Caracterização genética da espécie Sisyrinchium palmifolium L. (Iridaceae) e espécies relacionadas na região sul do Brasil

Abstract

Sisyrinchium palmifolium L. (Iridaceae: Iridoideae: Sisyrinchieae) é uma espécie herbácea, perene e de ampla distribuição na América do Sul. A identificação e classificação desta espécie têm sido problemáticas devido a sua grande variabilidade morfológica. Estas plantas apresentam variação tanto no hábito e porte da planta, como na morfologia foliar e no número de flores e ramificações da inflorescência. As relações filogenéticas desta espécie com outras espécies relacionadas das seções Hydastylus e Viperella também tem sido problemáticas devido à radiação recente deste grupo de plantas. Evidências filogenéticas apontam o gênero Sisyrinchium como monofilético e sugerem modificações na classificação de algumas seções, especialmente nos clados que incluem S. palmifolium e espécies relacionadas. Com o objetivo de investigar a variabilidade genética dentro e entre as populações da subespécie típica, S. palmifolium subsp. palmifolium, presente no sul do Brasil, nove marcadores ISSR foram utilizados, em 149 indivíduos, amostrados em cinco populações (Capítulo II). Os resultados indicam alto grau de polimorfismo e grande variabilidade genética entre os indivíduos dentro das populações. A variação genética encontrada foi maior dentro do que entre as populações, característico de plantas de fecundação cruzada. Os dados mostram que houve uma diferenciação genética significativa (P<0,001) entre as populações. As análises moleculares mostraram que as populações são altamente estruturadas com baixo fluxo gênico entre elas. Foram avaliadas as relações de parentesco entre a espécie S. palmifolium e espécies relacionadas das seções Hydastylus e Viperella, assim como a história evolutiva, divergência e origem dos poliploides deste grupo de plantas (Capítulo III). Para isso, foram utilizados 12 marcadores filogenéticos dos genomas nuclear, plastidial e mitocondrial para um total de 44 acessos de Sisyrinchium da América do Sul, representando 13 espécies da seção Hydastylus e 11 espécies da seção Viperella. Nossos resultados sugerem que as duas seções correspondem a um único grupo de plantas em recente radiação adaptativa. Apesar dos principais grupos evidenciados com as análises filogenéticas serem formados por espécies da mesma seção, foi reforçada a hipótese de evolução reticulada caracterizada por eventos de alopoliploidização e introgressão. Diferentes acessos de uma mesma espécie estão dispersos em diferentes clados, exceto S. antemeridianum, devido a sua distribuição restrita, enquanto as espécies poliploides (S. marchio, S. marchioides e S. weirii), mostraram-se relacionadas às espécies diploides de ambas as seções. Marcadores microssatélites foram isolados das espécies Sisyrinchium palmifolium e S. marchioides, provenientes do sul do Brasil (Capítulo IV) com o objetivo de fornecer ferramentas moleculares para investigação de relação genética entre as espécies das seções Viperella e Hydastylus. Um total de nove “primers” de SSR polimórficos foi obtido neste estudo, os quais foram testados em 24 espécies de Iridaceae, indicando que estes marcadores serão úteis em inúmeros estudos com outras espécies do mesmo gênero e outros gêneros da família tais como Herbertia e Calydorea. Marcadores microssatélites foram utilizados para estudar os padrões de diversidade genética e fluxo gênico entre as espécies S. palmifolium subsp. palmifolium, S. rectilineum e S. vaginatum subsp. vaginatum no estado do Rio Grande do Sul, em 236 indivíduos, amostrados em oito populações (Capítulo V). Os resultados indicam alto grau de polimorfismo e variabilidade genética entre os indivíduos dentro das populações. As populações de S. vaginatum subsp. vaginatum se mostraram mais estruturadas do que as populações de S. palmifolium subsp. palmifolium. Além disso, sugere-se que a maioria dos alelos compartilhados entre as populações é devida aos eventos de introgressão ocorridos entre estas espécies recentemente e que as relações observadas entre as populações estão de acordo com a tradicional delimitação destas espécies.

Sisyrinchium palmifolium L. (Iridaceae: Iridoideae: Sisyrinchieae) is a perennial herb with wide distribution in South America. The identification and classification of this species is problematic due to its wide morphological variability. These plants show variation in the size and habit of the plant, as in leaf morphology and inflorescence (in number of flowers and branches). The phylogenetic relationships of this species with other species of the sections Hydastylus and Viperella also has been problematic due to recent radiation of this group of plants. Phylogenetic evidences show that Sisyrinchium is a monophyletic genus and suggest modifications in the classification of some sections, especially in clades that include S. palmifolium and related species. With the aim to investigate the genetic variability within and among populations of the typical subspecies, S. palmifolium subsp. palmifolium, from southern Brazil, nine ISSR markers were examined in 149 individuals from five populations (Chapter II). Results showed high degrees of polymorphism and genetic variability among individuals within populations. Genetic analyses revealed that the majority of the variation was within populations rather than among populations, that is characteristic of outcrossing plants. The data indicated significant (P < 0.001) genetic differentiation among populations. Molecular analysis showed that the populations are highly structured with low gene flow among them. To evaluate the relationships among S. palmifolium and other species of the sections Hydastylus and Viperella, as the evolutionary history, divergence and polyploidy origin for this plant group, twelve phylogenetic markers from three genomes (nuclear, chloroplast and mitochondrial) were examined (Chapter III). Forty-four accessions of Sisyrinchium from South America, representing 13 species of the section Hydastylus and 11 species of Viperella, were used in this study. Our results suggest that the two sections correspond to a single natural group of plants in recent adaptive radiation. Despite that the main groups were formed among species of the same section, it reinforced the hypothesis of reticulate evolution being characterized by introgression and allopolyploidization events. Different accessions of the same species grouped into different groups, except S. antemeridianum due to its restricted distribution. While, polyploid species (S. marchio, S. marchioides and S. weirii) showed be related to the diploid species of both sections. Microsatellite markers were developed to Sisyrinchium palmifolium and S. marchioides from Southern Brazil (Chapter IV) to provide molecular tools for the investigation of the species belonging to the sections Viperella and Hydastylus. A total of nine SSR polymorphic "primers" were obtained in this study, which were tested in 24 species of Iridaceae. Cross-amplification in other Iridaceae species indicated that these markers will be useful in many studies with other species of the genus and other genera of the family such as Herbertia and Calydorea. Microsatellite markers were used to assess the patterns of genetic diversity and gene flow among the species S. palmifolium subsp. palmifolium, S. rectilineum and S. vaginatum subsp. vaginatum from Rio Grande do Sul state, in 236 individuals from eight populations (Chapter V). Results indicated high degrees of polymorphism and genetic variability among individuals within populations. The populations of Sisyrinchium vaginatum subsp. vaginatum were more structured than S. palmifolium subsp. palmifolium. We support the hypothesis that many shared alleles among the populations are due introgression occurred in recent past, i.e. ancestral polymorphism and that observed population relationships are congruent with traditional species delimitation.