Speciation and domestication genomics of Amaranthus spp.

The genus Amaranthus consists of 50 to 70 species, including several cultivated and weedy species. The seeds of the three grain amaranth species, A. caudatus, A. cruentus and A. hypochondriacus have a high nutritional value and are gluten free. In this work, three main aspects of amaranth genetics are studied, because previous work was limited to few species and few genetic markers: First, the evolutionary relationship between species in the genus; second, the domestication syndrome of South American grain amaranth; and third, crossing methods and controlled growth conditions for amaranth breeding. The genus has been taxonomically split into three subgenera, A. Amaranthus, A. Albersia and A. Acnida. Together with their two relatives A. hybridus and A. quitensis, the three grain amaranths form the Hybridus complex within the A. Amaranthus subgenus. We used genotyping by sequencing (GBS) of 94 genebank accessions, representing 35 species to infer the phylogeny of Amaranthus. SNPs were called using de novo and reference genome based methods and genome sizes of the species were measured using flow cytometry. The analysis of genome size evolution within the genus revealed that with the exception of two lineages polyploidization played a minor role in the history of the genus. A distancebased neighbor joining tree of individual accessions and a species tree based on the multispecies coalescent were constructed. Both phylogenies supported the previous taxonomic classification into three subgenera, but split the A. Acnida subgenus into two distant groups. Analyzing the Hybridus complex gave insights into the domestication history of grain amaranth. The complex was well separated from the other species in the A. Amaranthus subgenus and included the three grain amaranth species and their wild relatives. Individuals within the Hybridus complex did not cluster by species, but rather by their geographic origin from South and Central America. Geographically separated lineages of A. hybridus appeared to be the common ancestor of the three cultivated grain amaranths, while A. quitensis was involved in the domestication of A. caudatus. The domestication of grain amaranth remains unclear and seems to be complex, because the domestication syndrome that differentiates crops from their wild ancestors is only weakly pronounced. Therefore, the domestication syndrome in South American grain amaranth (A. caudatus) was studied by characterizing genetic and phenotypic diversity of A. caudatus and the two potential wild relatives, A. hybridus and A. quitensis. To investigate the evolutionary relationship of A. caudatus and its potential wild ancestors, 119 amaranth accession from the Andean region were characterized using 9,485 GBS derived SNPs. Additionally, two domestication related phenotypes, seed color and seed size, were analyzed. None of the accessions of wild amaranths had white seeds, while this was the predominant seed color in A. caudatus. The seed size did not significantly differ between species, but a genetically distinct group of A. caudatus from Bolivia had significantly larger seeds than the other groups. The genetic analysis revealed a strong differentiation of A. caudatus from its wild relatives. The two relatives did not cluster according to their species assignment, but rather by their geographic origins from Peru and Ecuador. Surprisingly, A. caudatus had a higher genetic diversity than its two close relatives and shared a high proportion of polymorphisms with them, consistent with the absence of strong bottlenecks or high levels of gene flow between them. Efficient crosses are an essential tool for plant research and breeding. Three different crossing methods (open pollination, hot water emasculation and hand emasculation) were evaluated for their efficiency and validated with low cost genetic markers. We identified controlled growth conditions for amaranth that allow short generation times of only six weeks instead of six months. All three crossing methods successfully produced offspring, but with different success rates. Open pollination had the lowest (10%) and hand emasculation the highest success rate (74%). Hot water emasculation showed an intermediate success rate (26%), but high maximum of 94%. Additionally, this method is easy to perform and suitable for large-scale hybrid production. Eleven PCR-based SNP markers were found to be sufficient for intra- and interspecific hybrid identification. Despite the very small flowers, amaranth crosses can be carried out efficiently and verified with inexpensive SNP markers with short generation times under suitable conditions. The phylogeny and population genetic analysis suggest that amaranth domestication was incomplete. Gene flow from A. quitensis into A. caudatus might have prevented the fixation of domestication related alleles. The genus phylogeny and the over 200 genotyped accessions in this work provide the largest genomic resource for amaranth so far.

Die Gattung Amaranthus besteht aus 50 bis 70 Arten und beinhaltet mehrerer Kultur- und Unkrautarten. Die drei Körneramarantarten, A. caudatus, A. cruentus und A. hypochondriacus, haben einen hohen Proteingehalt und sind glutenfrei. In dieser Arbeit wurden drei Hauptthemen der Amarantgenetik untersucht: Erstens, die evolutionäre Verwandtschaft aller Amarantarten, zweitens, das Domestikationssyndrom von südamerikanischem Körneramarant und drittens, Kreuzungsmethoden und kontrollierte Wachstumsbedingungen für die Amarantzüchtung. Die Gattung wurde taxonomisch in drei Untergattungen, A. Amaranthus, A. Albersia und A. Acnida, unterteilt. Gemeinsam mit ihren beiden wilden Verwandten, A. hybridus und A. quitensis, bilden die drei Körneramarantarten den Hybridus-Artenkomplex. Um die Phylogenie der Gattung Amaranthus zu bestimmen und die wilden Vorfahren von Körneramarant zu finden, wurden 94 Genbankakzessionen, die 35 Arten repräsentieren, mit Genotyping-by-Sequncing (GBS) genotypisiert. Weiterhin wurde die Genomgrößen der verschiedenen Arten durch Durchflusszytometrie bestimmt. Die Analyse der Genomgrößenevolution von Amaranthus ergab, dass mit Ausnahme von zwei Abstammungslinien Polyploidisierung nur eine untergeordnete Rolle in der Geschichte der Gattung spielte. Ein distanzbasierter phylogenetischer Baum der einzelnen Akzessionen und ein Artenbaum auf Basis der Multispezieskoaleszenz wurden konstruiert. Beide Phylogenien unterstützen die vorherige Einteilung der Untergattungen, jedoch ist A. Acnida in zwei voneinander entfernte Gruppen unterteilt. Die Analyse des Hybriduskomplexes konnte Einblick in die Domestikationsgeschichte von Körneramarant geben. Der Komplex war gut von den anderen Arten der A. Amaranthus Untergattung unterscheidbar, gruppierten die Individuen innerhalb des Komplexes aber stärker nach ihrer geographischen Herkunft als nach ihrer Artenzugehörigkeit. Es sieht danach aus, dass die drei Körneramarantarten von geographisch distanzierten Abstammungslinien von A. hybridus abstammen und A. quitensis direkt oder indirekt in die Domestikation von A. caudatus involviert war. Die Domestikationsgeschichte von Körneramarant ist noch immer unklar und scheint komplex, da das Domestikationssyndrom, welches Kulturpflanzen von ihren wilden Vorfahren unterscheidet, bei Amarant nur schwach ausgeprägt ist. Das Domestikationssyndrom von südamerikanischem Körneramarant (A. caudatus) wurde durch die Charakterisierung der genetischen und phänotypischen Diversität in A. caudatus und den beiden potentiellen Vorfahren, A. hybridus und A. quitensis, untersucht. Um das evolutionäre Verhältnis der drei Arten zu untersuchen, wurden 119 Akzessionen aus der Andenregion analysiert. Darüber hinaus wurden zwei Domestikationsmerkmal, Samengröße und Samenfarbe, verglichen. Keine der Akzessionen der wilden Arten hatte weiße Samen, während die meisten A. caudatus Individuen weiße Samen hatten. Es gab jedoch auch A. caudatus Individuen mit dunklen Samen. Die Samengröße unterschied sich nicht signifikant zwischen den Arten, obwohl eine Gruppe bolivianischer A. caudatus Individuen signifikant größere Samen hatte als die anderen Gruppen. Die genetische Analyse zeigte, dass A. caudatus stark von seinen wilden Verwandten differenziert war. Die beiden wilden Arten gruppierten sich allerdings stärker nach ihrer Herkunft aus Peru und Ecuador als nach ihrer Artenzugehörigkeit. Erstaunlicherweise war die genetische Diversität bei A. caudatus höher als bei seinen beiden nahen Verwandten, was auf einen fehlenden genetischen Flaschenhals oder ein hohes Maß an Genfluss hinweist. Effiziente Kreuzungen sind essentiell für die Pflanzenforschung und –züchtung. Deshalb wurden drei unterschiedliche Kreuzugsmethoden (Offene Bestäubung, Heißwasseremaskulierung und Handemaskulierung) auf ihre Effizienz getestet und die Nachkommen mit genetischen Markern validiert. Zusätzlich entwickelten wir kontrollierte Wachstumsbedingungen für Amarant die, die Generationszeit von sechs auf zwei Monate heruntersetzt. Alle drei Kreuzungsmethoden führten zu erfolgreichen Kreuzungen, aber mit unterschiedlichen Erfolgsraten. Offene Bestäubung hatte mit durchschnittlich 10% die geringste Erfolgsrate, während Handemaskulierung mit 74% die höchste Erfolgsrate hatte. Heißwasseremaskulierung hatte zwar eine mittlere durchschnittliche Erfolgsrate (26%), jedoch eine maximale Erfolgsrate von 94%. Die elf PCR-basierten SNP Marker waren ausreichend, um sowohl intra- als auch interspezifische Hybride zu identifizieren. Trotz der kleinen Blüten können Amarantkreuzungen effizient erzeugt werden und mit kostengünstigen genetischen Markern identifiziert werden. Die Phylogenie und die populationsgenetische Analyse weisen darauf hin, dass die Domestikation von Amarant unvollständig war. Genfluss aus A. quitensis in A. caudatus könnte die Fixierung von Domesikationsallelen verhindert haben.