Phylogeny of Tillandsia subgen. Diaphoranthema and evolution of autogamy and polyembryony

Abstract

Tillandsia subgénero Diaphoranthema comprende 28 de las 540 especies de Tillandsia y está dividido en 6 agregados informales basados en la filotaxis, el color de los pétalos y la pubescencia de las brácteas florales. Si bien Diaphoranthema se distribuye ampliamente desde el sur de Estados Unidos hasta el centro de Argentina y Chile, el área geográfica de mayor diversidad específica se halla en el centro y noroeste de Argentina y en Bolivia. Las especies del subgénero son epífitas o saxícolas, habitan generalmente ambientes áridos y semiáridos, y se caracterizan fundamentalmente por sus inflorescencias reducidas y flores inconspicuas. El subgénero Diaphoranthema se plantea como un interesante modelo de evolución de caracteres tanto vegetativos como reproductivos dado que sus especies presentan una alta variación morfológica vegetativa, son comunes las adaptaciones a ambientes xéricos e incluso se ha propuesto que la evolución de este grupo de especies ha sido marcada por procesos neoténicos que condujeron, entre otras cosas, a un acortamiento del ciclo de vida. En cuanto al aspecto reproductivo, la literatura sugiere para el subgénero una fuerte tendencia a la autogamia y a la poliembrionía. Los antecedentes filogenéticos son, en su gran mayoría, estudios moleculares que demuestran un alto grado de homogeneidad molecular dentro de Tillandsia. El único estudio filogenético a partir de datos morfológicos ha establecido la parafilia del subgénero Phytarrhiza dada la inclusión de 2 especies de Diaphoranthema y a pesar del escaso muestreo de Diaphoranthema lo ha sugerido como un subgénero monofilético en estrecha relación al grupo de especies xéricas de Phytarrhiza. Ante estos antecedentes, se propuso como objetivos para este trabajo realizar un análisis exhaustivo de caracteres morfológicos y generar una hipótesis filogenética robusta del subgénero Diaphoranthema, utilizando caracteres morfológicos y moleculares, sobre la cual poner a prueba su monofilia y la de sus agregados y a su vez interpretar patrones evolutivos en estructuras vegetativas y reproductivas y estudiar en particular la evolución de la autogamia, la poliembrionía y los caracteres relacionados con la hipótesis de neotenia propuesta para el subgénero. El estudio filogenético incluyó a la totalidad de las especies de Diaphoranthema, y para el grupo externo se seleccionaron especies de los subgéneros Anoplophytum y Allardtia, así como también especies xéricas del subgénero Phytarrhiza, y una especie del género Vriesea que fue tomada como raíz para los análisis filogenéticos. Se realizaron análisis de máxima parsimonia sobre la base de la información proporcionada por un marcador nuclear (ETS), un marcador plastídico (matK-trnK) y se estudiaron 87 caracteres morfológicos. Como resultados salientes de esta tesis, se ha resuelto la identidad de T. bryoides y se ha descripto una nueva especie para la ciencia: Tillandsia minutiflora; se ha generado una hipótesis filogenética robusta de Tillandsia subgénero Diaphoranthema a partir de los datos morfológicos y moleculares, en la que el subgénero se resuelve parafilético dado que incluye a especies xéricas de Tillandsia subgen. Phytarrhiza; a su vez, dentro de Diaphoranthema los agregados Loliacea y Rectangula son monofiléticos, los agregados Caliginosa y Myosura son parafiléticos y los agregados Capillaris y Recurvata son polifiléticos pero podrían llegar a definirse como grupos naturales si se reevaluaran sus límites. Los 3 clados principales en los que se divide el subgénero Diaphoranthema están apoyados fundamentalmente por caracteres vegetativos y seminales: filotaxis, forma de la hoja, carena foliar, distribución de los nervios en la vaina foliar, tipo de endostoma y poliembrionía. Dos de los clados principales corresponden a los agregados Loliacea y Rectangula. La poliembrionía ha surgido varias veces independientemente en la evolución de Diaphoranthema mientras que el origen evolutivo de la autogamia no pudo ser determinado aunque sí se evidencia como una fuerte tendencia evolutiva del subgénero. Las modificaciones en estructuras vegetativas y reproductivas relacionadas a la neotenia hipotetizada para Diaphoranthema evidencian la existencia de procesos heterocrónicos en el desarrollo de las especies que no necesariamente implican un acortamiento en el ciclo de vida y se requieren estudios futuros respecto a la naturaleza de estos procesos y su contribución adaptativa. Por último se confirma la necesidad del replanteo de la clasificación subgenérica de Tillandsia y se proponen modificaciones a la clasificación de Diaphoranthema para lo cual los caracteres morfológicos estudiados en esta tesis y la interpretación de su evolución pueden ser de gran utilidad en un futuro.Tillandsia subgenus Diaphoranthema includes 28 of 540 species of Tillandsia and is divided into 6 informal groups by their phyllotaxy, petal colour and indumentum of floral bracts. Although species of Diaphoranthema are widely distributed from southern U.S. to central Argentina and Chile, the highest diversity of species is found in central and northwestern Argentina and Bolivia. Diaphoranthema species are epiphytic or saxicolous, usually growing in arid and semiarid environments, and characterised by their reduced inflorescences and inconspicuous flowers. Subgenus Diaphoranthema is an interesting case to study the evolution of both vegetative and reproductive characters due to the highly variable vegetative morphology and the adaptations to xeric environments. Beyond this, it has been suggested that the evolution of these species has been driven by neotenic changes that led to a shortening of the life cycle. Concerning reproductive aspects, previous papers suggest a strong tendency to autogamy and polyembryony within the subgenus. Phylogenetic studies are mainly molecular and show low molecular variation within Tillandsia. The only phylogenetic study based on morphological characters, has established that subgenus Phytarrhiza is paraphyletic because of the inclusion of two species of Diaphoranthema, and despite the underrepresentation of Diaphoranthema species, that study suggested the latter as a monophyletic group closely related to the xeric species of subgenus Phytarrhiza. Based on all these data, this thesis focuses in: 1) a deep analysis of the morphology and 2) produce a robust phylogenetic hypothesis for subgenus Diaphoranthema using both morphological and molecular characters, to test its monophyly, the monophyly of its informal aggregates, and at the same time, to interpret the evolutionary patterns of vegetative and reproductive structures, particularly polyembryony, autogamy, and those characters related to the hypothesis of neoteny. The phylonetic analysis included all Diaphoranthema species. Some species of subgenus Anoplophytum and Allardtia were selected as outgroup, as well as xeric species of Phytarrhiza, and one species of genus Vriesea as the root for the analysis. Molecular data from the nuclear ETS and plastidial matKtrnK markers in addition to 87 morphological characters were analized by maximum parsimony. The main results have produced a robust phylogenetic hypothesis: subgenus Diaphoranthema is paraphyletic because of the inclusion of xeric species of subgenus Phytarrhiza; informal aggregates Loliaceae and Rectangula are monophyletic, but Caliginosa and Myosura are paraphyletic, and Capillaris and Recurvata are polyphyletic, however they may become as natural groups considering the reevaluation of their limits. Diaphoranthema can be divided in three main clades supported by vegetative and seminal characters: phyllotaxy, leaf shape, leaf keel, distribution of nerves on the sheath, type of endostome and polyembryony. Two of those three clades correspond to the informal groups Loliacea and Rectangula. Polyembryony has independently arisen several times within Diaphoranthema. The origin of autogamy could not be established; however this reproductive feature appears as a strong tendency within the subgenus. Changes in vegetative and reproductive characters previously related to neoteny within Diaphoranthema suggested heterochronic changes that do not necessarily imply a shortening of the life cycle, and further studies are required concerning the nature of these changes and their adaptative significance. Finally, results confirm the need of changes in the subgeneric classification of Tillandsia in general, and suggest specific changes in Diaphoranthema. The morphological characters used in this thesis and evolutionary interpretations may be useful for future analysis.Fil:Donadío, Sabina. Universidad de Buenos Aires. Facultad de Ciencias Exactas y Naturales; Argentina