Allozyme Diversity and Morphometrics of Melocactus paucispinus (Cactaceae) and Evidence for Hybridization with M. concinnus in the Chapada Diamantina, North-eastern Brazil

• Background and Aims Melocacatus paucispinus (Cactaceae) is endemic to the state of Bahia, Brazil, and due to its rarity and desirability to collectors it has been considered threatened with extinction. This species is usually sympatric and inter-fertile with M. concinnus, and morphological evidence for hybridization between them is present in some populations. Levels of genetic and morphological variation and sub-structuring in populations of these species were assessed and an attempt was made to verify the occurrence of natural hybridization between them. • Methods Genetic variability was surveyed using allozymes (12 loci) and morphological variability using multivariate morphometric analyses (17 vegetative characters) in ten populations of M. paucispinus and three of M. concinnus occurring in the Chapada Diamantina, Bahia. • Key Results Genetic variability was low in both species (P = 0·0-33·3, A = 1·0-1·6, He = 0·000-0·123 in M. paucispinus; P = 0·0-25·0, A = 1·0-1·4, He = 0·000-0·104 in M. concinnus). Deficit of heterozygotes within the populations was detected in both species, with high values of FIS (0·732 and 0·901 in M. paucispinus and M. concinnus, respectively). Evidence of hybridization was detected by the relative allele frequency in the two diaphorase loci. High levels of genetic (FST = 0·504 in M. paucispinus and 0·349 in M. concinnus) and morphological (A = 0·20 in M. paucispinus and 0·17 in M. concinnus) structuring among populations were found. • Conclusions The Melocactus spp. displayed levels of genetic variability lower than the values reported for other cactus species. The evidence indicates the occurrence of introgression in both species at two sites. The high FST values cannot be explained by geographical substructuring, but are consistent with hybridization. Conversely, morphological differentiation in M. paucispinus, but not in M. concinnus, is probably due to isolation by distanc

AGRICULTURA DE PRECISÃO: BENEFÍCIOS, DESAFIOS E PERSPECTIVAS

A procura pela automatização de processos e facilitação dos trabalhos está presente em nossa sociedade há muitotempo. Desde a Primeira Revolução Industrial nossa sociedade passou a desenvolver tecnologias e ferramentasvisando alcançar produções em massa; embora tenha gerado alguns impactos negativos, também trouxe consigodiversos avanços tecnológicos, os quais hoje nos possibilitam continuar desenvolvendo inovações que otimizamcada vez mais nossas atividades. Nos últimos anos, a busca por inovações e o aprimoramento das tecnologiasligadas a automação e digitalização se tornaram ainda mais comuns, dando origem ao conceito das tecnologias 4.0.Embora por muito tempo tenham sido associadas ao setor industrial, podem também ser implementadas no setoragrícola, que hoje representa grande parte do balanço comercial brasileiro. As aplicações dessas tecnologias naagricultura podem ser chamadas de agricultura 4.0 ou também agricultura de precisão. Diante do crescimentopopulacional, da alta demanda por alimentos e da busca pela preservação e redução do uso de insumos, aagricultura de precisão surge com o objetivo de aumentar a produtividade, a qualidade dos produtos e usar deforma consciente os recursos naturais, como utilização de menos fertilizantes e a redução do uso da água, que seapresenta como um grande problema no setor agrícola. Embora a agricultura de precisão traga benefícios, aindaexistem dificuldades em sua aplicação que precisam ser solucionadas como o alto custo das tecnologias, a falta decapacitação dos pequenos agricultores no uso dessas inovações e a baixa conectividade nas áreas rurais. A pesquisatem como objetivo: identificar as vantagens decorrentes do seu uso, apontar desafios que surgem na suaimplementação ou até mesmo antes dela, apresentar perspectivas em relação a sua utilização e tecnologias jáexistentes. O desenvolvimento do trabalho foi feito a partir de revisões bibliográficas e pesquisas sobre o presentetema, foram utilizados artigos publicados de 2018 a 2023

Biossistematica de especies rupicolas de Pleurothallis (Orchidaceae) ocorrentes em campos rupestres brasileiros : aspectos reprodutivos, geneticos, fitoquimicos, morfologicos e taxonomicos

Orientadores : João Semir, Vera Nisaka SolferiniTese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: Foi realizado um estudo biossistemático com um grupo de espécies brasileiras rupícolas de Pleurothallis (Orchidaceae) ocorrentes em campos rupestres, caracterizadas por possuirem folhas aproximadamente cilíndricas, e espécies afins. Foram estudadas no total 24 populações de 16 localidades dos estados de Minas Gerais, Bahia, Pernambuco e Rio de Janeiro, sendo abordado taxonomia, caracterização química de alcalóides, genética de populações utilizando isozimas, biologia floral, sistemas de reprodução, análise morfométrica multivariada e análise filogenética utilizando dados macromoleculares. Foram considerados cinco taxa específicos: Pleurothallis teres Lindl., P. johannensis Barb. Rodr., P. fabiobarrosii Borba & Semir, P. adamantinensis Brade e P. ochreata Lindl. Uma nova espécie, P. fabiobarrosii, foi aqui estabelecida. Pleurothallis johannensis, considerada em trabalhos anteriores como sinônimo de P. rupestris Lindl., foi re-estabelecida, sendo esta última sinonimizada sob P. teres. Pela circunscrição das espécies por nós aqui adotada, a distribuição destas foi determinada como P. johannensis ocorrendo nos campos rupestres do sul de Minas Gerais não pertencentes à Cadeia do Espinhaço, ao longo da Bacia do Rio Grande, P. teres ocorrendo nos campos rupestres do centro e centronorte da Cadeia do Espinhaço em Minas Gerais, e com algumas populações disjuntas em afloramentos de granito do Rio de Janeiro e Espírito Santo, P. adamantinensis e P. fabiobarrosii com respectivamente apenas duas ou três populações conhecidas no centro-norte e norte da Cadeia do Espinhaço em Minas Gerais, P. ochreata com ampla distribuição na região Nordeste, especialmente na Bahia, e apenas uma população ocorrendo na região Sudeste, no norte de Minas Gerais. Resultados dos estudos de isozimas, fitoquímica, análise morfométrica multivariada e biologia floral sustentam esta delimitação das espécies. Baseado em diferenças morfológicas de caracteres vegetativos, diferenças químicas e localização geográfica, foi descrita uma nova subespécie, P. ochreata subsp. cy/indrifolia Borba & Semir, para aquela única população da espécie ocorrente em Minas Gerais. A categoria subespecífica ao invés de específica é reforçada pela ausência de diferenciação em caracteres florais, pela similaridade genética e pelos resultados de biologia reprodutiva das populações de P.ochreata. Flores e folhas de todas as espécies apresentam dois isômeros do alcalóide 1-hidróxi-metil-pirrolizidina, com populações de P. ochreata e P. teres disjuntas da área core de distribuição das espécies constituindo quimiótipos diferenciados por apresentar uma inversão na abundância relativa dos isõmeros em relação às outras populações conspecificas. As cinco espécies são polinizadas por Diptera das famílias Chloropidae e Phoridae, com todas as populações conspecíficas sendo polinizadas pelas mesmas uma ou duas espécies de moscas, apresentando uma inesperada alta especificidade. Flores de P. johannensis e P. fabiobarrosií não possuem néctar e apresentam um mecanismo de engodo do polinizador, sendo polinizadas por fêmeas de Tricimba sp. (Chloropidae) que chegam a ovipor nas flores. Flores das outras três espécies produzem néctar, sendo P. teres e P. ochreata polinizadas por Megaselia spp. (Phoridae) e P. adamantinensis por Hippelates sp. (Chloropidae). Não ocorre sobreposição na distribuição geográfica das espécies atraindo as mesmas espécies de polinizadores, sendo o isolamento reprodutivo mantido principalmente por barreiras pré-polinização, uma vez que todas as espécies são intercompatíveis e florescem em sincronia. Foi observada uma forte correlação entre as três guildas de polinizadores e morfologia floral, com os pares de espécies P. johannensis-P. fabiobarrosii e P. teres-P. ochreata apresentando uma elevada similaridade nos caracteres florais. Porém esta similaridade não é refletida nos caracteres vegetativos, onde diferentes pares de espécies com elevada similaridade são formados, P. teres-P. johannensis e P. fabiobarrosii-P. ochreata. Esta similaridade vegetativa é refletida na similaridade genética baseada em isozimas, e é sugerido que a similaridade floral nestes pares de espécies seja devido a convergência em espécies com mecanismos de polinização similares e que radiação possa ter ocorrido em espécies mais relacionadas devido a atração de diferentes espécies de polinizadores. Resultados de análise filogenética utilizando sequências de ITS de DNA ribossomal nuclear sustentam em parte estas hipóteses, porém a diferenciação entre as espécies é muito baixa para uma análise conclusiva. Estes resultados indicam que caracteres vegetatívos possam ser melhor indicadores de relações filogenéticas do que caracteres florais neste grupo, assim como tem sido observado para outros grupos de orquídeas.Todas as populações estudadas das cinco espécies apresentam uma elevada variabilidade genética baseada em isozimas, com valores próximos ao limite superior encontrado anteriormente para espécies vegetais, apesar de serem polinizadas por espécies de moscas exibindo comportamento que favorece a autopolinização. Porém, estas espécies também apresentam auto-incompatibilidade parcial, característica incomum em Orchidaceae, e elevada depressão endogâmica. ._ sugerido que esta auto-incompatibilidade, associada à depressão endogâmica e barreiras mecânicas à auto-polinização, seja responsável pela manutenção destes elevados valores de variabilidade genética nas populações. Foi observada uma relativamente reduzida diferenciação genética entre populações conspecíficas das quatro espécies de distribuição menos ampla. Estes resultados também são inesperados, levando em consideração que espécies de moscas normalmente voam distâncias curtas, favorecendo o isolamento reprodutivo e consequentemente diferenciação das populações. Apenas uma população de P. teres apresentou uma elevada diferenciação genética em relação às demais populações conspecíficas, ocorrendo disjunta da área core de distribuição da espécie, no estado do Rio de Janeiro, e tendo também se diferenciado quimicamente. Por outro lado, P. ochreata, a espécie de distribuição mais ampla, apresentou uma estruturação genética relativamente elevada. Nenhuma correlação foi observada entre variabilidade genética e variabilidade morfológica e na maneira como estas encontram-se distribuídas entre as populações conspecíficas. Também não foi observada nenhuma correlação entre variabilidade genética nas populações e percentual de frutificação em cruzamentos experimentais e entre similaridade genética e potencialidade de hibridização entre as cinco espéciesAbstract: We carried out a biosystematic study within a group of rupicolous Pleurothallis (Orchidaceae) species occurring in the Brazilian campo rupestre vegetation, characterized by having nearJy cylíndrical leaves, and related species. We studied 24 populations from 16 localities ín Minas Gerais, Bahia, Pernambuco and Rio de Janeiro states. This study comprised taxonomy, chemical characterization of alkaloids, population genetics using isozymes, floral biology, mating systems, multivariate morphometric analysis, and phylogenetic analysis using macromolecular data. We considered tive specitic taxa: P. teres Lindl., P. johannensís Barb. Rodr., P. fabíobarrosií Borba & Semir, P. adamantínensís Brade e P. ochreata Lindl. A new species, P. fabíobarrosií, was described here. P/eurothallís johannensís, a species considered formerly as synonymous with P. rupestris Lindl., was considered here as a distinct species, and the later was synonymized with P. teres. According to the species delimitation adopted, their distribution was determined as P. johannensis occurring in the south of Minas Gerais state, along the Grande river basin, in a campo rupestre vegetation that does not belong to the Espinhaço range, P. teres occurrring in the campos rupestres belonging to the Espinhaço range, in the center and center-north of Minas Gerais and with some disjunct populations in Rio de Janeiro and Espírito Santo states, P. adamantinensís and P. fabiobarrosíi, respectively, with two or three populations known in the center-north and north of Espinhaço range in Minas Gerais, P. ochreata presenting a wide distribution in Northeast region, mainly in Bahia state, and only one population known in Southeast region, in the north of Minas Gerais. The results of ísozymes, phytochemistry, morphometry and floral biology support the delimitation proposed here. Based on the morphology of vegetative traits, chemical differentiation and geographical distribution, a new subspecies was described here for the only population of P/eurothallís ochreata occurring in Minas Gerais, P. ochreata subsp. cy/índrifo/ia Borba & Semir. Absence of differentiation in floral characters, the genetic similarity, and the reproductive biology results support the argument for subspecific rather than specific status. Flowers and leaves of ali species present two diasteroisomers of the alkaloid 1-hydroxymethylpyrrolizidine. The populations of P. teres and P. ochreata occurring disjunct of the core area distribution of the species present an inversion of the most abundant isomer in relation to the other conspecific populations, constituting differentiated chemotypes. The tive species are pollinated by Dipteran belonging to the Chloropidae and Phoridae families, with ali conspecitic population being pollinated by the same one or two fly species, presenting an unexpected high speciticity. Flowers of P. johannensis and P. fabiobarrosii do not have nectar, attracting the pollinator by allurement, females of Tricimba sp. (Chloropidae) that lay their eggs in the flowers. Flowers of the other three species present nectar, P. teres and P. ochreata being pollinated by Megaselía spp. (Phoridae) and P. adamantinensís being pollinated Hippelates sp. (Chloropidae). There is no overlap in the distribution of Pleurothallis species that shared pollinators, and hybridization is prevented maínly by pre-pollination barriers as ali of them are potentially interfertile and flower in synchrony. There is strong correlation between the three pollinators guilds and floral morphology, with the pairs of species P. johannensis-P. fabiobarrosii and P. teres-P. ochreata presenting high similarity in floral traits. However, this similarity is not in agreement with vegetative traits, in which different pairs of species with high similarity are formed, P. teres-P. johannensis and P. fabiobarrosi;-P. ochreata. This vegetative similarity is in agreement with genetic similarity based on isozyme data. We suggest that floral similarity in these pairs of species is due to convergence in species presenting similar pollination mechanisms and that radiation may have occurred in closely related species attracting different pollinator species. Results of phylogenetic analysis using DNA sequencing data from IT5 support these hypotheses at some extent, however the low variation observed does not allow a conclusive analysis. These results indicate that vegetative characters may be better indicators of phylogenetic reJationships than floral characters in this group, a conclusion that has been found for other orchid species groups. Ali populations studied of the tive species have a high genetic variability baed on isozymes, presenting values near of the maximum known for plant species, in spite of being pollinated by flies which behavior enables self-pollination. However, these species present partial self-incompatibility, an uncommom trait in Orchidaceae, and high inbreeding depression. We suggest that the partial self-incompatilibility, associated to inbreeding depression and mechanical barriers to self-pollination, is responsible for the maintainance of this high genetic variability in these populations. We found a relatively Jow genetic differentiation in the conspecifíc populations of the four species with smallest geographical distribution. This result is also unexpected, taking in consideration that fIy species usuaJly fIy short distances, enabling reproductive isoJation and consequently population differentiation. Only one population of P. teres presented high genetic differentiation compared to the other conspecific populations, occurring disjunct of the core area of distribution of the species. Conversely, P. ochreata, the species with widest geographical distribution, presented a relatively high genetic structuration. We found no significant correlation between genetic and morphological variability nor in the way this variability is distributed among conspecific populations. We did also find no significant correlation between genetic variability in populations and fruit set in experimental crosses as well as between genetic similarity and crossing potential among the five speciesDoutoradoDoutor em Biologia Vegeta

Estudo biossistematicos em tres especies de Bulbophyllum Thouars (Orchidaceae) ocorrentes nos campos rupestres brasileiros

Orientadores: Graziela Maciel Barroso, João SemirDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de BiologiaResumo: Foram estudadas a biologia floral e a fenologia das orquídeas Bulbophyllum weddellii (Lindl.) Rchb. f. e B. involutum Borba, Semir & F.Barros (inéd.), na Serra do Cipó, Santana do Riacho-MG, e B. ipanemense Hoehne, na Serra de Camargos, Nazareno-MG. As três espécies são polinizadas exclusivamente por fêmeas de Pholeomyia (Diptera: Milichiidae) com um alto grau de especificidade, provavelmente atraídas por instinto de oviposição. Nas três espécies investigadas, ventos com velocidade entre 1,5 e 2,0m/s são necessários para que ocorra a polinização, balançando o labelo e prendendo o inseto na coluna. Este mecanismo parece ter evoluído em áreas abertas, tais como os campos rupestres onde elas ocorrem. A taxa de frutificação é muito baixa, variando entre 3 a 8%, devido à falta de constância destas moscas, apesar da taxa de remoção de políneas ser alta. Herbivoria elevada e infrequência na floração também contribuem para o baixo sucesso reprodutivo destas espécies. Porém, como elas estão sob escassez de recursos, baixa frutificação pode ser adaptativa por garantir sobrevivência e reprodução futura, existindo mecanismos assegurando que os raros casos de reprodução sexuada sejam através de polinização cruzada. Logo após o polinário ser removido da antera de B. involutum e B. ipanemense, espécies estreitamente relacionadas, este possui aproximadamente o dobro do diâmetro da entrada da cavidade estigmática. São necessários de 105 a 135 minutos em média para que o polinário diminua em tamanho e possa ocorrer a polinização, com apenas a largura reduzindo significativamente. Como os polinizadores destas espécies permanecem alguns minutos na mesma flor após a remoção das políneas, este mecanismo, ainda não conhecido nas Orchidaceae, é muito importante em evitar a autopolinização. Em B. weddellii, este mecanismo não ocorre, e o polinizador não possui este comportamento de permanecer na flor após a remoção das políneas. O menor diâmetro da cavidade estigmática em B. involutum diminui em 50% as chances de polinizações interespecíficas com B. weddellii, podendo o cruzamento ocorrer em apenas uma direção. Isto é importante em ajudar a assegurar o isolamento entre estas duas espécies, que são simpátricas, florescem no mesmo período e possuem os mesmos polinizadores. Foram realizadas, experimentalmente, autopolinizações, polinizações cruzadas intraespecíficas e interespecíficas nas três espécies. Todas elas são autocompatíveis, sendo necessária a ocorrência de polinização por um vetor para o desenvolvimento de frutos. Em todos os tipos de cruzamentos ocorre uma elevada taxa de aborto de frutos e formação de sementes sem embrião, sendo estes mais elevados nos cruzamentos interespecíficos envolvendo B. weddellii. Cruzamentos entre as espécies próximas, B. involutum e B. ipanemense, fornecem valores de frutificação e viabilidade de sementes semelhantes aos cruzamentos intraespecíficos. Estes resultados concordam com hipóteses correntes sobre potencialidade de cruzamento interespecífico representando filogenia das espécies envolvidas. Exame dos tubos polínicos e dos frutos abortados indicam que uma série de fatores podem estar envolvidos no grande número de aborto de frutos e sementes sem embrião. A baixa fertilidade entre B. weddellii e B. involutum é importante para a manutenção do isolamento entre estas espécies. Os dados obtidos de biologia reprodutiva fornecem subsídios para a separação de Bulbophyllum involutum como uma espécie própria, que é aqui descrita pela primeira vez. Comparações com as espécies proximamente relacionadas, B. warmingianum Cogn. e B. ipanemense, são apresentadas. Bulbophyllum xcipoense Borba & Sem ir, um híbrido natural entre B. weddellii e B. involutum, ocorrente na Serra do Cipó, é descrito e sua biologia reprodutiva estudada. Uma série de barreiras fracas entre estas duas espécies, que quando somadas fornecem um forte isolamento, contribui para a extrema raridade do híbrido e consequentemente para a manutenção do status das espécies parentais. O híbrido atrai os mesmos polinizadores dos parentais e se localiza dentro da população de B. weddellii, o que pode causar introgressão. Porém, o híbrido possui um alto grau de esterilidade ou autoincompatibilidade, e características do labelo fazem com que a polinização seja ineficiente. Devido à localização do híbrido e à apenas unidirecionalidade do cruzamento entre os parentais, presume-se que este híbrido tenha-se originado pela doação de pólen de um indivíduo de B. involutum. As possíveis consequências deste evento de hibridização nas espécies parentais e no estabelecimento de uma nova espécie são discutidasAbstract: The floral biology and phenology of the orchids Bulbophyllum weddellii (Lindl.) Rchb. f. and B. involutum Borba, Semir & F.Barros (unpubl.), in Serra do Cipó, Santana do Riacho, and B. ipanemense Hoehne, in Serra de Camargos, Nazareno, both located in Minas Gerais state, Southeastern Brazil, were studied. The three species are pollinated exclusively by females of Pholeomyia (Diptera: Milichiidae) with a high degree of specificity, probably attracted by oviposition instincts. In ali species, a successful pollination requires winds with a speed of 1.5 to 2.0m/s to shake the labellum until the insect is glued to the column. This mechanism is known in the genus only for these species, and seems to have evolved in open areas such as the "campos rupestres" where they occur. In spite of the high rate of pollinia removal, fruit set is very low (3 to 8%) due to the lack of constancy of the flies. High levels of herbivory and infrequent flowering also contribute to the low reproductive success of these species. This stated, reduced fructification could be interpreted as adaptive, granting survival and future reproduction in their resource-poor environment. In the few cases where sexual reproduction occurs, cross pollination is practically granted through specific mechanisms. Immediately after its removal from the anther, the pollinarium of the closely related species B. involutum and B. ipanemense has approximately double the width of the stigmatic cavity entrance. The pollinarium takes about 105 to 135 minutes to reduce in size enough for pollination to occur, and only the width is reduced significantly. Because the flies stay for up to 12 minutes in the flower after removing the pollinia, this previously unknown mechanism in Orchidaceae is very important in preventing self-pollination. In B. weddellii this mechanism does not occur, and the pollinator does not remain in the fIower after pollinia removal. The smaller diameter of the stigmatic cavity in B. involutum reduces in 50% the chances of interspecific pollination with B. weddellii, so that crossing is unidirectional. This is important to help ensure the isolation between these two species, which are sympatric, bloom at the same time and share the same pollinators. Experiments of self-pollination, intra and interspecific cross-pollination were done for the three species. Ali of them proved to be self-compatible, and the occurrence of pollinator is necessary for fruit development. Ali crossings are caracterized by a high rate of fruit abortion and development of seeds without embryo, and they are highest in the interspecific crossings involving B. weddellii. Crossings between the related species B. involutum and B. ipanemense result in values of fruit set and seed viability similar to intraspecific crossings. These results agree with current hypotheses on interspecific crossings potential reflecting the phylogeny of the species involved. Examination of pollen tubes and aborted fruits show that a series of factors such as low pollen germination, incompatibility reactions, and embryo abortion because of lethal recessive alleles may be the cause of the great number of fruit abortions and seeds lacking embryos. The low fertility of crossings between B. weddellii and B. involutum is important to maintain the isolation of these species. The reproductive biology data provide support for the separation of B. involutum as a good species, which is described here for the first time. Comparisons with the closely related species B. warmingianum Cogn. and B. ipanemense are made. A natural hybrid between B. weddellii and B. involutum occurring in Serra do Cipó, B. xcipoense Borba & Semir, is described and its reproductive biology studied. A system of filters, in which a combination of weak barriers between these two species result in a strong isolation, contributes to the extreme rarity of the hybrid and consenquently to the status maintenance of the parental species. The hybrid attracts the same pollinators as the parents and is located within the B. weddellii population, which may cause introgression. However, the hybrid has a high levei of sterility or self-incompatibility, and labellum characteristics make pollination inefficient. Due to the location of the hybrid and the unidirectional crossing between the parents it is assumed that this hybrid has originated from pollen donation by B. involutum. The possible consequences of this hybridization event for the parental species and in the establishment of a new species are discussed.MestradoBiologia VegetalMestre em Ciências Biológica