We reviewed the Coffea cytogenetics, from the first chromosome counting, encompassing the karyotype characterization, chromosome DNA content, and mapping of chromosome portions and DNA sequences, until the integration with genomics. We also showed new data about Coffea karyotype. The 2n chromosome number evidenced the diploidy of almost all Coffea, and the C. arabica tetraploidy, as well as the polyploidy of other hybrids. Since then, other genomic similarities and divergences among the Coffea have been shown by karyotype morphology, nuclear and chromosomal C-value, AT and GC rich chromosome portions, and repetitive sequence and gene mapping. These cytogenomic data allowed us to know and understand the phylogenetic relations in Coffea, as well as their ploidy level and genomic origin, highlighting the relatively recent allopolyploidy. In addition to the euploidy, the role of the mobile elements in Coffea diversification is increasingly more evident, and the comparative analysis of their structure and distribution on the genome of different species is in the spotlight for future research. An integrative look at all these data is fundamental for a deeper understanding of Coffea karyotype evolution, including the key role of polyploidy in C. arabica origin. The 'Híbrido de Timor', a recent natural allotriploid, is also in the spotlight for its potential as a source of resistance genes and model for plant polyploidy research. Considering this, we also present some unprecedented results about the exciting evolutionary history of these polyploid Coffea.

Cariograma e conteúdo de DNA cromossômico do alotriploide híbrido de Timor: Uma comparação com seus progenitores

O Híbrido de Timor (HT) ‘CIFC 4106’ é um anortoploide (alotriploide, 3x=33, 2C=2,10 pg), semi-estéril, oriundo do cruzamento natural entre Coffea arabica (4x=44, 2C=2,62 pg) e Coffea canephora (2x=22, 2C=1,41 pg). Acredita-se que o ‘CIFC 4106’ é primeira planta de HT encontrada em 1927, numa plantação de C. arabica ‘Typica’ situada no Timor Leste. Estudos citogenéticos em Coffea têm possibilitado entender a história evolutiva e inferir as contribuições dos genomas parentais na formação de alopoliploides, como C. arabica. Nesse sentido, o conteúdo de DNA cromossômico; mensurado pela combinação da citogenética, citometria de fluxo e de imagem; gerou dados relevantes acerca da origem de C. arabica, um alotetraploide verdadeiro. O presente trabalho objetivou quantificar o conteúdo de DNA nuclear, caracterizar o cariótipo e mensurar o conteúdo de DNA cromossômico do HT e dos seus ancestrais: C. canephora, C. eugenioides e C. arabica. O valor 2C médio nuclear e o número cromossômico variou entre os quatro Coffea: C. canephora (2x=22, 2C=1,41 pg), C. eugenioides (2x=22, 2C=1,38 pg), HT (3x=33, 2C=2,10 pg) e C. arabica (4x=44, 2C=2,62 pg). Portanto, uma série euploide foi confirmada, destacando o conteúdo de DNA do HT equivalente a soma dos valores 1C dos seus progenitores. A caracterização do cariograma mostrou a predominância de cromossomos metacêntricos e submetacêntricos, com exceção apenas de um par acrocêntrico (22) em C. arabica. Distribuindo os valores médios 2C nuclear pelos valores médios de densidade óptica integrada; obtidos por meio da citometria de imagem; o conteúdo de DNA de cada cromossomo dos quatro Coffea foi mensurado. O valor 1C cromossômico de C. canephora oscilou de 0,090 (cromossomo 1) a 0,050 pg (11), C. eugenioides de 0,095 (cromossomo 1) a 0,044 pg (11), C. arabica de 0,090 (cromossomo 1) a 0,030 pg (22), e HT de 0,104 (cromossomo 1) a 0,026 pg (33). Os dados qualitativos (classes cromossômicas) e quantitativos (valor 1C) dos Coffea foram comparados, evidenciando a contribuição das três espécies de Coffea na origem do alotriploide HT.

Confirmação da indução da hexaploidia do alotriploide “Híbrido de Timor” ‘CIFC 4106’ por contagem cromossômica

As diversas estratégias empregadas para indução da duplicação cromossômica geram indivíduos com diferentes ploidias, inclusive mixoploides. Nesse sentido, é fundamental o uso de métodos que distinguem esses indivíduos. Dentre os métodos diretos, o único que inequivocamente confirma o nível de ploidia é a contagem cromossômica. Dessa forma, o presente trabalho tem por objetivo determinar o número cromossômico de alotriploides e hexaploides putativos oriundos da indução da duplicação cromossômica do alotriploide Híbrido de Timor (HT) ‘CIFC 4106’ (Coffea arabica x Coffea canephora). 48 plântulas foram regeneradas a partir de um novo procedimento, envolvendo calos embriogênicos friáveis tratados com colchicina (0,5; 1,5 ou 2,5 mM) por 96 h. A citometria de fluxo (CF) foi realizada a partir de fragmentos foliares dos indivíduos regenerados, pré-selecionando os alotriploides e os supostos hexaploides. Meristemas radiculares desses indivíduos foram tratados com 90 µM de ciclohexamida e 4 µM amiprofos-metil durante 1 h 45 min a 25ºC, e macerados em pool enzimático (celulase 4%, macerozime 1% e hemicelulase 0,4%) por 2 h a 34ºC. Em lâminas preparadas por dissociação celular e secagem ao ar, metáfases com 2n=3x=33 e com 2n=6x=66 cromossomos foram encontradas. A técnica empregada permitiu a obtenção de cromossomos bem espalhados na lâmina, garantindo uma contagem precisa do número de cromossomos. O procedimento citogenético foi primordial em virtude do elevado número de cromossomos, uma vez que, a técnica de esmagamento amplamente empregada, possivelmente resultaria em cromossomos sobrepostos. A CF possibilitou o screening de muitas plântulas em um curto período de tempo, mas a contagem cromossômica foi primordial para a determinação do nível de ploidia, uma vez que, pequenas alterações aneuploides podem não ser detectadas pelo citômetro de fluxo. Por se tratar de um experimento conduzido in vitro, a obtenção de cromossomos metafásicos é favorecida pela alta taxa proliferativa do material biológico, aliado a uma padronização refinada dos pré-tratamentos citogenéticos. O resultado da CF corroborou com a citogenética, permitindo avaliar o nível de ploidia a partir de diferentes tecidos, folhas e raízes, respectivamente. Dessa forma, a determinação do número de cromossomos deve ser parte indispensável do rigor experimental em experimentos de duplicação cromossômica.