Filogeografia e variabilidade genética de Calibrachoa heterophylla (Sendtn.) Wijsman (Solanaceae)

Abstract

O gênero Calibrachoa (Solanaceae) é tipicamente Sul-americano, atingiu o sudeste brasileiro através de uma provável rota migratória andino-pampeana. As espécies de Calibrachoa não possuem mecanismos de dispersão de sementes a longas distâncias nem qualquer estratégia de multiplicação vegetativa. Calibrachoa heterophylla é uma espécie que habita dunas e campos arenosos, preferencialmente ao longo da Planície Costeira do Rio Grande do Sul (RS). Essa região pode ser considerada como uma área altamente dinâmica do ponto de vista da geografia histórica. Oscilações periódicas no clima e na disponibilidade de habitats, especialmente durante o Pleistoceno, tiveram grande efeito na distribuição e história evolutiva de muitos grupos biológicos. Na Planície Costeira do RS, áreas que conservam a fisionomia natural são cada vez mais raras e fragmentadas, devido à urbanização e atividades agronômicas, fazendo com que muitas espécies vegetais e animais estejam cada vez mais ameaçadas de extinção. A disponibilidade e o avanço das técnicas moleculares, além do enriquecimento das análises filogenéticas intra-específicas, têm possibilitado de maneira eficaz a interpretação de possíveis cenários evolutivos. Dados filogeográficos permitem estabelecer uma estratégia que prioriza a conservação de grupos que incluam representantes da maior parte da história evolutiva das espécies. Este trabalho teve como objetivo principal caracterizar, através de marcadores moleculares plastidiais, a variabilidade genética da espécie C. heterophylla ao longo de toda sua distribuição geográfica conhecida, fornecendo dados sobre sua evolução, taxonomia e filogeografia, associando-os à geologia da Planície Costeira. Foram amostrados 220 indivíduos pertencentes a 13 populações ao longo da distribuição da espécie no RS. O material coletado teve o DNA extraído a partir de folhas jovens usando CTAB. Foram analisadas as seqüências dos espaçadores intergênicos plastidiais trnH-psbA, e trnS-trnG. Análises filogeográficas e populacionais foram realizadas com a finalidade de avaliar a diversidade e padrões evolutivos de C. heterophylla. O alinhamento das seqüências de trnH-psbA e trnS-trnG apresentou 1280 pb com 26 sítios polimórficos, variabilidade relativamente alta se considerarmos a recente história evolutiva do grupo. Na network gerada foi observada uma estruturação geográfica consistente onde 65,24% da variação detectada corresponderam à variação entre populações ( ST =0,65238). Esta característica foi reforçada pela significante correlação, entre as distâncias genética e geográfica, observada através dos testes de Mantel e Autocorrelação Espacial. A análise de possíveis barreiras ao fluxo gênico na área de estudo, realizada através do programa SAMOVA, indicou a existência de até duas barreiras formando três grupos de populações. Não foram encontradas evidências de expansão demográfica recente para o conjunto completo de dados: a análise da distribuição mismatch apresentou uma curva bimodal e os índices D de Tajima e Fs de Fu não apresentaram valores estatisticamente significativos. Entretanto, quando os mesmos parâmetros foram calculados para os agrupamentos formados pelo programa SAMOVA isoladamente, dois deles (1 e 2) parecem ter passado por um período de expansão demográfica recente. A restrita capacidade de dispersão de sementes nesta espécie e, a herança materna dos cloroplastos neste gênero, podem ser as prováveis razões para a baixa variabilidade genética intrapopulacional encontrada, visto que os marcadores utilizados são seqüências plastidiais. A alta diversidade observada entre alguns dos grupos dificilmente poderia ter surgido, em sua totalidade, já na Planície Costeira, pois essa é uma região geologicamente muito recente (~ 400.000 A.P.). Então, distintas linhagens devem ter colonizado essa região através de diferentes rotas ou em momentos diversos e não se uniram devido às barreiras biogeográficas que encontraram no ambiente. Quando se compara a localização das barreiras biogeográficas sugeridas pelo programa SAMOVA com a geologia da Planície Costeira, percebe-se que essas barreiras coincidem com paleocanais mapeados através de dados sísmicos por diversos autores. Durante as coletas, muitas vezes não foi possível encontrar C. heterophylla em regiões onde sua ocorrência era esperada. Pelo fato da Planície Costeira do RS ser cada vez mais alvo da ação humana e de C. heterophylla demonstrar ser muito exigente quanto a mudanças ambientais, essa espécie pode ser indicada como altamente ameaçada. Um resultado inesperado foi a descoberta da existência de populações de C. heterophylla fora da Planície Costeira em coleta realizada por nosso grupo na região da Campanha Sul-rio-grandense, em um ambiente muito semelhante àquele normalmente encontrado na Planície Costeira. Este fato conduz à necessidade de averiguarmos a existência de outras populações no interior do continente no RS. Fica como perspectiva para o pleno conhecimento da evolução, origem e real distribuição de C. heterophylla, investigar as redes hidrográficas localizadas no interior do Estado.

The South American genus Calibrachoa (Solanaceae) likely arrived at the Brazilian southeast region through an andean-pampean migratory route. Calibrachoa species do not have a long distance seed dispersal system or any strategy for vegetative propagation. Calibrachoa heterophylla dwell in dunes and sandy fields, mainly at the Coastal Plain of Rio Grande do Sul Brazilian state. Cyclic climatic and habitat occurrence oscillations in the Pleistocene had high influence in the distribution and evolutionary history of many biological groups. Areas that still maintain the original habitats in the Coastal Plain are rare and mostly fragmented due to anthropic actions, leading many plant and animal species to near extinction. The use of new molecular techniques and analytical methods bring important insights into likely evolutionary scenarios. Besides, findings of phylogeographic studies also brought new light into biological conservation strategies, focusing in intraspecific history and patterns of diversity. The main objective of this work is to use plastidial molecular markers to characterize the genetic diversity of C. heterophylla through its distributional range, to better understand its evolution, phylogeographic patterns and taxonomy, associated with the geological history of the Coastal Plain. We sampled 220 individuals from 13 populations through Rio Grande do Sul, from which we obtained sequences from the plastidial intergenic spacers trnH-psbA and trnStrnG. The sequences were aligned and analyzed with several populational and phylogeographic methods. The alignment of trnH-psbA plus trnS-trnG spacers is 1280 bp with 26 variable sites, a high value considering the likely recent evolutionary history of the specie. The haplotype network shows a clear geographical structure, with 65.2% of the variation being among populations in the AMOVA as well as having a significantly high ST (=0,65238). We also found a significant correlation between the genetic and geographical distances and significant patterns in the Spatial Autocorrelation analysis. The SAMOVA analysis found two likely barriers to gene flow separating three groups of populations. No evidence for population expansion for the species was found using a mismatch distribution analysis (that was bimodal) or by neutrality tests (all non-significant). However, when these statistics where estimated for each population-group found in SAMOVA, two of them (1 and 2) presented evidences for a relatively recent demographic expansion. The limited seed dispersal ability of this species coupled with the maternal inheritance of the plastidial markers used may be a likely explanation for the low intrapopulational diversity found. The high divergence found between some groups could not likely be explained has having originated in the Coastal Plain, as this region of geologically very recent (~400.000 years ago). Consequently, already differentiated lineages should have colonized the region perhaps by different routes and stayed isolated due the barriers found in the area. When the location of the barriers suggested by SAMOVA is compared with the geology of the region, there are coincidence between those and the reconstructed path of ancient river channels. During field work, at several sites where the presence of C. heterophylla was expected, it actually could not be found. This is likely caused by the increasing human interference in the habitat and the small tolerance of the species to habitat degradation, and suggests that this species may be in danger of extinction. An unexpected result was the discovery of one population of C. heterophylla outside the Coastal Plain, in a region adjacent to it, in a place such as sandy river beach, habitat that is very similar to its usual habitat in the Coastal Plain. Therefore, it is important to better understand the evolutionary history of this species to continue investigating these other populations outside its main area of occurrence.