Phylogeography of Centaurea (Compositae) in the circum-Adriatic region

Boršić, Igor (2013) Phylogeography of Centaurea (Compositae) in the circum-Adriatic region . Doctoral thesis, Faculty of Science > Department of Biology.

[img] PDF
Restricted to Registered users only
Language: English

Download (5MB) | Request a copy

Abstract

Rod Centaurea predstavlja jedan od najvećih i najkompleksnijih rodova porodice Compositae (=Asteraceae). Njegovo razgraničenje se značajno mijenjalo od kada je opisan (Linnaeus 1753). Slijedom toga, a ovisno o stavu autora, mijenjala se i njegova širina odnosno broj vrsta koje obuhvaća. Prema današnjem shvaćanju roda kao prirodne, monofiletske grupe, on sadrži oko 250 vrsta (Susanna and Garcia-Jacas 2009; Susanna and Garcia-Jacas 2007). Prema posljednjoj paneuropskoj klasifikaciji (Dostál 1976) široko shvaćeni rod Centaurea podijeljen je u brojne sekcije grupirane u 15 podrodova. Međutim, većina ovih podrodova ne odražava stvarne srodstvene odnose, što je pokazano istraživanjima koja su uslijedila. Slijedom toga, pojedini su podrodovi danas izdvojeni kao zasebni rodovi (e.g. Psephellus i Rhaponticoides; Garcia-Jacas et al. 2001). Danas se rod Centaurea, na temelju morfologije, tipova peluda, kariologije i analiza DNA sekvenci obično dijeli na tri podroda: Centaurea, Cyanus i Lopholoma (Garcia-Jacas et al. 2001; Susanna and Garcia-Jacas 2007), koji odgovaraju neformalnim grupama definiranim u srži subtribusa Centaureinae od strane Wagenitza i Hellwiga (1996): Jacea, Cyanus i Acrocentron. Podrod Centaurea se većim dijelom podudara sa takozvanom Jacea grupom (Garcia-Jacas et al. 2006; Garcia-Jacas et al. 2000), koju karakterizira Jacea tip polena, smanjujući osnovni broj kromosoma (od x = 12 do x = 7), lateralni hilum te neuobičajenu morfologiju cvatova, s izraženim sterilnim rubnim cvjetovima kojima nedostaju staminodiji. Podrod Centaurea posljednje dvije značajke dijeli s podrodovima Cyanus i Lopholoma. Unutar podroda Centaurea odnosno njegove circummediteranske i eurosibirske grane definirane su grupa Centaurea i grupa Jacea-Phrygia (Garcia-Jacas et al. 2006; Garcia-Jacas et al. 2000). Grupu Jacea-Phrygia (prvotno imenovana kao podgrupa Jacea-Lepteranthus) sačinjavaju sekcije Jacea (Mill.) DC. i Lepteranthus DC. Wagenitza i Hellwiga (1996), dok grupa Centaurea uključuje sekcije Centaurea [=Acrolophus (Cass.) DC.G], Phalolepis (Cass.) DC. i Willkommia Blanca. Svojte grupe Centaurea su višegodišnje ili dvogodišnje (rijetko jednogodišnje) biljke koje rastu na suhim i često kamenitim staništima, uglavnom su bogato razgranjene te često imaju brojne sitne glavice (sinaptospermija). Privjesci njihovih ovojnih listova (brakteja), koji se koriste kao najznačajnija odlika pri determinaciji svojti roda Centaurea, su okruglasti, membranasti, cjeloviti ili nepravilno rascjepani (sekcija Phalolepis), do trokutasti i pravilno trepavičavi (sekcija Centaurea); s nishodnim rubom ili bez njega, te s kratkim vrškom, trnićem ili duljim trnom (sekcija Willkommia). Diploidi su ili tetraploidi s jedinstvenim VIII osnovnim brojem kromosoma (x = 9). Predstavnici sekcija Phalolepis i Centaurea su široko rasprostranjeni, a posebno su raznoliki na Balkanskom (Hellwig 2004) i Apeninskom poluotoku (cf. Conti et al. 2005), dok su vrste sekcije Willkommia ograničene na Pirinejski poluotok i sjeverozapadnu Afriku (Hilpold 2009). Grupu Centaurea (kao podgrupu Acrolophus) istraživao je Hilpold (2012), sa širokim uzorkovanjem svojti i upotrebom jezgrine ITS i kloroplastne rpl32 regije. U svoje istraživanje on je uključio i pojedine hrvatske svojte iz grupe Centaurea. One su se smjestile u umjereno podržanoj grani nazvanoj “istočni ribotip” (Eastern ribotype). Unutar ove grane većina ih se grupirala s pojedinim vrstama iz Italije, tvoreći vrlo pouzdanu granu - “istočni ribotip: jadranski” (Eastern ribotype: Adriatic). Ne postoje druga molekularna istraživanja koja su uključila ovu grupu, iako su pojedini njezini predstavnici bili istraživani drugim metodama (e.g. Lovrić 1967, Kuštrak 1983, Papeš & Radić 1983, Šolić 1986, Siljak-Yakovlev et al. 2005). Geografski obuhvat ovog rada ima težište na istočnoj jadranskoj obali i pripadajućim otocima, gdje rastu gotovo sve vrste i podvrste iz grupe Centaurea u Hrvatskoj (cf. Nikolić 2013). Mnoge od njih predstavljaju stenoendeme (e.g. Centaurea cuspidata, C. glaberrima) ili čak rastu na samo jednom nalazištu (e.g. C. crithmifolia, C. friderici subsp. friderici, C. friderici subsp. jabukensis). Kako bi se utvrdili filogenetski odnosi svojti unutar grupe Centaurea upotrijebljena je jezgrina regija unutarnje transkribirajuće razmaknice (eng. Internal Transcribed Spacer; ITS). Pri tome su novo dobivene sekvence svojti iz cirkumjadranskog područja dodane sekvencama sa šireg geografskog područja. Nadalje, kako bi se utvrdile srodstvene veze sa zapadnom obalom Jadrana i istražila filogeografija grupe Centaurea u čitavom cirkumjadranskom području, u istraživanje su uključene i svojte s Apeninskog poluotoka. Pri tome je kao molekularna metoda upotrebljena raznolikost duljina PCR umnoženih fragmenata DNA (eng. Amplified Fragment Length Polymorphism; AFLP) u kombinaciji sa sekvenciranjem odabranih kloroplastnih regija. Također je korištena i protočna citometrija (eng. flow cytometry) kako bi se odredila masa DNA istraživanih svojti. Filogenetsko istraživanje na temelju ITS regije uključilo je 104 sekvence iz 80 populacija svojti grupe Centaurea, sekcija Centaurea i Phalolepis. U pojedinim sekvencama detektirani su dvostruki signali pa su takve sekvence razdvojene na dvije sekvence. Provedene su tri filogenetske analize: metoda maksimalne štedljivosti (eng. Maximum Parsimony; MP), metoda maksimalne vjerodostojnosti (eng. Maximum Likelihood; ML) i Bayesovska filogenetska analiza (eng. Bayesian Inference; BI). U njima je za uljeze (eng. Outgroup) upotrebljeno šest svojti iz grupe Jacea-Phrygia. Dobiveni rezultati ukazuju da je grupa Centaurea monofiletska, što je u skladu s rezultatima koje su dobili Hilpold et al. (in prep.). Postojanje sekcija Centaurea i Phalolepis grupe Centaurea nije dokazano, što je također u skladu s prethodnim rezultatima (Hilpold et al., in prep.). U istraživanoj grupi se izdvojilo samo nekoliko slabo do umjereno podržanih grupa pa se pretpostavlja kako su izraženi procesi introgresije i hibridizacije te da je specijacija u grupi još uvijek u tijeku. Umjereno podržana je grupa svojti C. kartschiana koje su se ujedinile sa svojtama s planine Biokovo. Analiza AFLP biljega provedena je na dva seta podataka. Prvi set je uključio ukupno 39 populacija, a kao uljez korištena je populacija vrste C. argentea s Krete (Grčka), iz grupe Centaurea, sekcije Centaurea. Pri tome je podržana monofilija grupe Centaurea, a u njoj se izdvojila grupa Phalolepis, koja doduše nije bila statistički podržana. Ona je uključila predstavnike grupe C. deusta Pignattija & Lausija (1982), s izuzetkom vrsta C. diomedea i C. tenoreana (sekcija Phalolepis), ali i vrstu C. stoebe iz kontinentalne Hrvatske koja pripada grupi C. paniculata (Pignatti and Lausi 1982) odnosno sekciji Centaurea (cf. Dostál 1976). Matthäs (1981) je Phalolepis grupu podijelio na višegodišnje vrste koje rastu u planinama i na stijenama, te uspravne dvogodišnje vrste s nižih, čovjekom utjecanijih staništa, s čime se slaže IX i Pignatti (1979). Međutim, ove dvije grupe nisu dokazane, a vrste su se grupirale uglavnom prema geografiji. Prva analiza tako je pokazala kako se Phalolepis grupa jasno odvaja od grupe koja predstavlja ciljnu grupu mog istraživanja, a to je sekcija Centaurea grupe Centaurea u cirkumjadranskom području. Zbog toga je provedena druga analiza, u kojoj je korišten podset podataka iz prve analize. Pri tome su iz prvog seta podataka isključene populacije Phalolepis grupe, ali i one populacije za koje se posumnjalo kako je u njima došlo do introgresije. To su bile populacije C. biokovensis (3), C. cristata (7) te C. spinosociliata aggr. (33 i 34). Dakle, drugi set podataka uključio je ukupno 28 populacija, a kao uljez korištena je vrsta C. deusta (13). Stablo dobiveno u drugoj analizi bilo je slično onome iz prve analize, ali je imalo bolju strukturu te bolje statistički podržane grupe. Cirkumjadranska grupa bila je apsolutno podržana čime je potvrđena pretpostavljena monofilija grupe Centaurea, ali bez (većine) predstavnika sekcije Phalolepis. Iako općenito unutarnje grane oba stable nisu bile ili su bile slabo podržane, nekoliko grupa u cirkumjadranskoj grupi bilo je dobro podržano. Talijanska grupa, koja je visokim vrijednostima podržana u obje analize, uključila je tri geografski bliske populacije [C. ambigua (1), C. scannensis (32) i C. tenoreana (45)] kojima su se pridružile populacije C. diomedea (17) i C. tenorei (46). Sve one grupirale su se zajedno i u Bayesovskoj analizi populacijske strukture (eng. Bayesian analysis of population structure), pri broju genskih skupova od K = 2, 3 i 6. Sljedeća je bila Glaberrima grupa koja je također bila visoko podržana u obje analize. Uključila je populacije vrste C. glaberrima (20, 21 i 22) koje imaju zaseban genski skup iskazan u Bayesovskoj analizi populacijske strukture pri K = 6 i 9. Pri tome je srodnost s njima u drugoj analizi, kao i pri K = 6, pokazala i C. issaea (24). Ova populacija pokazuje miješanje s drugim genskim skupovima, što je vidljivo i na Neigbor-Net dijagramu, a što se smatra dokazom introgresije. To je u skladu s mišljenjem Lovrića (1990) koji vrstu C. isseae smatra hibridnom. Biokovska grupa u prvoj je analizi uključila tri populacije s Biokova [C. biokovensis (3), C. cuspidata (11) i C. visianii (51)], dok su u drugu analizu uvrštene samo populacije C. cuspidata (11) i C. visianii (51). U obje analize ove se dvije populacije nisu međusobno razdvojile (čak ni u Bayesovskoj analizi populacijske strukture pri K = 12), zbog čega bi ih se možda moglo tretirati kao jednu svojtu velike fenotipske varijabilnosti. Naime, na Biokovu su opisane brojne vrste i infraspecifične svojte čije morfološke razlike nisu značajne, nego postepene (cf. Radić 1981). Ova grupa pokazala je srodnost s grupom C. kartschiana pa se pretpostavlja kako obje imaju zajedničko podrijetlo iz C. kartschiana, te se naknadno diferencirala na Biokovu pod utjecajem raznovrsnih mikroreljefnih čimbenika. Dokaz u prilog ovoj tvrdnji ide i sadržaj DNA, naime, populacije iz obje grupe su diploidne. Slabo podržanu Kartschiana grupu sačinjavale su populacije C. kartschiana (26), C. kartschiana subsp. dalmatica (27, 28) i C. kartschiana subsp. lubenicensis (29). Uzrok niske podrške vjerojatno je introgresija iz drugih populacija. Naime, smatra se kako su na Kvarnerskom području izraženi procesi introgresije i hibridizacije, a kao njihov rezultat navode se svojte za koje nije jasno pripadaju li skupu C. kartschiana ili skupu C. spinosociliata. Kao primjer navodi se nevalidna svojta C. cristata Bartl subsp. curictana Lovrić koja se kasnije vodi kao C. kartschiana subsp. curictana (Lovrić) Lovrić. Na ovom području potrebno je provesti detaljnija istraživanja. Posebno je zanimljiva dobro podržana Srednjojadranska grupa koja uključuje populacije hrvatskih stenoendema C. crithmifolia (9) i C. friderici subsp. jabukensis (19) s otoka Jabuke te C. friderici subsp. friderici (18) s Male Palagruže. Ove populacije imaju isti genski skup te se nisu odvojile niti u Bayesovskoj analizi populacijske strukture pri K = 12. U toj grupi X populacije s Jabuke nisu se međusobno razdvojile, što sliči situaciji s populacijama s planine Biokovo. Posljednja skupina koju je moguće izdvojiti na dobivenim stablima je bootstrap vrijednostima slabo podržana Spinosociliata grupa. Ona je uključila sve populacije C. spinosociliata agregata, odnosno populacije vrsta C. cristata, C. spinosociliata i C. tommasinii. Jedini izuzetak bila je populacija C. tommasinii (50) sa sjeverozapadnog Jadrana koja se nije grupirala niti prema taksonomskoj niti prema geografskoj pripadnosti u AFLP analizi. Međutim, u Bayesovskoj analizi populacijske strukture pri K = 2, 3 i 6 ova populacija dijeli genski skup s ostalim populacijama C. spinosociliata agregata. Shannonov informacijski indeks korišten je kao mjerilo genetske raznolikosti. Veći je kod starijih populacija kao i u hibridnim zonama. Najviše vrijednosti dostiže duž istočne jadranske obale, ali budući da su vrijednosti frequency down-weighted marker ovih populacija značajno niže od prosjeka, vjerojatno se ne radi o starim populacijama, već o procesima hibridizacije i introgresije. S druge strane, vrijednosti frequency down-weighted marker populacija s Apeninskog poluotoka i Tremitskih otoka su visoke, pa je vjerojatno da su ove populacije preživjele pleistocenske klimatske promjene ovdje. Osim toga, populacije C. diomedea (17) i C. tommasinii (50) imaju najveći broj zabilježenih privatnih alela. Korelacija između geografske udaljenosti i genetičke raznolikosti između svih parova analiziranih populacija potvrđena je Mantelovim testom (r = 0.296, PMantel < 0.0001), što upućuje na značaj izolacije uslijed udaljenosti. Ukupno 8,7% genetičke diferencijacije populacija može biti objašnjeno njihovom geografskom udaljenošću. Od 11 testiranih kloroplastnih regija dvije, rpl32-trnL i trnL 5’ekson-trnL 3’ekson-trnF, su se pokazale varijabilnijima od ostalih te su zbog toga upravo one sekvencionirane u 97 jedinki iz populacija koje su bile uključene u drugu analizu AFLP biljega. Među njima zabilježeno je 19 haplotipova, od kojih je haplotip H2 bio najzastupljeniji. Slijedio je haplotip H3, koji je zabilježen i u jedinkama iz populacije uljeza C. deusta (13). Statistička parsimonijska mreža dobivenih haplotipova pokazala je zrakasti filogeografski uzorak, koji u kombinaciji s niskom genetskom i visokom haplotipskom raznolikošću upućuje na nedavno širenje (Avise 2000). Raznolikost haplotipova veća je na području Kvarnera, koje je i prema Lovriću (1967, 1967–1968) centar rasprostranjenosti C. spinosociliata agregata. Međutim, za razliku od njegove pretpostavke, rezultati istraživanja upućuju da se C. tommasinii sa sjeverozapadnog dijela jadranskog bazena proširila na Kvarnersko područje gdje se dalje diferencirala, a ne obrnuto. Haplotipovi su ukazali i na vezu Monte Gargana s južnom Dalmacijom preko Tremitskih otoka tijekom pleistocena, na što su upućivala i neka druga istraživanja [e.g. Randi et al. (2003); Park et al. (2006); Liber et al. (2008)]. Analize podataka dobivenih kloroplastnim haplotipovima pokazale su da se populacije nalaze u demografskoj ravnoteži te da ne postoje dokazi o širenju njihovog areala. Posebno je zanimljivo pitanje razvoja stenoendemičnih vrsta na srednjojadranskim otocima. Svi dobiveni rezultati ukazuju na njihovu veću povezanost s istočnojadranskom obalom nego s Tremitskim otocima i Apeninskim poluotokom. To je u suprotnosti s rezultatima istraživanja roda Asperula (Korica et al. 1992), vrste Aurinia leucadea (Rešetnik 2011) i kompleksa Limonium cancellatum (Bogdanović 2009) u kojima su se otoci Jabuka, Palagruža, pa i Vis pokazali povezanijima s Tremitskim otocima. Nadalje, iako se smatralo da su ove svojte tercijarnog postanka, dobiveni razultati upućuju na njihov puno mlađi postanak, što je u skladu s novijim datiranjem (Hilpold et al., in prep.). Bilo bi zanimljivo istražiti navodnu hibridnu svojtu C. x pomoënsis s otoka Jabuke. Ovaj rad predstvalja bitan korak za konzervaciju Centaurea grupe u cirkumjadranskom području budući da donosi prve podatke o genetskoj raznolikosti istraživanih populacija, među kojima su i one endemičnih, i moguće ugroženih svojti. Pri planiranju i provedbi mjera očuvanja potrebno je uzeti u obzir i genetske jedinice, kao i njihov evolucijski put (Moritz XI 1994). Dobiveni rezultati upućuju na određene zaključke, a odgovore na specifična pitanja donijet će buduća detaljnija istraživanja.

Item Type: Thesis (Doctoral thesis)
Keywords: Acrolophus, Croatia, Italy, ITS, AFLP, plastid DNA, genome size
Supervisor: Nikolić, Toni
Co-supervisor: Garcia Jacas, Núria
Date: 2013
Number of Pages: 142
Subjects: NATURAL SCIENCES > Biology
Divisions: Faculty of Science > Department of Biology
Depositing User: Grozdana Sirotic
Date Deposited: 06 Feb 2014 14:11
Last Modified: 22 Sep 2014 09:55
URI: http://digre.pmf.unizg.hr/id/eprint/328

Actions (login required)

View Item View Item