Especiação híbrida : citogenética, filogenia e reprodução de três espécies de Dyckia (Bromeliaceae)

Abstract

Hibridação é um elemento importante para entender os processos que levam a especiação, principalmente em plantas, uma vez que híbridos naturais são comuns para este grupo. Dyckia hebdingii, D. julianae e D. choristaminea são espécies ameaçadas de extinção, endêmicas dos Campos Sulinos, que ocorrem em simpatria. Considerando que D. julianae tem morfologia intermediária entre as outras duas espécies e que estudos prévios, utilizando marcadores microssatélites, também revelaram um perfil molecular intermediário, a especiação híbrida é proposta para a origem dessa espécie. Esta tese contempla três diferentes abordagens utilizadas para discutir a possível origem híbrida de D. julianae a partir do cruzamento de D. hebdingii e D. choristaminae. Primeiramente analisamos estas espécies com uma abordagem citogenética, investigando os números cromossômicos, sua regularidade meiótica, a morfologia e viabilidade do dos grãos de pólen e o tamanho do genoma. Os resultados mostraram que as três espécies são diploides 2n = 50, e com tamanho de genoma bastante similar (2C = ~1,71 pg); todas apresentam alta regularidade meiótica e alta viabilidade polínica. A partir exclusivamente desses dados a hipótese de hibridação ainda não poderia ser confirmada nem refutada, porém indicando um possível híbrido homoploide. Complementarmente, análises moleculares utilizando sequenciamento de regiões plastidiais e nucleares foram realizadas para inferir a herança biparental (nuDNA) e materna (cpDNA) de D. julianae. Os resultados indicaram que D. choristaminea provavelmente contribuiu maternalmente na origem de D. julianae, sendo D. hebdingii o provável progenitor paterno. Além disso, os padrões de relacionamento tanto na filogenia nuclear quanto na plastidial estão de acordo com a hipótese inicial de origem hibrida de D. julianae, agrupando Tese de Doutorado – Luiza Domingues Hirsch 7 essa espécie com D. hebdingii e D. choristaminea. Por fim, como uma terceira abordagem, foram realizados experimentos de biologia reprodutiva in situ para averiguar o sistema de cruzamento, sucesso reprodutivo, e germinação do pólen das três espécies, além de confirmar a compatibilidade de D. julianae com as outras duas espécies. Os resultados dessa abordagem indicaram que D. choristaminea e D. julianae têm um sistema de cruzamento misto, gerando frutos nos tratamentos de polinização cruzada e autopolinização. Curiosamente, D. hebdingii só produziu frutos quando submetida à autopolinização. Com o experimento de crescimento de tubo polínico, obtivemos resultados concordantes, no qual D. hebdingii apresentou crescimento do tubo somente no tratamento de autopolinização manual, enquanto D. julianae e D. choristaminea tiveram crescimento do tubo com autopolinização e polinização cruzada. Dyckia julianae apresentou o menor sucesso reprodutivo entre as espécies, mas a proporção de sementes viáveis ainda foi menor em D. choristaminea. Cruzamentos interespecíficos mostraram compatibilidade entre D. julianae e ambas espécies parentais, porém os frutos só foram gerados quando as espécies parentais agiram como doadoras de pólen. Os resultados obtidos através das abordagens utilizadas nessa tese, permitiram propor a origem híbrida de D. julianae. Os resultados apresentados não estão de acordo com os padrões esperados para hibridação recente, pelo contrário, indicam que D. julianae teria surgido por hibridação, mas se manteve ao longo das gerações como uma espécie independente de D. hebdingii e D. choristaminea, embora proximamente relacionadas.

Hybridization is an important element to understand the processes that lead to speciation, especially in plants, since natural hybrids are common for this group. Dyckia hebdingii, D. julianae and D. choristaminea are endangered species, endemic to Campos sulinos ecozone, which occur in sympatry. Dyckia julianae has intermediate morphology between the other two species and the issue of hybridization has been raised. Studies using microsatellite markers have generated results compatible with hybrid speciation. This thesis contemplates three different approaches used to discuss the possible origin of D. julianae by hybrid speciation. First, we analyzed these species with a cytogenetic approach, investigating the chromosomal numbers, their meiotic regularity, the morphology and viability of the pollen grains and the size of the genome. The results showed that the three species are diploids 2n = 50, with a very similar genome size (2C = ~1.71 pg); all have high meiotic regularity and high pollen viability. Based exclusively on these data, the hybridization hypothesis could not yet be confirmed or refuted, but indicating a possible homoploid hybrid. Molecular analyzes using sequencing of plastid and nuclear regions were performed to test the hypothesis of hybrid origin of D. julianae and to infer the biparental (nuDNA) and maternal (cpDNA) inheritance. The results indicate that D. choristaminea probably contributed maternally to the origin of D. julianae, with D. hebdingii being the probable paternal parent. In addition, the relationship patterns in both nuclear and plastid phylogeny are in accordance with the initial hypothesis of hybrid origin of D. julianae, grouping this species with D. hebdingii and D. choristaminea. Finally, as a third approach, in situ reproductive biology experiments were carried out to investigate the mating system, reproductive success, and pollen germination of the three species, in Tese de Doutorado – Luiza Domingues Hirsch 9 addition to confirming the compatibility of D. julianae with the other two species. The results of this approach indicate that D. choristaminea and D. julianae have a mixed mating system, generating fruits in cross-pollination and self-pollination treatments. Curiously, D. hebdingii only produced fruit when subjected to self-pollination. With the experiment of tube pollinic growth, we obtained concordant results, in which D. hebdingii showed tube growth only in the treatment of manual self-pollination, while D. julianae and D. choristaminea had tube growth with self-pollination and cross-pollination. Dyckia julianae had the lowest reproductive success among species, but the proportion of viable seeds was still lower in D. choristaminea. Interspecific crosses showed compatibility among D. julianae and both parental species, however the fruits were only generated when the parental species acted as pollen donors. The results obtained through the approaches used in this thesis, allowed to propose the hybrid origin of D. julianae. The results presented are not in accordance with the patterns expected for recent hybridization, on the contrary, they indicate that D. julianae emerged through hybridization, but has remained throughout the generations as an independent species from D. hebdingii and D. choristaminea, although closely related.