Padrões históricos e processo de hibridação entre duas espécies simpátricas de bromélias da Mata Atlântica : implicações evolutivas e conservacionistas

Abstract

A família Bromeliaceae é uma das famílias de plantas com flores mais diversas morfologica e ecologicamente nativas do Novo Mundo, e é bem conhecida por ter sofrido radiação adaptativa recente, evoluindo para habitar inúmeros nichos e ocupando os mais diversos tipos de ambientes. Bromeliaceae surgiu no Escudo das Guianas cerca de 100 milhões de anos atrás (Ma), e linhagens modernas começaram a divergir cerca de 19 Ma, chegando na América tropical e subtropical há 15,4 Ma, aproximadamente. Devido a sua história evolutiva recente, limites genéricos frequentemente sofrem alterações na família Bromeliaceae, com espécies incipientes não completamente definidas. A Floresta Atlântica Brasileira (BAF) é um dos centros de diversidade das bromélias, sendo também um dos centros de diversidade do gênero Vriesea. Vriesea carinata e V. incurvata podem ser consideradas modelos interessantes para o estudo dos padrões históricos da BAF e também para o estudo dos processos de coesão de espécies e barreiras reprodutivas, por serem espécies endêmicas da BAF, com ampla distribuição ao longo dessa ecorregião, sendo encontradas em simpatria e compartilham polinizadores. Assim, este trabalho foi dividido em três manuscritos, buscando uma melhor compreensão da história evolutiva da família Bromeliaceae, bem como da Floresta Atlântica Brasileira. No Capítulo II, é apresentado um artigo de revisão, compilando os estudos sobre a família Bromeliaceae, no qual foram abordados aspectos como: diversidade genética, adaptações evolutivas, sistemas de cruzamento e suas consequências sobre a estruturação populacional e conservação in situ. Os dados do artigo de revisão demonstraram que Bromeliaceae tem três centros de diversidade, 58 gêneros e cerca de 3.170 espécies. As bromélias são preferencialmente polinizadas por vertebrados e apresentam uma marcante variação nos sistemas de cruzamento, de endogamia predominante à polinização cruzada obrigatória, e uma constância no número de cromossomos (x = 25). Bromélias com sistema de cruzamento autógamo ou misto têm um alto coeficiente de endogamia (FIS), enquanto que as espécies de fecundação cruzada apresentam FIS baixos. O grau de diferenciação entre as populações (FST) variou de 0,043 a 0,961, e pode ser influenciado pela dispersão do pólen e sementes, crescimento clonal, taxas de fluxo gênico e conectividade entre as populações. Bromeliaceae apresenta algumas adaptações morfológicas e fisiológicas, incluindo o metabolismo ácido das crassuláceas de fotossintese (CAM), formação de rosetas que acumulam água, tricomas absortivos nas folhas e hábito epífito, que podem ter sido cruciais para a radiação adaptativa desta família. Além disso, muitas espécies são endêmicas com distribuição restrita e/ou são encontradas em ecorregiões ameaçadas de extinção, como a BAF. A preservação deste tipo de ecorregião é vital para a conservação da família Bromeliaceae e das espécies associadas. No Capítulo III, nós estudamos os padrões filogeográficos de Vriesea carinata e V. incurvata com o objetivo de fornecer informações sobre os processos históricos que influenciaram na diversificação da BAF. Nós testamos a hipótese de que V. carinata e V. incurvata apresentariam o mesmo padrão filogeográfico, uma vez que podem ter sido submetidas às mesmas alterações climáticas no passado, pois apresentam distribuição geográfica semelhante. Foram amostradas 16 populações de V. carinata e 11 de V. incurvata, as quais utilizamos para descrever os padrões de variações genéticas do DNA plastidial (cpDNA) e nuclear (microssatélites). Vriesea carinata e V. incurvata apresentaram padrões filogeográficos semelhantes, com uma forte descontinuidade genética norte/sul entre as populações, sem compartilhamento haplotípico entre essas regiões. A presença de dois grupos genéticos distintos suporta a hipótese de que V. carinata e V. incurvata sobreviveram em mais de um refúgio durante as oscilações climáticas do Pleistoceno. Um putativo refúgio seria na porção litoranea sul-sudeste (latitude 25°S - PR/SP) e outro no sudeste do Brasil (latitude 20°S - RJ/ES). Os resultados são consistentes com registros encontrados na literatura para a BAF. No entanto, mais estudos são necessários para entender a complexa história da BAF, uma vez que este padrão foi provavelmente moldado ao longo do Pleistoceno, mas eventos anteriores, como soerguimento da costa leste brasileira durante o Terciário, também podem ter influenciado a distribuição e a diversificação dos taxa. No Capítulo IV, nós investigamos a ocorrência de hibridação natural entre V. carinata e V. incurvata em quatro populações onde elas são encontradas em simpatria. Estas espécies são bem delimitadas taxonomicamente, apresentam morfologia floral similar e compartilham polinizador (beija-flor), apresentando floração sequencial com um curto período de sobreposição do florescimento. O grau de isolamento reprodutivo entre espécies relacionadas é um fator importante que influência a integridade genética das espécies e a formação de híbridos. Foram amostradas e analisadas quatro populações simpátricas, utilizando duas regiões plastidiais e 14 locos de microssatélites, e híbridos foram encontrados em todas elas, com um total de 19 indivíduos, indicando que ocorre fluxo gênico interespecífico entre V. carinata e V. incurvata. Análises Bayesianas identificaram híbridos F2 e retrocruzamentos com V. incurvata e a rede de haplótipos do cpDNA identificou introgressão bidirecional entre estas duas espécies. Nas populações simpátricas com distribuição mais ao norte foi encontrado um maior número de híbridos, provavelmente por causa de um gradiente latitudinal, que pode influenciar nas estações do ano, temperatura, precipitação e também o período de floração das espécies. A taxa de fluxo gênico interespecífico (Nem ˂ 0,5) foi considerada alta, contribuindo para a formação de 10% de híbridos nas populações estudadas, porém a ausência de híbridos F1 indica que a barreira reprodutiva está sendo eficaz. A diferença temporal de floração das duas espécies tem atuado como uma barreira reprodutiva prezigótica forte, sendo a principal força responsável pela coesão das espécies. O conhecimento da hibridação e dos padrões de fluxo gênico interespecífico é importante para a compreensão dos processos de especiação, do movimento de genes entre espécies relacionadas e da manutenção da coesão das espécies. Em suma, os resultados obtidos no presente estudo, utilizando V. carinata e V. incurvata como modelos, permitiram aumentar a compreensão dos padrões históricos da BAF, dos processos biológicos e ecológicos envolvidos na evolução do isolamento reprodutivo responsável pela manutenção da coesão das espécies de plantas.

Bromeliaceae family is one of the morphologically and ecologically most diverse flowering plant families native to the New World and is well known for its recent adaptive radiation, evolving to live in numerous niches and occupying the most diverse types of environments. Bromeliaceae arose in the Guayana Shield roughly 100 million years ago (Ma), and modern lineages began to diverge from each other roughly 19 Ma, arriving in tropical and subtropical America from near 15.4 Ma. Due to its recent evolutionary history, generic boundaries often suffer changes in the Bromeliaceae family, with incipient species not completely defined. Brazilian Atlantic Forest (BAF) is one of the centers of bromeliads diversity, being also one of the diversity centers of Vriesea genus. Vriesea carinata and V. incurvata may be interesting models for the study of BAF historical patterns and also for studying species cohesion processes and reproductive barriers, to be endemic species of BAF, with wide distribution throughout this ecoregion, being found in sympatry and share pollinators. Thus, this thesis was divided in three manuscripts, which seeking a better understanding of the evolutionary history of the Bromeliaceae family, as well as BAF ecoregion. In the Chapter II, a review manuscript were presented, compiling the studies on Bromeliaceae family using approaches as: genetic diversity, evolutionary adaptations, mating systems and their consequences on the population structure and in situ conservation. The review’s results revealed that Bromeliaceae has three diversity centers, 58 genera, and about 3,170 species. Bromeliads are preferentially pollinated by vertebrates and show marked variation in breeding systems, from predominant inbreeding to obligatory outcrossing, as well as constancy in chromosome number (x = 25). Autogamous or mixed mating system bromeliads have a high inbreeding coefficient (FIS), while outcrossing species show low FIS. The degree of differentiation among populations (FST) of species ranges from 0.043 to 0.961, and can be influenced by pollen and seed dispersal effects, clonal growth, gene flow rates, and connectivity among populations. Bromeliaceae showed some morphological and physiological adaptations, including crassulacean acid metabolism (CAM) photosynthesis, formation of rosettes that accumulate water, leaf absorptive scales and epiphytic habit, which might have been crucial to the adaptive radiation of this family. Also, many species are endemic with restricted distribution and/or are found in endangered ecoregion, as BAF. The preservation of this type of ecoregion is vital for the conservation of Bromeliaceae and associated species. In the Chapter III, we studied the phylogeographic patterns of Vriesea carinata and V. incurvata aiming to provide insights into the historical processes that underlined diversification in BAF. We evaluated the hypothesis that V. carinata and V. incurvata would present the same phylogeographic pattern, since they could be subjected to the same climatic changes in the past because they present similar geographic distribution. We sampled 16 populations of V. carinata and 11 of V. incurvata, which we use to describe the patterns of genetic variation in plastid (cpDNA) and nuclear DNA (microsatellites). Vriesea carinata and V. incurvata showed similar phylogeographic patterns, with strong genetic discontinuity among north/south populations and without haplotypic sharing among these regions. The presence of two genetic distinct groups would seem to support the hypothesis that V. carinata and V. incurvata survived in more than one fragmented refugia during Pleistocene climatic oscillations. One putative refugium was on coastal south-southeastern (latitude 25°S - PR/SP) and another in southeastern Brazil (latitude 20°S - RJ/ES). The results are consistent with records encountered in the literature for the BAF. However, more studies are required for understanding the BAF complex history, since this pattern was probably shaped throughout the Pleistocene, but earlier events, as uplift of Brazilian east coast during Tertiary, may be also influenced the distribution and diversification of taxa. In the Chapter IV, we investigated natural hybridization between V. carinata and V. incurvata in four populations where they are found in sympatry. These species are well defined taxonomically, show similar floral morphology and share pollinator (hummingbird), presenting sequential flowering and short time of blooming overlap. The degree of reproductive isolation among related species is an important factor influencing species genetic integrity and hybrids formation. We sampled and analyzed four sympatric populations, using two plastid regions and 14 microsatellite loci, and hybrids were found in all of them, with a total of 19 individuals, indicating that interspecif gene flow occurs between V. carinata and V. incurvata. Bayesian assignment analysis identified F2 hybrids and backcrosses towards V. incurvata and cpDNA haplotypic network identified bidirectional introgression between these two species. In sympatric populations with lower latitude we found a greater number of hybrids, probably because of a latitudinal gradient, which may influence the seasons of the year, temperature, precipitation, and also in flowering period of the species. The rate of interspecific gene flow (Nem ˂ 0.5) was considered high, contributing to the formation of 10% hybrids in the studied populations, however the absence of F1 hybrids indicates the reproductive barrier being effective. The temporal difference in the flowering period of the two species has acted as a strong prezygotic reproductive barrier, being the main force responsible for species cohesion. The knowledge of hybridization and patterns of interspecific gene flow are important for understanding the process of speciation, the movement of genes across species boundaries and the maintaining of species cohesion. Finally, the results obtained in this study, using V. carinata and V. incurvata as a models, allow us to increase the understanding of BAF historical patterns, and of biological and ecological processes involved in the development of reproductive isolation responsible for maintaining the cohesion of plant.