Batrachospermales (rhodophyta) from the Iberian Peninsula and the Balearic IslandsDiversity and phylogeny

Resumen

English In this thesis we have explored the diversity of freshwater red algae (Rhodophyta) in the Iberian Peninsula and the Balearic Islands, with special focus on the order Batrachospermales. The biodiversity of a taxonomic group can be studied from various points of view; in this case the analysis starts with an exhaustive bibliographic review which then provides the baseline to develop in situ an examination of this biodiversity with both a morphological characterization and with molecular data. The relevance of a study of the freshwater red algae in the Ibero-Balearic region is of primary importance as large scale data is not available. Secondly, although freshwater red algae are a minority group, within the mostly marine red algae, and usually scarce, its role as a good quality environmental bio-indicator is very remarkable. The knowledge of the freshwater red algae, therefore, is essential and necessary for every posterior survey concerning environmental managment, biogeography, and evolutionary history, amongst others. In Chapter 1, we present a novel catalogue, not only in its degree of updating but also for the information itself, unpublished so far in any other checklists, especially those referring to Portuguese red algal flora. Thus, the checklist contains 67 species for the Ibero-Balearic region. Furthermore, considerable efforts have been made to examine the synonyms to provide updated data. Whenever possible we have also connected the references to their respective hydrographic basins, thus contributing not only to information about the biodiversity of freshwater red algae but also to their geographic distribution. This work emphasises the importance of checklists when dealing with an Iberian Flora study on red algae, whilst pointing out those areas of Iberia that have remained poorly explored until now and the taxonomic groups of Rhodophyta which require further study. In Chapter 2 and Chapter 3, we focus on the study of the order Batrachospermales, this being the most diverse order in the freshwater lotic habitats. The goal was to collect specimens of the red algal order Batrachospermales in the Iberian Peninsula and the Balearic Islands for both morphological and molecular analysis, in order to characterize their diversity, determine their phylogenetic affinities and make biogeographic inferences. In Chapter 2, the morphological identification, as well as sequence data analysis of the plastid-encoded Rubisco large subunit gene (rbcL) of 52 specimens collected revealed that the Batrachospermales were represented by ten taxa: Batrachospermum gelatinosum, B. helminthosum, B. pozoazulense, B. turfosum, B. vogesiacum, Nothocladus ater (Setacea atra), Sheathia arcuata, S. boryana, S. confusa, and Volatus carrionii. Both B. pozoazulense and V. carrionii collected in this survey have been described for the first time. Therefore, Chapter 3 is the taxonomic proposal of this recently registered diversity. The contribution of the study is not only novel for the use of molecular tools with Iberian Batrachospermales diversity, but it also increases our understanding of an unexplored biodiversity hotspot that will provide information for future research, especially if this area is significantly affected by climate change. In Chapter 3, we analyse thirteen samples of Batrachospermales collected from stream sites in Europe (Spain), North America (Canada and USA) and Asia (China). Phylogenetic analyses based on sequences of the plastid-encoded Rubisco large subunit gene (rbcL) and the mitochondrial-encoded cox1 gene barcode region, along with morphological studies, suggest that the specimens represent new taxa. A new genus, Volatus, with three species V. carrionii, V. personatus and V. ulterior, and four new species of Batrachospermum sensu stricto: B. dapsile, B. naiadis, B. pozoazulense and B. shanxiense. Taxa proposed from the molecular analyses were in some cases difficult to distinguish based only on the morphology when dealing with cryptic or pseudocryptic species. The new genus Volatus shares the distinctive characteristics of twisted or curled carpogonium-bearing branches with Kumanoa and Tuomeya, but was not sister to either of these genera, suggesting that this character may have arisen at least three times in the order. The proposed Batrachospermum species B. naiadis, B. pozoazulense, B. shanxiense overlap in both vegetative and reproductive characters with each other and B. gelatinosum. B. dapsile has a distinguishing character of monosporangia in clusters arising from the pericentral or proximal cells. Data from this study reveal that new morphological diversity is still being discovered in the Batrachospermales and this increased sampling further elucidates the evolutionary history of this group of organisms. Castellano En esta tesis exploramos la diversidad de las algas rojas (Rhodophyta) continentales en la Península Ibérica e Islas Baleares, y más en concreto en el orden Batrachospermales. La biodiversidad de un grupo taxonómico puede estudiarse desde puntos de vista muy diversos, en este caso el análisis partió de una revisión exhaustiva de la literatura que estableció las bases para desarrollar a continuación un examen in situ en el que esta biodiversidad se caracterizó de forma tanto morfológica como a nivel molecular. La importancia de las algas rojas continentales en la región Ibero-Balear radica en primer lugar por la ausencia de un compendio de datos actualizado a gran escala. En segundo lugar, porque a pesar de ser un grupo minoritario dentro del total de algas rojas mayoritariamente marinas y poco abundante en los medios continentales, actúan generalmente como bioindicadores de calidad ambiental. El conocimiento de las algas rojas continentales es por tanto esencial y necesario para cualquier trabajo posterior sobre gestión del medio acuático, biogeografía, estudio de las relaciones evolutivas tanto a escala europea como global, entre otros. En el Capítulo 1, se presenta un catálogo sobre algas rojas continentales ibéricas. Resulta novedoso, no sólo por su grado de actualización de los datos, sino por la información inédita, especialmente aquella relacionada con la flora ficológica de rodofíceas de Portugal. El presente catálogo recoge 67 especies para la región Ibero-Balear. Además, se examinaron cuidadosamente los casos de sinonimia con el objetivo de generar un inventario coherente. Por otro lado, cuando los datos lo permitieron, se relacionó cada cita bibliográfica con su respectiva cuenca hidrográfica. De esta forma, se contribuye no sólo con datos de biodiversidad sobre algas rojas continentales sino también en lo relativo a su distribución geográfica. Este trabajo enfatiza la importancia de un catálogo a la hora de plantear un estudio sobre rodofíceas continentales ibéricas, ya que informa sobre aquellas áreas que permanecen poco exploradas y sobre los grupos taxonómicos que requieren mayor hincapié. En Capítulo 2 y Capítulo 3, centramos el estudio en el orden Batrachospermales -morfotipo Batrachospermum-, siendo este el orden de algas rojas de ambientes continentales lóticos más diverso en cuanto a riqueza de especies. El objetivo consistió en recolectar Batrachospermales de toda la Península Ibérica e Islas Baleares y analizarlos tanto a nivel morfológico como desde una perspectiva molecular, para caracterizar su diversidad, determinar las relaciones filogenéticas e inferir su biogeografía. En el Capítulo 2, se llevó a cabo una identificación morfológica y un análisis de secuencias de ADN cloroplastidial (rbcL) de 52 especímenes. Como resultado se obtuvo la presencia de 10 taxones de Batrachospermales: Batrachospermum gelatinosum, B. helminthosum, B. pozoazulense, B. turfosum, B. vogesiacum, Nothocladus ater (Setacea atra), Sheathia arcuata, S. boryana, S. confusa, y Volatus carrionii. Tanto B. pozoazulense como V. carrionii fueron recolectados por primera vez en este trabajo y son descritos como nuevas especies en el capítulo siguiente. La contribución de este estudio resulta novedosa debido a que se utilizan técnicas moleculares para analizar la diversidad de Batrachospermales ibéricos en un territorio considerado un punto caliente de biodiversidad, susceptible de ser afectado por el cambio climático. En el Capítulo 3, se analizaron 13 muestras de Batrachospermales recolectadas en cursos fluviales de Europa (España), Norte América (Canada y USA) y Asia (China). Los análisis filogenéticos de ADN cloroplastidial (rbcL) y ADN mitocondrial (cox1) combinados con una caracterización morfológica, sugieren que el material recolectado corresponde con biodiversidad no descrita hasta el momento. La propuesta taxonómica consiste en un nuevo género, Volatus, con tres especies V. carrionii, V. personatus y V. ulterior, y cuatro nuevas especies para el género Batrachospermum: B. dapsile, B. naiadis, B. pozoazulense y B. shanxiense. Los taxones propuestos basados en el análisis molecular fueron en la mayoría de los casos difíciles de distinguir morfológicamente, y se pueden considerar especies crípticas o pseudocrípticas. El nuevo género Volatus comparte el rasgo distintivo que poseen los géneros Kumanoa o Tuomeya, caracterizados por poseer una rama carpogonial helicoidal o curvada, sin presentar similitud genética alguna entre cualquiera de los tres géneros. Este hecho sugiere la posibilidad de la aparición en tres momentos evolutivos diferentes del mismo carácter morfológico dentro del orden Batrachospermales. Las especies B. naiadis, B. pozoazulense y B. shanxiense propuestas para el género Batrachospermum presentan solapamiento entre ellas y respecto a la especie tipo del género, B. gelatinosum, tanto en los caracteres morfológicos vegetativos como en las estructuras reproductoras. Únicamente la especie B. dapsile se puede distinguir morfológicamente debido a que posee monosporangios reunidos en agregados que parten de la célula pericentral o proximal y al mismo tiempo en el ápice de los fascículos primarios. Los datos de este estudio ponen de manifiesto la existencia de nueva diversidad morfológica en el orden Batrachospermales lo que sugiere que incrementando los esfuerzos de muestreo se podrá mejorar la comprensión de la historia evolutiva de este grupo de organismos y sus rasgos taxonómicos discriminantes.