Genetic diversity and population structure of Vriesea reitzii (Bromeliaceae), a species from the Southern Brazilian Highlands

The Southern Brazilian Highlands are composed by a mosaic of Mixed Ombrophilous Forest (MOF) and grassland formations, an interesting landscape for the study of population structure. We analyzed the genetic diversity within and among populations of the MOF-endemic bromeliad Vriesea reitzii by genotyping seven nuclear microsatellite loci in 187 individuals from six populations. We characterized levels of genetic diversity and assessed the genetic structure among populations. Vriesea reitzii populations showed high levels of genetic variation (number of alleles 28 - 43, allelic richness 3.589 - 5.531) and moderate levels of genetic differentiation (FST = 0.123, RST = 0.096). The high levels of genetic diversity may be explained by species life-history traits, such as habit and mating system. The moderate structure may be a product of the combination of ancient and contemporary gene flow, resulting from the expansion of the forest in the Holocene, and/or due to facilitated dispersal mediated by the MOF’s mosaic landscape. The genetic results indicated no imminent threat to this bromeliad. However, the species is highly associated with the MOF, putting landscape conservation at the center of conservation efforts for the species’ maintenance

Development, characterization, and transferability of SSR markers for Vriesea carinata (Bromeliaceae) based on RNA sequencing

Premise of the Study: Expressed sequence tag–simple sequence repeat (EST-SSR) markers were isolated for Vriesea carinata, an endemic bromeliad from the Brazilian Atlantic Forest. These SSR loci may be used to investigate the genetic diversity and population structure of this species and related bromeliads. Methods and Results: Based on the transcriptome data of V. carinata, 30 primer pairs were designed and selected for initial validation. Of these primer pairs, 16 generated suitable SSR loci in 69 individuals. The number of alleles per locus ranged from one to 13; the levels of observed and expected heterozygosity per locus ranged from 0.000 to 1.000 and from 0.000 to 0.935, respectively. All loci produced heterologous amplification. Transferability of the loci was tested in 15 species belonging to three Bromeliaceae subfamilies. Conclusions: The developed EST-SSR markers revealed polymorphism in the four studied populations and could be useful to investigate the genetic diversity of V. carinata and related species. The markers may also be suitable for novel gene annotation and discovery

Especiação e diversidade genética no subgênero Ortgiesia (Aechmea, Bromeliaceae)

Aechmea subgênero Ortgiesia apresenta 17 espécies, distribuídas no sul e sudeste do Brasil, Argentina, Paraguai e Uruguai. São espécies epífitas, rupícolas ou terrestres, ocorrendo desde o nível do mar até altas altitudes. Ortgiesia é um grupo característico da Mata Atlântica, região considerada um dos centros de diversidade para a família Bromeliaceae. O relacionamento interespecífico em Ortgiesia é pouco compreendido, assim como a distribuição da diversidade genética entre e dentro das espécies. Com o objetivo de contribuir para o entendimento dos processos responsáveis pela diversificação em Ortgiesia e pelo padrão de distribuição da variação genética, o presente estudo foi realizado, sendo dividido em quatro capítulos. No capítulo II o relacionamento interespecífico de Ortgiesia foi investigado utilizando marcadores moleculares AFLP (“Amplified Fragment Length Polymorphisms”). A evolução de caracteres morfológicoschave foi acessada, e padrões biogeográficos e a importância da hibridação para a evolução do subgênero foram discutidos. Três grupos genéticos principais de espécies proximamente relacionadas foram detectados, que de uma maneira geral puderam ser caracterizados pela cor das flores. Cor de pétala foi confirmada como um bom caratere taxonômico a ser usado na distinção de espécies dentro de Ortgiesia, enquanto tipo e forma da inflorescência mostrou-se homoplásico. O sul da Mata Atlântica foi considerado o centro de diversidade para Ortgiesia enquanto hibridação parece ser um fator importante na evolução do grupo. No capítulo III a diferenciação genética entre espécies de Ortgiesia com pétalas amarelas foi investigada, usando marcadores plastidiais e o gene nuclear phyC. Compartilhamento de haplótipos foi observado tanto no genoma nuclear como no plastidial. Os resultados sugerem que eventos de hibridação e separação incompleta das linhagens (polimorfismo ancestral) podem ser responsáveis pelo compartilhamento de haplótipos entre as linhagens de Ortgiesia. Ainda, nesse capítulo, áreas com maior diversidade genética foram identificadas no norte do estado de Santa Catarina, que podem ser consideradas como de grande valor evolutivo e conservacionista. Locos de microssatélites para o gênero Aechmea foram isolados pela primeira vez, conforme artigo no capítulo IV, com o objetivo de investigar aspectos da diversidade e estruturação genética de A. caudata e espécies relacionadas. Dez locos foram caracterizados, apresentando alta variação genética. Esses locos também amplificaram com sucesso em outras 21 espécies de bromélias, pertencentes a 12 gêneros, mostrando que serão úteis em estudos com inúmeros membros de Bromeliaceae. No capítulo V foi investigada a estruturação genética em populações de A. calyculata usando marcadores plastidiais, o gene nuclear phyC e microssatélites nucleares. Os resultados detectaram forte estruturação genética entre populações localizadas na Floresta Ombrófila Densa e na Semidescídua. A Mata de Araucária, que separa essas duas formações florestais no sul do Brasil, foi considerada como barreira ao fluxo gênico entre as populações de A. calyculata. A partir dos resultados encontrados na presente tese, foi observada, de uma maneira geral, baixa diferenciação genética interespecífica no subgênero Ortgiesia, apesar do uso de diferentes marcadores moleculares. Esse padrão pode ser explicado pela recente diversificação das linhagens do subgênero, aliado a retenção de polimorfismo ancestral e a ocorrência localizada de eventos de hibridação. O isolamento geográfico e de habitat foram identificados como os principais fatores da diversificação em Aechmea subgênero Ortgiesia.Aechmea subgenus Ortgiesia presents 17 species distributed in south and southeastern Brazil, Argentina, Paraguay, and Uruguay. They are epiphytes, lithophytes, or terrestrials, occurring from sea level to high altitudes. Ortgiesia is a characteristic group from the Brazilian Atlantic rainforest, which is considered one of the diversity centers of family Bromeliaceae. The interspecific relationships in Ortgiesia are poorly understood, as well as the distribution of genetic diversity within and among species. With the objective to contribute to the understanding of the processes underlying the diversification in Ortgiesia and the patterns of genetic diversity distribution, the presented study was conducted and divided in four chapters. In chapter II the interspecific relationships in Ortgiesia were investigated using AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphisms) molecular markers. The evolution of key-morphological characters was examined and their taxonomic value discussed. We also discussed biogeographical patterns as well as the importance of hybridization for Ortgiesia evolution. Three main genetic groups were recovered, which could at broad scale be characterized by flower color. Petal color seems to be a good taxonomic character to be used to distinguish Ortgiesia species, while inflorescence type and shape were homoplasic. The southern region of Atlantic rainforest was considered the center of diversity for Ortgiesia and hybridization may have played an important role during the diversification of this group. At chapter III genetic differentiation of yellow flowered Ortgiesia species was investigated by using plastid markers and the nuclear gene phyC. The sharing of haplotypes was observed in both plastid and nuclear genomes. The results suggest that hybridization events and incomplete lineage sorting may be responsible for the haplotype sharing between Ortgiesia lineages. Still, in this chapter we identified areas with high genetic diversity as located at northern Santa Catarina state, which may be considered of conservation and evolutionary value. Microsatellite loci for genus Aechmea were isolated for the first time as described in the chapter IV, aiming to investigate genetic diversity and structure of A. caudata and related species. Ten loci were characterized, showing high genetic variation. These loci also amplified in other 21 bromeliads species, belonging to 12 genera, showing that they can be useful as well in other taxa of Bromeliaceae. In the chapter V the genetic structure of A. calyculata populations was assessed using plastid markers, phyC gene, and nuclear microsatellites. The results detected strong genetic differentiation between populations located at the ombrophilous and semi-deciduous forest. Araucaria forest, which separates these two forest formations in south Brazil, was considered as a barrier to gene flow between A. calyculata populations. The results obtained in the presented thesis showed shallow genetic interspecific differentiation in subgenus Ortgiesia, despite the use of different molecular markers. This pattern could be explained by the recent divergence of the lineages, allied to the persistence of ancestral polymorphism and localized hybridization events. Geographical and habitat isolation were identified as the main factors triggering the diversification process in Aechmea subgenus Ortgiesia

Especiação e diversidade genética no subgênero Ortgiesia (Aechmea, Bromeliaceae)

Aechmea subgênero Ortgiesia apresenta 17 espécies, distribuídas no sul e sudeste do Brasil, Argentina, Paraguai e Uruguai. São espécies epífitas, rupícolas ou terrestres, ocorrendo desde o nível do mar até altas altitudes. Ortgiesia é um grupo característico da Mata Atlântica, região considerada um dos centros de diversidade para a família Bromeliaceae. O relacionamento interespecífico em Ortgiesia é pouco compreendido, assim como a distribuição da diversidade genética entre e dentro das espécies. Com o objetivo de contribuir para o entendimento dos processos responsáveis pela diversificação em Ortgiesia e pelo padrão de distribuição da variação genética, o presente estudo foi realizado, sendo dividido em quatro capítulos. No capítulo II o relacionamento interespecífico de Ortgiesia foi investigado utilizando marcadores moleculares AFLP (“Amplified Fragment Length Polymorphisms”). A evolução de caracteres morfológicoschave foi acessada, e padrões biogeográficos e a importância da hibridação para a evolução do subgênero foram discutidos. Três grupos genéticos principais de espécies proximamente relacionadas foram detectados, que de uma maneira geral puderam ser caracterizados pela cor das flores. Cor de pétala foi confirmada como um bom caratere taxonômico a ser usado na distinção de espécies dentro de Ortgiesia, enquanto tipo e forma da inflorescência mostrou-se homoplásico. O sul da Mata Atlântica foi considerado o centro de diversidade para Ortgiesia enquanto hibridação parece ser um fator importante na evolução do grupo. No capítulo III a diferenciação genética entre espécies de Ortgiesia com pétalas amarelas foi investigada, usando marcadores plastidiais e o gene nuclear phyC. Compartilhamento de haplótipos foi observado tanto no genoma nuclear como no plastidial. Os resultados sugerem que eventos de hibridação e separação incompleta das linhagens (polimorfismo ancestral) podem ser responsáveis pelo compartilhamento de haplótipos entre as linhagens de Ortgiesia. Ainda, nesse capítulo, áreas com maior diversidade genética foram identificadas no norte do estado de Santa Catarina, que podem ser consideradas como de grande valor evolutivo e conservacionista. Locos de microssatélites para o gênero Aechmea foram isolados pela primeira vez, conforme artigo no capítulo IV, com o objetivo de investigar aspectos da diversidade e estruturação genética de A. caudata e espécies relacionadas. Dez locos foram caracterizados, apresentando alta variação genética. Esses locos também amplificaram com sucesso em outras 21 espécies de bromélias, pertencentes a 12 gêneros, mostrando que serão úteis em estudos com inúmeros membros de Bromeliaceae. No capítulo V foi investigada a estruturação genética em populações de A. calyculata usando marcadores plastidiais, o gene nuclear phyC e microssatélites nucleares. Os resultados detectaram forte estruturação genética entre populações localizadas na Floresta Ombrófila Densa e na Semidescídua. A Mata de Araucária, que separa essas duas formações florestais no sul do Brasil, foi considerada como barreira ao fluxo gênico entre as populações de A. calyculata. A partir dos resultados encontrados na presente tese, foi observada, de uma maneira geral, baixa diferenciação genética interespecífica no subgênero Ortgiesia, apesar do uso de diferentes marcadores moleculares. Esse padrão pode ser explicado pela recente diversificação das linhagens do subgênero, aliado a retenção de polimorfismo ancestral e a ocorrência localizada de eventos de hibridação. O isolamento geográfico e de habitat foram identificados como os principais fatores da diversificação em Aechmea subgênero Ortgiesia.Aechmea subgenus Ortgiesia presents 17 species distributed in south and southeastern Brazil, Argentina, Paraguay, and Uruguay. They are epiphytes, lithophytes, or terrestrials, occurring from sea level to high altitudes. Ortgiesia is a characteristic group from the Brazilian Atlantic rainforest, which is considered one of the diversity centers of family Bromeliaceae. The interspecific relationships in Ortgiesia are poorly understood, as well as the distribution of genetic diversity within and among species. With the objective to contribute to the understanding of the processes underlying the diversification in Ortgiesia and the patterns of genetic diversity distribution, the presented study was conducted and divided in four chapters. In chapter II the interspecific relationships in Ortgiesia were investigated using AFLP (Amplified Fragment Length Polymorphisms) molecular markers. The evolution of key-morphological characters was examined and their taxonomic value discussed. We also discussed biogeographical patterns as well as the importance of hybridization for Ortgiesia evolution. Three main genetic groups were recovered, which could at broad scale be characterized by flower color. Petal color seems to be a good taxonomic character to be used to distinguish Ortgiesia species, while inflorescence type and shape were homoplasic. The southern region of Atlantic rainforest was considered the center of diversity for Ortgiesia and hybridization may have played an important role during the diversification of this group. At chapter III genetic differentiation of yellow flowered Ortgiesia species was investigated by using plastid markers and the nuclear gene phyC. The sharing of haplotypes was observed in both plastid and nuclear genomes. The results suggest that hybridization events and incomplete lineage sorting may be responsible for the haplotype sharing between Ortgiesia lineages. Still, in this chapter we identified areas with high genetic diversity as located at northern Santa Catarina state, which may be considered of conservation and evolutionary value. Microsatellite loci for genus Aechmea were isolated for the first time as described in the chapter IV, aiming to investigate genetic diversity and structure of A. caudata and related species. Ten loci were characterized, showing high genetic variation. These loci also amplified in other 21 bromeliads species, belonging to 12 genera, showing that they can be useful as well in other taxa of Bromeliaceae. In the chapter V the genetic structure of A. calyculata populations was assessed using plastid markers, phyC gene, and nuclear microsatellites. The results detected strong genetic differentiation between populations located at the ombrophilous and semi-deciduous forest. Araucaria forest, which separates these two forest formations in south Brazil, was considered as a barrier to gene flow between A. calyculata populations. The results obtained in the presented thesis showed shallow genetic interspecific differentiation in subgenus Ortgiesia, despite the use of different molecular markers. This pattern could be explained by the recent divergence of the lineages, allied to the persistence of ancestral polymorphism and localized hybridization events. Geographical and habitat isolation were identified as the main factors triggering the diversification process in Aechmea subgenus Ortgiesia

Filogeografia e diversidade genética de Aechmea caudata (Lindm.) e A. winkleri (Reitz) (Bromeliaceae) : implicações taxonômicas

O Brasil abriga cerca de 50% das espécies de bromélias, sendo o leste brasileiro o centro de diversidade para a subfamília Bromelioideae. Aechmea caudata e A. winkleri são espécies endêmicas da Mata Atlântica, ameaçadas de extinção, fazendo parte de um grupo de difícil delimitação taxonômica do subgênero Ortgiesia. Elas são preferencialmente saxícolas, apresentam flores de pétalas amarelas, com alta taxa de reprodução clonal. Com o objetivo de entender o relacionamento entre A. caudata e A. winkleri, foram realizadas análises filogeográficas, baseadas em microssatélites plastidiais, e análises morfológicas (Capítulo 2). Oitenta e seis indivíduos de A. caudata e 59 de A. winkleri foram amostrados ao longo de toda a distribuição geográfica das espécies, totalizando 13 populações. Os resultados obtidos revelaram o compartilhamento de 12 dos 41 haplótipos detectados e a formação de dois clados distintos, um para cada espécie, a partir das análises morfológicas. Apesar dos resultados obtidos suportarem parcialmente a classificação de A. caudata e A. winkleri como duas espécies distintas, a complexa rede filogeográfica encontrada indica que mais estudos se fazem necessários para o completo entendimento do relacionamento desses taxa. Com a análise dos padrões biogeográficos, duas regiões para A. caudata e uma para A. winkleri foram sugeridas como possíveis refúgios durante as oscilações climáticas do Quaternário. Uma biblioteca de microssatélites nucleares foi construída para a espécie A. winkleri, sendo nove pares de “primers” desenhados (Capítulo 3). Estes marcadores foram testados em 20 indivíduos de quatro populações, porém sem obtenção de um padrão claro e polimórfico de amplificação para nenhum loco. No Capítulo 4, foram descritos os padrões de diversidade genética e estruturação populacional para A. winkleri, utilizando três locos heterólogos de microssatélites nucleares. Foram amostradas quatro populações, totalizando 142 indivíduos. Os resultados indicaram índices de diversidade genética semelhantes aos encontrados para outras espécies de bromélias (HO = 0,556 e HE = 0,630). A riqueza alélica média foi de 3,6 alelos por loco. As populações de A. winkleri apresentaram uma estruturação moderada (FST = 0,082), com um número de migrantes variando entre 1,654 e 4,933 indivíduos por geração. As populações apresentaram desvios significativos do Equilíbrio de Hardy-Weinberg, com um coeficiente de endocruzamento (FIS) médio de 0,152. A conectividade entre as populações, o sistema de cruzamento alógamo e a dispersão das sementes por pássaros podem ser os responsáveis pelos altos índices de diversidade encontrados e pela homogeneização das populações de A. winkleri.Brazil is home to about 50% of bromeliads species and the eastern Brazilian region is the diversity center for the Bromelioideae subfamily. Aechmea caudata and A. winkleri are endemic and endangered species of the Atlantic Rainforest. These species are part of a group with taxonomic delimitation problems of the subgenus Ortgiesia. They are preferably saxicolous having flowers with yellow petals and high clonal reproduction. In order to understand the relationship between A. caudata and A. winkleri, phylogeographic analysis based on plastid microsatellite and morphological analyses were performed (Chapter 2). Eighty-six individuals of A. caudata and 59 of A. winkleri were sampled throughout the geographical distribution range of the species, totaling 13 populations. The results revealed that 12 out of the 41 haplotypes detected were shared between the two species and the morphological analysis indicated the formation of two distinct clades, one for each species. Although the results partially supported the classification of A. caudata and A. winkleri as two distinct species, the complex phylogeographic network found indicates that further studies are necessary for complete understanding of the relationship of these taxa. With the analysis of biogeographical patterns, two regions for A. caudata and one for A. winkleri were suggested as possible refuges during the Quaternary climate change. A library of nuclear microsatellites was constructed for A. winkleri and nine pairs of primers designed (Chapter 3). These markers were tested in 20 individuals from four populations, but without obtain a clear and polymorphic amplification pattern. In Chapter 4, the patterns of genetic diversity and population structure for A. winkleri were described using three heterelogous nuclear microsatellite loci. We sampled four populations, totaling 142 individuals. The results indicated levels of genetic diversity close to others bromeliads species (HO = 0.556 and HE = 0.630). The averaged allelic richness was 3.6 alleles per locus. The populations of A. winkleri showed a moderate structure (FST = 0.082), with a number of migrants ranging from 1.654 to 4.933 individuals per generation. The populations showed significant deviations from Hardy- Weinberg Equilibrium, with an averaged inbreeding coefficient (FIS) of 0.152. The connectivity among populations, the allogamous mating system and seed dispersal by birds may be responsible for the high levels of diversity found and the homogenization of A. winkleri populations

Efeito de extratos de plantas silvestres da família Solanaceae sobre o controle de Brevicoryne brassicae em couve (Brassica oleracea var. acephala) Extracts effect of wild plants of the Solanaceae family on Brevicoryne brassicae control in cabbage (Brassica oleracea var. acephala)

O objetivo principal deste trabalho foi testar o efeito de extratos de plantas silvestres da família Solanaceae disponíveis na região do Vale do Rio Pardo, RS, sobre o pulgão-da-couve (Brevicoryne brassicae), praga agrícola de significativa importância. Nove espécies tóxicas de Solanaceae estão disponíveis na região de estudo: seis pertencem ao gênero Solanum, uma ao gênero Brugmansia e duas são cultivadas e pertencem ao gênero Nicotiana e Capsicum. A fim de determinar a capacidade de repelência e o efeito inseticida, foram testadas as seguintes espécies: B. suaveolens (trombeteira), C. annuum var. variegated (pimenta-de-jardim), N. tabacum var. virginia (fumo), S. aculeatissimum (joá-bravo), S. americanum (erva-moura), S. diflorum (tomatinho), S. fastigiatum var. acicularium (jurubeba), S. fastigiatum var. fastigiatum (jurubeba) e S. sisymbriifolium (arrebenta-cavalo). Para obtenção dos extratos foram utilizadas folhas, flores e frutos aplicando-se duas técnicas distintas de elaboração: decocção do material fresco e extração a frio do material seco. Quanto à capacidade de repelência dos extratos, os tratamentos utilizando material fresco de S. fastigiatum var. acicularium (frutos verdes e maduros, 2,5% e 5% de concentração) e S. diflorum (frutos verdes e maduros, 2,5% e 5% de concentração) demonstraram maior eficácia. Nos testes sobre a biologia do inseto os tratamentos mais eficazes como inseticida foram S. fastigiatum var. fastigiatum e var. acicularium (folhas a 10% de concentração).The objective of this study was to test the effect of plant extracts from Solanaceae available in Vale do Rio Pardo region, RS, on the aphid Brevicoryne brassicae, agricultural pest of significant importance. Nine toxic Solanaceae species are available in the area of study: six are wild belonging to the genus Solanum, one to the genus Brugmansia, and two are cultivated and belong to the genus Nicotiana and Capsicum. To determine the repellency capacity and the insecticide effect, the following species were tested: B. suaveolens (trombeteira), C. annuum var. variegated (pimenta-de-jardim), N. tabacum var. virginia (fumo), S. aculeatissimum (joá-bravo), S. americanum (erva-moura), S. diflorum (tomatinho), S. fastigiatum var. acicularium (jurubeba), S. fastigiatum var. fastigiatum (jurubeba) and S. sisymbriifolium (arrebenta-cavalo). The extracts were obtained from leaves, flowers and fruits applying two different extraction techniques: infusion of fresh material and cold extraction of dry material. Regarding the repellency of the extracts, the treatments using fresh material of S. fastigiatum var. acicularium (green and ripe fruits, 2.5% and 5% concentrations) and S. diflorum (green and ripe fruits, 2.5% and 5% concentrations) had the highest effectiveness. The most effective treatments as insecticides affecting survival and reproduction were S. fastigiatum var. fastigiatum and var. acicularium (leaves, 10% concentration)

Genetic diversity and population structure of Vriesea reitzii (Bromeliaceae), a species from the Southern Brazilian Highlands

The Southern Brazilian Highlands are composed by a mosaic of Mixed Ombrophilous Forest (MOF) and grassland formations, an interesting landscape for the study of population structure. We analyzed the genetic diversity within and among populations of the MOF-endemic bromeliad Vriesea reitzii by genotyping seven nuclear microsatellite loci in 187 individuals from six populations. We characterized levels of genetic diversity and assessed the genetic structure among populations. Vriesea reitzii populations showed high levels of genetic variation (number of alleles 28 - 43, allelic richness 3.589 - 5.531) and moderate levels of genetic differentiation (FST = 0.123, RST = 0.096). The high levels of genetic diversity may be explained by species life-history traits, such as habit and mating system. The moderate structure may be a product of the combination of ancient and contemporary gene flow, resulting from the expansion of the forest in the Holocene, and/or due to facilitated dispersal mediated by the MOF’s mosaic landscape. The genetic results indicated no imminent threat to this bromeliad. However, the species is highly associated with the MOF, putting landscape conservation at the center of conservation efforts for the species’ maintenance