Aspectos genéticos e ecológicos da biologia reprodutiva de Vriesea gigantea (Bromeliaceae)

Abstract

Fatores como a biologia reprodutiva, sistema de cruzamento, fluxo gênico, distribuição espacial das plantas e dispersão de sementes tem um profundo efeito na composição e estrutura genética de populações naturais. Os sistemas de cruzamento de plantas e a fertilidade estão diretamente relacionados com questões evolutivas e de biologia da conservação. Vriesea gigantea é uma espécie endêmica da Mata Atlântica, autocompatível e que apresenta limitação de pólen em populações do sul do Brasil. Estas mesmas populações também apresentaram alta fertilidade, considerando parâmetros de produção de flores, frutos e sementes e características do pólen. As populações naturais de V. gigantea vêm sendo reduzidas em função da ação antropogênica, tanto pela destruição do habitat quanto pela coleta predatória. Recentes estudos moleculares revelaram que as populações de V. gigantea são geneticamente estruturadas, apresentam baixo fluxo gênico e alto coeficiente de endocruzamento. Estudos visando um melhor entendimento da evolução do sistema de cruzamento e conservação de espécies de bromélias não foram realizados até o momento. Neste contexto, a presente tese, está organizada em forma de três artigos. No Capítulo II a biologia reprodutiva e o sistema de cruzamento de V. gigantea foram caracterizados, através de experimentos de polinização manual e da análise de marcadores moleculares do tipo microssatélites, com o objetivo de compreender a manutenção da variação natural nos sistemas de cruzamento em espécies de plantas. Os resultados obtidos nos experimentos de polinização manual mostraram que V. gigantea é uma espécie não-autogâmica e dependente de polinizadores para frutificação. Nas populações analisadas, os polinizadores observados foram beija-flores e abelhas. A taxa de fecundação cruzada (tm = 0,388) e endocruzamento biparental (tm-ts = 0,144) estão de acordo com o alto coeficiente de endocruzamento estimado (F = 0,312), o qual provavelmente é conseqüência das altas taxas autofecundação devido ao comportamento dos polinizadores. A estrutura do "pool" genético de pólen foi alta ( st = 0,671), correspondendo a um número efetivo de doadores de pólen de 0,75 indivíduos. A taxa de fecundação cruzada mostrou uma tendência geográfica, decrescendo do Norte para o Sul, contrastando com a estrutura do pólen, que aumenta do Norte para o Sul. Vriesea gigantea possui um sistema misto de cruzamento e é um modelo interessante para compreensão da evolução de sistemas de cruzamento em escala latitudinal. Os padrões analisados foram formados pelo comportamento do polinizador e provavelmente podem sofrer influência da fragmentação do habitat, causando a diminuição do fluxo gênico e aumento do endocruzamento. No estudo descrito no Capítulo III o principal objetivo foi investigar se os padrões de sistema de cruzamento e fertilidade observados em V. gigantea ocorrem devido às condições ambientais ou à adaptação da espécie a autofecundação. As análises genéticas do sistema de cruzamento, utilizando marcadores moleculares do tipo microssatélites, mostraram que as taxas de fecundação cruzada (tm) foram moderadas e a estrutura do "pool" genético de pólen ( FT) foi alta, variando entre populações e anos. A fertilidade de três populações naturais foi avaliada considerando a produção de flores, frutos e sementes, e a viabilidade das sementes. Nas três populações foi observada grande produção de flores, frutos e sementes, e uma alta viabilidade de sementes, com diferenças na taxa de frutificação entre as populações. Esses resultados sugerem que os padrões de sistemas de cruzamento e fertilidade observados nas populações de V. gigantea se devem a adaptação da espécie para a autofecundação e efeitos de borda, embora outras explicações adaptativas não possam ser descartadas. Considerando a variação espacialtemporal em sistemas de cruzamento e fertilidade, programas de conservação de V. gigantea devem incluir populações das bordas da distribuição da espécie. No Capítulo IV, para determinar o papel da dispersão e o recrutamento de sementes no fluxo gênico, colonização, e padrão de distribuição, a demografia e a dispersão de sementes de populações de V. gigantea foram analisados. Os resultados de demografia demonstraram que o recrutamento de plântulas é grande, 72,4% dessas desenvolvem-se em adultos. Entretanto a classe "juvenil" passa por um considerável decréscimo em sua porcentagem. Sementes de V. gigantea são dispersas em pequenas distâncias, logo, a maioria das sementes permanece na vizinhança da planta mãe. Esse padrão coincide com a distribuição agregada das plântulas de diferentes espécies de bromélias, as quais também permanecem em torno da planta mãe. Em suma, os resultados descritos nos capítulos que compreendem esta tese correspondem a mais um degrau de conhecimento para que haja uma compreensão efetiva dos processos biológicos, ecológicos e evolutivos envolvidos principalmente no sistema de cruzamento em plantas, utilizando V.

Reproductive biology, mating systems, gene flow, population arrangement and seed dispersal have a profound effect on the genetic composition and structure of natural populations. Plant mating systems and fertility are directly related to many questions on plant evolution and conservation biology. Vriesea gigantea is a bromeliad species endemic to the Brazilian Atlantic Rainforest. It is self-compatible and showed pollen limitation in populations from Southern Brazil. These populations also showed high fertility level, considering flowers, pollen, fruits and seeds parameters. Its wild populations have been reduced by anthropogenic disturbance such as habitat destruction and predatory collection. Previous molecular studies revealed that V. gigantea populations are genetically structured, with low gene flow and high inbreeding coefficients. Patterns of among-population mating system and fertility in bromeliad species have never been thoroughly evaluated in order to understand the consequences for mating system evolution and species maintenance. In this context, the present thesis was divided in three manuscripts. In the Chapter II, the reproductive biology and mating system of V. gigantea were characterized (Bromeliaceae), using hand-pollination expirments and micosatellites nuclear markers analysis, in order to better understand the maintenance of natural variation in mating systems of plant species. Results from hand pollination experiments revealed that V. gigantea has mixed mating system. Observation of pollinators and nectar features indicated hummingbirds and bees as likely pollinators in the studied populations. Microsatellites marker-based estimates of outcrossing rate (tm = 0.388) and biparental inbreeding (tm-ts = 0.144) agreed with the high inbreeding coefficient observed (F = 0.312), caused most likely by high levels of selfing due to pollinator behavior. Strong pollen gene pool structure was observed across maternal plants ( st = 0.671), corresponding to 0.75 effective pollen donors. Outcrossing rates showed a conspicuous decrease from North to South of the sampled area towards the range edge, in contrast to pollen pool structure which increased at this geographic scale. Vriesea gigantea is characterized by a mixed mating system and represents a promising model for studying the intraspecific evolution of plant mating systems in habitat affected by fragmentation. In the study presented in Chapter III we investigate if mating system and fertility patterns are due to habitat conditions or due to species' mating system adaptation. Microsatellites nuclear markers showed that outcrossing rates (tm) were moderate and pollen gene poll structures ( FT) were high, ranging across years and populations. The plant fertility of three wild populations was assigned considering flower production, fruit and seed set, and seed viability, during three consecutive years. In the three populations we observed high flower, fruit and seed production, and high seed viability, with differences in fruit set between populations. These results strongly suggest that the observed among-population patterns of flower, fruit and seed set, and mating system parameters in V. gigantea are attributable to the species adaptation for selfing and edge effects, though other adaptive explanations cannot be ruled out. Considering the spatial-temporal variation in mating system, fertility, and contemporary gene flow results, we considered that V. gigantea populations from edge of its distribution should be taking into account in conservation programs of the species. In the Chapter IV in order to determine the importance of seed supply for gene flow, colonization, and distribution, the demography and seed dispersal of V. gigantea populations were studied. Demography results demonstrated that seedling recruitment is high, since 72.4% of them developed into adults, although juveniles' class experienced considerable decrease on this percentage. Vriesea gigantea seeds are dispersed over short distance range, since it is likely that most seeds land in the mother plants' vicinity. This pattern coincides with the reportedly aggregated distribution of bromeliad seedlings around the mother plants. Finally, the results obtained in this study, helped us to increase de undertanding of biological, ecological and evolutionary process involved in the mating system of plants, using V. gigantea as a model.