Influência do tamanho do genoma e do número cromossômico na evolução de Hymenophyllum Sw. (Hymenophyllaceae Mart., Polypodiopsida) no domínio da Mata Atlântica brasileira

Abstract

Hymenophyllaceae comprises over 450 fern species organized into two subfamilies: Trichomanoideae and Hymenophylloideae. Hymenophyllum, the only genus of the Hymenophylloideae, displays considerable variation in morphology as well as in chromosome number. Furthermore, the genus has a distribution from the tropics to temperate regions. A total of 26 Hymenophyllum species occur in the Atlantic Forest, a center for diversity and endemism of ferns. Among the factors known to drive plant evolution are cytogenetic characteristics. Regarding this subject, Hymenophyllaceae chromosome number and genome size have been employed as additional criteria in taxonomic and evolutionary studies. In this context, our study aimed to investigate the influence of chromosome number and genome size in the evolution of Hymenophyllum. This document is structured in three chapters. The first consists in a review of previously published cytogenetic data for Hymenophyllaceae, encompassing information on chromosome number and genome size for 158 and 15 species, respectively. These characteristics exhibit noteworthy variation among species, having chromosome numbers ranging from n = 11 to 178 and genome sizes ranging from 2C = 21.47 to 73.2pg. This review identified patterns in chromosome number distribution in the family and lays out several methodological challenges associated with cytogenetic data acquisition for the group. The second chapter is dedicated to new cytogenetic data obtained for seven populations of four Hymenophyllum species. While chromosome numbers ranged from n = 13 to 56, genome sizes ranged from 36.17 to 129.49 pg. Interestingly, the largest genome size estimated in our study is not only the largest size ever found for Hymenophyllum, but also the largest for the whole family. In the third chapter we report the cytogenetic data obtained for 11 Sphaerocionium species in the Atlantic Forest. These data were analyzed through a phylogenetic perspective. Accordingly, the Hymenophyllaceae phylogeny was reconstructed in order to base our investigations on chromosome number and genome size evolution. The Sphaerocionium genome sizes showed a variation ranging from 2C = 31.32 pg to 54.27 pg. In contrast, the chromosome number of n = 36 remained constant for the subgenus, with exception of H. hirsutum which displayed two cytotypes (n =36 and 72). Ancestral genome size reconstruction revealed increments and reductions throughout the evolutionary history of the group, resulting in dissimilar DNA content even across closely related species. Evolution of chromosome number in the family involves events of dysploidy, polyploidy and demi-polyploidy. Only two intraspecific transition events of duplication were predicted for Sphaerocionium, suggesting that chromosome number alterations might not have played a major role in the evolution of this genus. A haploid chromosome number of 11 was reconstructed as ancestral for Hymenophyllaceae. In genus Hymenophyllum, a chromosome pair is gained, elevating the most likely ancestral number of this clade to n = 12. As for subgenus Sphaerocionium, n = 36 is inferred as the ancestral state, likely resulting from polyploidy and demi-polyploidy events. Overall, genus Hymenophyllum has more chromosome transition events when compared to other genera within the family. Thus, the higher diversification rate for this clade may be associated by the karyological changes throughout time. In summary, the new data gathered in our research integrated in a robust phylogenetic framework has allowed significant contributions towards advancing the current understanding of Hymenophyllaceae evolution, establishing a solid foundation for future fern studies.

Hymenophyllaceae compreende mais de 450 espécies de samambaias organizadas em duas subfamílias: Trichomanoideae e Hymenophylloideae. Hymenophyllum, único gênero da linhagem Hymenophylloideae, apresenta considerável diversidade morfológica, além de extrema variação no número de cromossomos. Além disso, o gênero apresenta distribuição dos trópicos até as regiões temperadas. Na Mata Atlântica, um centro de diversidade e endemismos para as samambaias, ocorrem 26 espécies de Hymenophyllum. Entre diversos fatores que influenciam a evolução das plantas estão as características citogenéticas. Na família, o tamanho de genoma e número cromossômico têm sido utilizados como critérios adicionais em estudos taxonômicos e evolutivos. Nesse contexto, o objetivo deste estudo foi investigar a influência do número cromossômico e do tamanho de genoma na evolução de Hymenophyllum. O trabalho está estruturado em três capítulos. O primeiro consiste em uma revisão dos dados citogenéticos previamente publicados para a família, abrangendo informações sobre número de cromossomos e o tamanho do genoma para 158 e 15 espécies, respectivamente. Essas características exibem uma notável variação entre as espécies, com números cromossômicos de n = 11 a 178 e tamanhos de genoma de 2C = 21,47 a 73,2 pg. Essa revisão identificou padrões na distribuição de números cromossômicos na família e aborda desafios metodológicos que permeiam a aquisição de dados citogenéticos. O segundo capítulo apresenta dados citogenéticos obtidos de sete populações de quatro espécies de Hymenophyllum. Os números de cromossômicos encontrados variaram de n = 13 até n = 56, enquanto o tamanho do genoma variou de 2C = 36,17 pg até 129,49 pg. Curiosamente, o maior tamanho do genoma encontrado em nossas análises é, não apenas o maior para Hymenophyllum, mas também o maior para toda a família. No terceiro capítulo, foram obtidos dados citogenéticos de 11 espécies de Hymenophyllum subg. Sphaerocionium da Mata Atlântica. Esses dados foram analisados sob uma perspectiva filogenética. Para isso, a filogenia de Hymenophyllaceae foi reconstruída para investigar a evolução do número de cromossomos e o tamanho do genoma. Enquanto as estimativas de tamanho do genoma mostraram uma variação em Sphaerocionium, de 2C = 31,32 pg até 54,27 pg, o número de cromossomos permaneceu constante (n = 36), com exceção H. hirsutum que apresentou dois citótipos (n =36 e 72). A reconstrução do tamanho do genoma ancestral mostrou que eventos de aumento e reduções ocorreram ao longo da história evolutiva, sendo que espécies relacionadas não apresentam conteúdo de DNA semelhante. A evolução na família do número cromossômico envolveu eventos de disploidia, poliploidia e demi-poliploidia. Em Sphaerocionium são retratados apenas dois eventos de duplicação intraespecíficos, evidenciando que alterações no número cromossômico podem não ter influenciado diretamente sua evolução. Em Hymenophyllaceae, o número cromossômico haplóide 11 foi reconstruído como ancestral. Em Hymenophyllum, houve um ganho de um par de cromossomos, elevando o provável número ancestral para n = 12. Já no em Sphaerocionium, temos n = 36 como ancestral, que provavelmente foi resultado de eventos de poliploidia e demi-poliploidia. Hymenophyllum apresenta o maior número de eventos de transição de cromossomos quando comparado com os outros gêneros da família. Assim, a maior taxa de diversificação nesse clado pode estar associada com as mudanças cariológicas que ocorreram ao longo do tempo. Os novos dados integrados com a filogenia contribuem para o avanço do conhecimento sobre a evolução da família, além de estabelecer uma base para estudos futuros em samambaias.