Sistemática y evolución en la subfamilia fumarioideae

Resumen

Esta tesis doctoral se desarrolla con dos objetivos principales, el primero de ellos realizar la primera filogenia completa de la subfamilia Fumarioideae utilizando caracteres moleculares. El segundo, estudiar la morfología del grano de polen de todos los géneros actuales de Fumarioideae, analizando también los rasgos ultraestructurales de la pared del polen y aperturas durante el desarrollo ontogénico del mismo, para integrar dicha información con la hipótesis filogenética obtenida previamente. La subfamilia Fumarioideae es el grupo más diversificado de la familia Papaveraceae (Zhang et al., 2008), familia que en los últimos años se ha convertido en un grupo modelo para el estudio de la evolución de los caracteres florales y de los genes implicados (Köhl and Gleissberg, 2006; Damerval and Nadot, 2007; Hidalgo et al., 2012; Damerval et al., 2013). Sin embargo, la carencia de una hipótesis filogenética completa para este grupo impide la reconstrucción de los procesos identificados sobre el patrón evolutivo de la subfamilia. Por su parte, el estudio de los caracteres derivados de la morfología y ultrastructura polínicas con el fin de abordar cuestiones sistemáticas es una tarea clásica (Doyle and Hotton, 1991; Hoot et al., 2009) que en los últimos años se ha visto desbancada por el auge en el desarrollo de las herramientas moleculares. La integración de ambas herramientas pretende evaluar en qué medida pueden complementarse y ampliar el conocimiento sobre la evolución de la subfamilia Fumarioideae. Para desarrollar los objetivos marcados en esta tesis se recolectaron representantes de todos los géneros de la subfamilia Fumarioideae mediante muestreo en las poblaciones naturales siempre que fue posible, visitas a jardines botánicos internacionales para aquellos táxones de distribución lejana, o petición de préstamo a herbarios internacionales en los casos que no se pudo recopilar material fresco. Para el desarrollo de la filogenia molecular se extrajo ADN a partir de hojas de cada uno de los táxones estudiados, se obtuvieron los marcadores moleculares empleando técnicas de biología molecular en laboratorio, y se desarrollaron los análisis filogenéticos pertinentes empleando las metodologías actualmente más extendidas como son la máxima parsimonia y la inferencia bayesiana. Una vez obtenida la hipótesis filogenética se implementaron otras técnicas derivadas de la inferencia filogenética como la reconstrucción de caracteres ancestrales, estimación de tiempos de divergencia y análisis biogeográfico para la subfamilia. Para el desarrollo del objetivo de descripción polínica se recogieron flores y botones florares en distintos estadíos de desarrollo para todos los táxones muestreados, fueron fijados sus estambres para posteriormente tratar los granos de polen, algunos de los cuales se destinaron a técnicas de microscopia de barrido y otros a técnicas de microscopia electrónica de transmisión para la posterior observación de la morfología externa y la ultrastructura de su pared y aperturas respectivamente. Tras la descripción y codificación de los rasgos polínicos empleados se desarrollaron técnicas de reconstrucción de estados ancestrales para analizar la evolución de dichos caracteres polínicos a lo largo de la historia de Fumarioideae. Los principales resultados obtenidos muestran que la subfamilia es un grupo fuertemente apoyado que incluye dos grandes linajes, la tribu Hypecoeae y la tribu Fumarieae. La inclusión del género Pteridophyllum en la subfamilia por autores previos (Wang et al., 2009) no es confirmada por nuestros resultados y es explicada debido a una malinterpretación de la información morfológica y a que este táxon está implicado en un fenómeno de atracción de ramas largas con el género Hypecoum. La filogenia de la tribu Fumarieae muestra la existencia de un conjunto de linajes basales con naturaleza parafilética, para los que hemos empleado la terminología de 'Fumarieae basales' con el fin de agrupar a todos aquellos géneros con corola bisimétrica. El grupo 'Crown Fumarieae' lo hemos definido para incluir al resto de táxones, todos ellos con corola zigomorfa (a excepción del género Dactylicapnos). En este grupo se alberga la subtribu Fumariinae, previamente descrita en base a caracteres morfológicos (Lidén 1986) y para la que hemos confirmado la existencia de tres clados monofiléticos (Clado Cysticapnos, Clado Fumaria y Clado Sarcocapnos) también reconocidos previamente. La estima de tiempos de divergencia y los análisis biogeográficos permiten reconstruir la historia evolutiva de la subfamilia. Fumarioideae se originó en el Este de Asia a final del Cretácico Temprano, en condiciones de vegetación megatérmica estando su ancestro adaptado a los hábitats de sotobosque. Diferentes dispersiones desde el Este de Asia hacia el Centro de Asia, el Oeste de Norte América y la región de Indochina explican la distribución actual de los táxones basales de la subfamilia. Una dispersión hacia la región del Himalaya durante el Eoceno temprano y las fuertes fluctuaciones climáticas a nivel global descritas durante el mismo período pudieron motivar el aumento en la tasa de diversificación mostrado por el grupo 'Crown Fumarieae'. Durante el Eoceno Temprano el ancestro de la subtribu Fumariinae alcanzó la región Irano-Turánica, desde la que se alcanzó la región de Sudáfrica probablemente en un proceso de `stepping-stones' durante el Eoceno Tardío y la región Mediterránea ya en el Oligoceno y Mioceno en dos migraciones independientes. La descripción de los caracteres polínicos en la subfamilia confirma que se trata de un grupo euripalino en cuanto a morfología polínica se refiere, como ya había sido mostrado previamente (Kalis, 1979; Blackmore et al., 1995). La ultrastructura de la pared del polen refleja que la tribu Fumarieae es un grupo caracterizado por presencia de base lamelada durante los estadíos tempranos de desarrollo del grano de polen, infratectum granular y presencia de tapón de material algodonoso (denominado 'fluffy material' en Romero and Fernández, 2000) en las aperturas de la mayoría de géneros de la tribu. Las tribus Hypecoeae y Fumarieae presentan características polínicas muy distintas tanto a nivel morfológico como ultrastructural. La reconstrucción de los estados ancestrales para los caracteres polínicos muestra que las distintas capas de la ectexina evolucionan de forma conjunta y su morfología nos ha permitido identificar la presencia de cuatro modelos de ectexina cuya evolución es consistente con la filogenia de la subfamilia. El modelo columelar, el modelo granular, el modelo Fumaria y el modelo Sarcocapnos. La evolución de las características morfológicas del grano de polen de Fumarioideae muestra tendencias hacia el incremento en el número de aperturas, reducción de las perforaciones en el téctum y desarrollo de ornamentación de la exina verrugada y rugulada. El incremento en el número apertural puede facilitar el proceso de germinación del polen y una mejor adaptación al mecanismo de harmomegatia. La harmomegatia también es propuesta como detonante de la adquisición de superficies verrugadas y ruguladas en la mayoría del clado 'Crown Fumarieae', quizás como respuesta a la adaptación a ambientes áridos y secos en la mayoría de sus linajes. Blackmore, S., Stafford, P. and V. Persson. 1995. Palynology and systematics of Ranunculiflorae. Plant Systematics and Evolution 9(Supp):71-82. Damerval, C. and S. Nadot. 2007. Evolution of perianth and stamen characteristics with respect to floral symmetry in Ranunculales. Annals of Botany 100:631-640. Damerval, C., H. Citerne, M. Le Guilloux, S. 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