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Evolución de la Heterostilia en Linum

Student thesis: Doctoral Thesis

Antecedentes: El género Linum L., que comprende alrededor de 180 especies (The Plant List 2013, Version 1. http://www.theplantlist.org/ último acceso el 10 de Marzo de 2017) y con una distribución cosmopolita, ha sido históricamente importante en el estudio de la evolución de la heterostilia. En concreto, Darwin (1877) fue el primer autor en describir la variación en la altura de estigmas y estambres, así como en el sistema de incompatibilidad en algunas especies de Linum. Este trabajo estimuló el interés de otros autores por entender mejor la variación de la heterostilia en Linum, lo que ha favorecido la generación de información descriptiva sobre la biología reproductiva de varias especies y evaluar algunas asunciones básicas sobre el funcionamiento del polimorfismo (Dulberger, R. (1992). Floral polymorphisms and their functional significance in the heterostylous syndrome. In Evolution and function of heterostyly (pp. 41- 84). Springer Berlin Heidelberg., entre otros). A pesar de ello, solo recientemente han aparecido algunos trabajos con un enfoque ecológico y evolutivo. Por ejemplo, el trabajo de Armbruster et al (2006) (Armbruster, W. S., Pérez‐Barrales, R., Arroyo, J., Edwards, M. E., & Vargas, P. (2006). Three‐ dimensional reciprocity of floral morphs in wild flax (Linum suffruticosum): a new twist on heterostyly. New Phytologist, 171(3), 581-590) puso de manifiesto que pequeñas variaciones en tres dimensiones en la posición de anteras y estigmas pueden funcionar para mejorar la transferencia de polen entre morfos. Por otro lado, el trabajo de McDill et al (2009) (McDill, J., Repplinger, M., Simpson, B. B., & Kadereit, J. W. (2009). The phylogeny of Linum and Linaceae subfamily Linoideae, with implications for their systematics, biogeography, and evolution of heterostyly. Systematic Botany, 34(2), 386-405, fue el primer trabajo filogenético a nivel de género, donde los autores incluyeron un muestreo amplio, y en el que realizaron una reconstrucción evolutiva del polimorfismo. A pesar que la contribución de estos estudios ha aportado información relevante sobre la evolución de la heterostilia en Linum, aún quedan grandes vacíos de conocimiento. En concreto, poco se sabe sobre la variación en la morfología floral, mas allá de clasificaciones cualitativas (e.g., homostilia vs. heterostilia), y su significado micro- y macroevolutivo. La presente Tesis Doctoral pretende aportar esta falta de conocimiento a través de los siguientes objetivos que se presentan por Capítulo de Tesis: 1. Variación de la heterostilia y polimorfismos sexuales asociados en Linum L. (Capítulo 2): Para ahondar en esta cuestión primero debemos caracterizar el polimorfismo de las distintas especies que conforman el género, mediante mediciones de verticilos sexuales de flores de cada especie y aplicando test estadísticos para caracterizar los distintos tipos de hercogamia. El objetivo de este capítulo consistió en describir la variación morfológica en la altura de los estilos, estambres y hercogamia en las especies de Linum, y poder asignar con precisión el tipo de polimorfismo floral correspondiente a cada especie. Como resultado principal se caracterizaron hasta 8 polimorfismos florales en el género, lo que nos coloca en un perfecto escenario para probar las hipótesis principales sobre la evolución de la heterostilia en el siguiente capítulo. 2. Style polymorphism in Linum (Linaceae): a case of Mediterranean convergent evolution? (Capítulo 3): Debemos tener una hipótesis sólida sobre las relaciones filogenéticas entre las especies y poblaciones. De estudios anteriores se ha deducido que la heterostilia en Linum parece ser un estado asociado a la Cuenca Mediterránea. A partir de una extensa revisión de la literatura acerca de este tema se encontró que hay algunas especies heterostilas de la Región de El Cabo en Sudáfrica, que también se desarrollan en condiciones de clima mediterráneo y que han sido muestreadas y analizadas, lo que puede arrojar luz sobre las condiciones ambientales que favorecen la heterostilia en Linum. En este capítulo, el objetivo fue generar una filogenia molecular nueva en la que se incluyeran un mayor número de especies del género, con la idea de estimar el tiempo de divergencia en relación a los eventos macroevolutivos más importantes de aparición del polimorfismo. Esta información además se usó para poder realizar una reconstrucción evolutiva del polimorfismo, así como evaluar posibles asociaciones evolutivas con rasgos relacionados con el ciclo de vida (perennialidad o anualidad). 3. Relaciones evolutivas entre distintos linajes de lino blanco (Linum tenuifolium s.l.) en la cuenca del mediterráneo (Capítulo 4). Este grupo contiene dos especies distintas: L. tenuifolium L. (especie monomórfica estilar) y L. suffruticosum L. (especie heterostila, con una hercogamia recíproca especial en tres dimensiones), aunque este último presenta una gran variabilidad fenotípica sobre todo en la Península Ibérica. Todas las poblaciones colectadas servirán para el análisis filogenético y filogeográfico y para detectar la verdadera posición taxonómica y geográfica de la diversidad del grupo. También se ha encontrado, en Linum suffruticosum, la presencia de un tipo nuevo de heterostilia, llamada “de reciprocidad tridimensional”, debido a que esta reciprocidad ocurre en altura de estambres y estigmas, en su disposición interna y externa respecto al eje vertical floral, y en la torsión hacia dentro o fuera de anteras y estigmas (Armbruster et al. 2006). Estos autores señalan que tal disposición mejora la transferencia legítima (entre morfos) de polen, en detrimento de la ilegítima (dentro de morfos, dentro de la flor). Por tanto representa un apoyo a ciertas hipótesis sobre la evolución de la heterostilia en las que esta promoción de la transferencia legítima es el factor clave (The evolution of heterostyly. In Evolution and function of heterostyly (pp. 151- 178). Springer Berlin Heidelberg. Lloyd, D. G., & Webb, C. J. (1992)), como ya propuso Darwin en “The different forms of flowers on plants of the same species” (1877). De hecho, esta heterostilia tridimensional aparece de forma terminal en una filogenia muy preliminar de algunas especies de Linum (Armbruster et al. 2006). Sin embargo, no se sabe si hay casos intermedios en esta evolución o si una vez alcanzada ésta heterostilia, es estable. El objetivo general de este capítulo consistió en estudiar procesos microevolutivos de la aparición de la heterostilia en tres dimensiones en el complejo de L. tenuifolium aggr., usando para ello información morfológica y del sistema de incompatibilidad. Además, se incorporaron marcadores moleculares nucleares y plastidiales para establecer las relaciones filogenéticas y procesos filogeográficos. Además se determinaran los mecanismos de reproducción de las distintas formas estilares, cuando las hay, y el tipo de hercogamia presente en este grupo de especies. 4. An unnoticed flax species (Linum flos-carmini, Linaceae) from North Morocco revealed by morphological evidence. (Capítulo 5): Por último se presenta un resultado colateral, el reconocimiento de una nueva especie heterostila de Marruecos. El estudio morfológico del capítulo 2 permitió identificar problemas taxonómicos en L. setaceum en el Norte de África, que están relacionados directamente con la evolución de la heterostilia en Linum. El objetivo del capítulo 4 fue esclarecer el estado taxonómico de L. setaceum var. bicolor f. robusta . Los resultados de la tesis son: 1. Variación de la heterostilia y polimorfismos sexuales asociados en Linum L.: En el manuscrito correspondiente al capítulo 2 se describen ocho tipos de polimorfismos que posteriormente se han usado para reconstruir la evolución de este carácter en la filogenia. Además se describe un nuevo polimorfismo en el género, trimorfismo estilar, encontrado en una especie localizada en Turquía. En concreto se describen especies sin polimorfismo, es decir, que los verticilos sexuales que presentan sus flores no exhiben diferencia en las alturas de estambres y estigmas (especies sin hercogamia); Otras presentan una hercogamia horizontal, es decir, los verticilos sexuales se separan no en altura, sino en el eje horizontal. También existe una hercogamia reversa, es decir, todas las flores de la población presentan los estambres por encima de los estigmas, situación bastante rara en la naturaleza. Y la hercogamia de aproximación, donde los estigmas se colocan por encima de los estigmas en toda la población pero no de una forma perfecta sino que esa hercogamia puede variar. Además, se estudia la variabilidad que presenta la distilia en el género, y se pone de manifiesto que esta distilia difiere entre especies. Para ello se usan los dos test más empleados para caracterizar y dar valores orientativos sobre la perfección de la reciprocidad presente en cada especie heterostila estudiada, ya sean distílicas o trimórficas (Richards, J. H., & Koptur, S. (1993). Floral variation and distyly in Guettarda scabra (Rubiaceae). American Journal of Botany, 31-40.; y Sánchez, J. M., Ferrero, V., & Navarro, L. (2013). Quantifying reciprocity in distylous and tristylous plant populations. Plant Biology, 15(3), 616-620). Tanto la hercogamia reversa como el trimorfismo, son tipos morfológicos descritos por primera vez en el género Linum. 2. Style polymorphism in Linum (Linaceae): a case of Mediterranean convergent evolution?: No es la primera vez que se realiza un estudio filogenético de este tipo (McDill et al., 2009, 2010), pero si la primera vez que se ejecuta con la mayoría de las especies de la cuenca del Mediterráneo (74 sp.) y Sudáfrica (14 sp.) muestreadas en el campo por el autor y colaboradores. Linum y dos de sus cinco secciones no son monofileticos. La sección Dasylinum aparece como monofilética, pero se anida dentro de la sección Linum. Radiola se coloca de lleno entre los principales linajes de Linum. Las secciones Cathartolinum y Syllinum se anidan dentro de la sección Linopsis, como los géneros Hesperolinon, Sclerolinon y Cliococca, lo que implica la existencia de parafilia en Linum cuando se reconocen a estos géneros como tales. Según los resultados, el género Linum en sentido amplio (incluyendo Cliococca, Hesperolinon, Radiola y Sclerolinon) se originó entre el final del Eoceno y el comienzo del Oligoceno (43,31- 33,95Ma). Es un grupo monofiletico bien apoyado estadísticamente en los tres análisis por separado. De las secciones que forman el género Linum la secc. Linum parece ser la más antigua, la cual se originó entre el mioceno medio y el oligoceno tardío (15,26- 28,67) en zonas del Asia templada. La heterostilia es muy frecuente en el género, pero parece concentrada en la cuenca mediterránea y, en menor medida, en la Región del Cabo en Sudáfrica. La reconstrucción de caracteres ancestrales no determinó un único estado como la condición más probable para el polimorfismo estilar en el género, aunque para algunos grupos la hercogamia se resolvió como estado ancestral. Otros rasgos putativamente relacionados con la heterostilia, tales como la forma de vida (perennialidad, anualidad) y la poliploidía, no mostraron ninguna correlación filogenética significativa, mientras que algunos tipos de polinizadores (moscas de probóscide) se asocian con casos específicos de heterostilia. Las evidencias disponibles apuntan a que son los diferentes tipos de polinizadores especializados los que promueven el funcionamiento de la heterostilia en la cuenca mediterránea, y Sudáfrica. Esto explicaría la presencia múltiple de heterostilia en este linaje. 3. Relaciones evolutivas entre distintos linajes de lino blanco (Linum tenuifolium s.l.) en la cuenca del mediterráneo: En el capítulo 4 se muestran resultados sobre relaciones filogenéticas y filogeográficas, usando ADN plastidial y nuclear, de 125 poblaciones de la cuenca del mediterráneo. Una vez obtenidos los resultados filogenéticos, se infirió el periodo de formación de los clados resueltos con buen apoyo estadístico utilizando puntos de calibración internos y externos al género. De manera general podemos decir que todas las poblaciones de L. suffruticosum estudiadas (86) presentan una distilia en 3D en todo su rengo de distribución, con alguna variación dependiendo del hábitat donde se desarrollan. Mientras que L. tenuifolium s.str. (39) presenta plantas con flores monomórficas, con hercogamia en el eje horizontal entre sus verticilos sexuales, en toda su distribución, mostrando una variación floral intraespecífica casi inexistente en toda su distribución. Ambos análisis filogenéticos (nuclear y plastidial) presentaron a L. tenuifolium aggr. como un grupo monofiletico con buena resolución estadística, bajo análisis de Máxima Parsimonia (MP), Máxima probabilidad (ML) e inferencia bayesiana. Pero los marcadores tanto nucleares como plastidiales elegidos no dieron la resolución deseada. Para separar ambas especies se realizaron varios análisis estadísticos como un Análisis de diferenciación genética (Snn) y tests de Mantel. Posteriormente se usó la topología plastidial resultante del análisis bayesiano para determinar la edad de los clados. Según el cronograma resultante del análisis de datación, el grupo de estudio comienza a divergir aproximadamente hace unos 10 MA (media del intervalo al 95% HPD). Y la edad en la que se establecen ambas especies esta en torno a los 5,75 MA. Periodo que corresponde aproximadamente con la formación del Mediterráneo. A expensas de este análisis plastidial se realizó un estudio filogeográfico para ambas especies por separado seleccionando los clados más importantes resultantes de la topología. La presencia de tantos haplotipos interrelacionados en el caso del análisis biogeográfico de L. suffruticosum (18 haplotipos, frente a 8 resultantes para L. tenuifolium), nos indica que hubo un haplotipo con un gran éxito basal que tuvo una gran capacidad colonizadora. A partir del cual aparecieron los diferentes haplotipos debido a una diferenciación reciente y a una tasa evolutiva alta. Además se incluye un estudio de la biología reproductiva y polimorfismo estilar en L. tenuifolium aggr. en condiciones naturales. Este estudio se realizó en tres poblaciones diferentes de la Península Ibérica (Málaga, Guadalajara y los Pirineos). Este último ítem nos muestra que la especie heterostila L. suffruticosum presenta un sistema de incompatibilidad heteromorfica típico de este tipo de polimorfismo sexual, pero que las barreras interespecíficas entre estas dos especies tan afines no son tan fuertes. Mientras que L. tenuifolium se muestra como una especie autocompatible, corroborando estudios anteriores. 4. An unnoticed flax species (Linum flos-carmini, Linaceae) from North Morocco revealed by morphological evidence. En el capítulo 5 se muestra la descripción de una nueva especie como consecuencia del estudio morfométrico y filogenético. Además esto resulta muy relevante ya que es una especie relacionada con L. setaceum, especie que es homostila, mientras que la especie nueva es heterostila. Principales conclusiones: Nivel Macroevolutivo: (i) Caracterización del polimorfismo sexual encontrado en cada especie. (ii) Comprobación de las relaciones filogenéticas entre las distintas especies (y algunas subespecies) y reconstrucción del estado ancestral de los caracteres en la filogenia resultante. Nivel Microevolutivo: (iii) Se concretan las relaciones evolutivas entre los linajes de lino blanco (L. tenuifolium aggr.) en la Cuenca del Mediterráneo. (iv) Aclaraciones sobre el funcionamiento del sistema de incompatibilidad heteromórfico dentro del grupo (v) Por último se presenta un resultado colateral, el reconocimiento de una nueva especie heterostila de Marruecos y la descripción de un nuevo polimorfismo en el género, trismorfismo estilar, encontrado en una especie localizada en Turquía.
Translated title of the thesisEvolution of heterostyly in Linum
Original languageSpanish
Awarding Institution
  • University of Seville
Supervisors/Advisors
Award dateDec 2017

Research Outputs

Relations Get citation (various referencing formats)

ID: 14417108