História evolutiva de gênero Calibrachoa La Llave & Lex (Solanaceae)

Abstract

Calibrachoa La Llave & Lex. (Solanaceae) é um gênero sul-americano com 27 espécies, a maioria delas ocorrendo no sul do Brasil. Com base na distribuição destas espécies e gêneros relacionados, o grupo parece ter ancestrais de origem andina, e distribui-se amplamente pelo pampa, restringindo-se cada vez mais a terras altas nos estados de Santa Catarina e Paraná, exclusivamente em áreas de campo, com poucas espécies associadas a bordas de mata. Na região sudeste apresenta poucas populações de uma espécie relativamente abundante (C. linoides) e uma espécie endêmica isolada em altitudes superiores a 1000 m em Minas Gerais (C. elegans). Além desta, mais quatro espécies são consideradas microendêmicas com registro de uma ou poucas populações. Este foi o primeiro trabalho que empregou dados de sequência de DNA em abordagens filogenéticas no gênero, sendo utilizados os espaçadores intergênicos plastidiais trnH-psbA, psbB-psbH, trnL-trnF e trnG-trnS, e o íntron do gene plastidial trnL na análise de 25 das 27 espécies consideradas. As duas espécies não incluídas no estudo foram C. felipponei e C. scabridula. Além dos estudos filogenéticos tradicionais, foi realizada uma abordagem filogeográfica que incluiu todas as espécies estudadas, através de um conjunto maior de amostras cobrindo a distribuição geográfica da maioria delas. Também foram obtidas as idades para os principais clados formados, com a taxa de substituição de nucleotídeos disponível para dois espaçadores. A idade do gênero foi estimada em 1,63 milhões de anos, sendo que a taxa de especiação encontrada é comparável à de espécies de rápida radiação em ilhas. As filogenias mostraram baixos valores de suporte, além de falta de resolução entre espécies próximas. A realização de análises filogeográficas, através de networks de relacionamento entre haplótipos, permitiu acessar relações mais detalhadas entre as espécies. Estes estudos demonstraram uma alta frequência de sequências ancestrais em espécies morfologicamente distintas. Todos estes resultados revelam que Calibrachoa é um gênero extremamente recente, sendo que a rápida divergência morfológica encontrada entre as espécies ainda não deixou registro nos marcadores genéticos utilizados. Uma grande divergência genética foi observada entre um clado formado por C. parviflora e C. pygmaea e o clado que compõe as espécies restantes. As duas espécies citadas anteriormente são bem distintas das demais. As idades apresentadas para os clados evidenciam que estas espécies divergiram das demais há cerca de 500.000 anos, um intervalo de tempo considerável se comparado à idade do gênero. Estes resultados, aliados a outras características, sugerem que estas espécies poderiam ser consideradas como um grupo taxonomicamente distinto do restante. Com relação às demais espécies, os clados formados mostraram uma associação com as regiões de terras baixas do Rio Grande do Sul e Argentina, e com regiões de altitude dos Estados do Paraná e Santa Catarina, além de clados correspondentes às espécies microendêmicas de altitude. O network de haplótipos gerado também apresentou grupos de sequências relacionadas, que refletiram os clados encontrados nas filogenias. Estes resultados sugerem que a grande divergência morfológica encontrada entre as espécies do gênero tenha ocorrido devido aos ciclos de expansão e retração das formações de campo e floresta da região subtropical da América do Sul, alterando sucessivas vezes a distribuição das populações de Calibrachoa. Estas mudanças na composição da cobertura vegetal acompanharam as oscilações climáticas resultantes dos ciclos glaciais e interglaciais, que ocorreram pelo menos nove vezes ao longo do último milhão de anos. Além disso, evidências de possíveis expansões recentes, associadas à ocorrência natural de hibridação entre espécies também foram encontradas, demonstrando que, embora existam isolamentos ecológicos e ambientais entre as espécies, alterações causadas na distribuição das mesmas podem acarretar a perda destas barreiras. Estudos complementares, utilizando marcadores de evolução mais rápida, ampliado a outros genomas, e investigações mais detalhadas no nível populacional, podem trazer informações mais completas sobre os processos que deram origem a esta grande variação morfológica em um intervalo de tempo extremamente curto.

Calibrachoa La Llave & Lex. (Solanaceae) is a South American genus, comprised by 27 species, most of them ocurring in southern Brazil. The geographical distribution of related genera suggests an Andean origin, and the species are widely distributed in the Pampean region, with more abundant and concentrated occurrence in the highlands of Brazilian states of Parana and Santa Catarina. In Brazilian southeastern region, some disjunct populations of C. linoides were found, plus an endemic species (C. elegans) isolated at elevations above 1000 m. Another four species are also endemic, with few known individuals so far. This is the first study that used data from DNA sequencing in phylogenetic investigations in Calibrachoa, analysing cpDNA intergenic spacers trnH-psbA, psbB-psbH, trnL-trnF and trnS-trnG, as well as the trnL intron, in 25 of the 27 species considered. The two species not included in this study was C. felipponei e C. scabridula. In addition, a phylogeographical aproach was conducted from a larger sample set covering the majority of the geographical distribution of the assessed species. Ages for the main clades formed were also obtained, using the nucleotide substitution rate available for two spacers. The estimated age of the genus was 1.63 million years, and the speciation rate found is comparable to species of rapid radiation on islands. The phylogenetic trees obtained showed low bootstrap support values, and lack of resolution betwenn closely related species. The haplotype networks provided a more detailed relationship between species. These studies showed the occurence of ancestral sequences in morphologically different species. All these results pointed that Calibrachoa is a very recent genus, with high morphological divergence and low genetic differentiation. However, large genetic divergence was observed between the clade that includes C. parviflora and C. pygmaea, and the clade comprising the remainig species. Calibrachoa parviflora e C. pygmaea were quite distinct from other species. The ages presented showed that these clade diverged from to the rest about 500,000 years ago, a large period of time, when compared to the age of the genus. These results, together with other traits, suggest that these species could be regarded as a taxonomically distinct group of the remaining species. In relation to other species, the clades formed showed an association with geographical regions: the lowlands of Rio Grande do Sul and Argentina, and highlands in the region of Parana and Santa Catarina states. Another three groups were found, corresponding to endemic highlands species. The haplotype network also showed groups of related sequences, which reflected the clades found in the phylogeny. These results suggest that the large morphological differences found between species of the genus has occurred due to cycles of expansion and retraction of the grasslands and forest areas in the subtropical region of South America, changing the geographical distribution of Calibrachoa populations sereval times. These modifications in the landscape composition along repetitive climatic changes, were the result from glacial and interglacial cycles, which occurred at least nine times over the last million years. Moreover, evidences of possible recent expansions associated with the occurrence of natural hybridization between species were found, suggesting that, although environmental and ecological isolation exists between species, recent changes in the distribution of some species could cause the loss of these barriers. Additional studies, using rapidly evolving molecular markers, including other genomes, and more detailed investigations at the populational levels, can provide more complete information about the processes that led to this great morphological variation in a very short time.