Intercontinental disjunctions in bryophitesSystematic and biogeographic studies in orthotricheae (Orthotrichaceae, Bryopsida)

Resumen

Bryophyte species tend to display wide distribution ranges that often span over more than one continent. Furthermore, in comparison with angiosperms, bryophytes show a considerable lower rate of endemism. This raises interesting questions regarding the origin of their distributions and the evolutionary processes that rule these plants. Bryophytes also represent a taxonomically challenging group due to their less complex morphologies. Currently, the taxonomic and biogeographic hypotheses formulated on the basis of morphological approaches are being revised in the light of the data obtained from molecular analyses, and especially from integrative taxonomic approaches. Despite the numerous studies so far realized, it is not yet possible to generalize on the causes that have originated the present distribution ranges of bryophytes. Long distance dispersal is increasingly supported as the main factor shaping current bryophytes distributions, but fragmentation and continental drift have also been documented in several occasions. High dispersal capacities of bryophytes have been proposed as one of the factors leading to long distance dispersal, and to the low endemism rates of bryophytes compared to angiosperms. However, several studies suggest that the underestimation of bryophytes diversity, due to taxonomical shortcomings or the existence of cryptic species, may also be the reason underlying some current broad distribution ranges. The tribe Orthotricheae, and in particular the genera Orthotrichum and Lewinskya, are among the most diverse and complex groups of mosses from a taxonomic, phylogenetic and biogeographic point of view. However, no complete molecular phylogeny of the group has been yet performed, and only one species, O. handiense, has been included in biogeographical or phylogeographic studies. This doctoral thesis aims to provide new on the biogeographic patterns of the genera Orthotrichum and Lewinskya, focusing on three main species, Lewinskya acuminata, L. affinis and Orthotrichum shevockii, which may serve as a basis for a better understanding of the evolutionary and biogeographic processes of the tribe Orthotricheae, but also of extant bryophytes in general. In this sense, this research also intends to add new evidence of the involvement of the different mechanisms that shape bryophytes distributions, namely the long-distance dispersal versus the remote fragmentation of continuous areas, or even if new cases of parallel or convergent evolution can be inferred for this group of organisms. In addition, this work undertakes the analysis of large disjunct distributions, to assess if the populations at both extremes of the disjunction represent the same taxa, or conversely, if they are distinct species; and in this last case, if they are true cryptic species, or species for which morphological characters that could allow for their clear discrimination have been overlooked. Finally, through the assessment of the relationships existing among the groups considered in the study, this thesis aims to contribute to clarify the phylogeny of the two involved genera: Orthotrichum and Lewinskya. The overall methodology of this thesis follows an integrative taxonomic approach, combining different molecular and morphological analyses, and considering additional available geographic information of the different taxa included. In the studies of Lewinskya acuminata, L. affinis and Orthotrichum shevockii, phylogenetic inferences are contrasted with different multivariate statistical analyses of morphological traits, including molecular species delimitation analyses for the case of L. affinis. Next-Generation Sequencing tools are implemented to obtain the mitochondrial genome of two species of Orthotrichum, O. diaphanum and O. macrocephalum, with the final purpose of finding new variable molecular markers for phylogenetic and phylogeographic analyses of species belonging to the tribe Orthotricheae, and testing the phylogenetic relationships of Orthotrichum and Lewinskya. The results obtained in this study support the existence of a considerable gap of knowledge respect to bryophytes diversity and distributions, as well as the impossibility of assuming the presence of general patterns on bryohpytes distributions. From one side, this study describes two new independent and uncommon cases of intercontinental disjunctions within the tribe Orthotricheae. The first one involves Lewinskya acuminata, so far known as a Mediterranean-Macaronesian species, whose presence is reported for California and Ethiopia. The second case confirms the presence of the Californian species Orthotrichum shevockii in Macaronesia, particularly in Tenerife Island. The results suggest that the disjunctions of both species have their origins in long distance dispersal processes, adding evidence to the important role of this type of events in modeling the distribution patterns of extant bryophytes. Conversely, the up-to-date wide disjunct distribution of the species Lewinskya affinis is discarded. Species delimitation analyses reveal that L. affinis is actually a complex of species, including two reinstated synonyms and four new species, each of them showing narrow and restricted distributions, overlapping in most cases, and none of them disjunct. Integrative taxonomic analyses support that the overlooked diversity within L. affinis is due to both taxonomical shortcomings and the existence of cryptic species. Detailed morphological re-evaluation of the seven identified species allows discriminating each of them by a specific combination of traits, although distinctions are not always simple. Moreover, the overall morphological similarity of the species of this complex is not attributable to convergent evolution processes as recently suggested for two other species complexes of Orthotrichum, since in this case the species integrate a natural monophyletic group, and thus can be considered sibling species. As for the taxonomy of the Orthotricheae, the currently proposed division of Orthotrichum s.l. in the genera Orthotrichum s.str. and Lewinskya, and the close relation of the latter with genus Ulota, are supported by the phylogenetic analyses performed with the complete mitochondrial genome of several species of these genera. However, further studies are needed to obtain a more complete phylogeny of this tribe. Additionally, the analyses of the mitochondrial genome at inters- and intraspecific level of O. diaphanum and O. macrocephalum reveal a low overall genetic variation along this genome. These results agree with those obtained using different chloroplast and nuclear markers for the studies of L. acuminata, L. affinis and O. shevockii. All of them point to the need of evaluating new tools, like Next-Generation Sequencing techniques, for the performance of future phylogeographic and species delimitation studies in the tribe Orthotricheae. ------------- Las especies de briófitos tienden a mostrar amplios rangos de distribución que a menudo abarcan más de un continente. Además, en comparación con las angiospermas, presentan una tasa de endemicidad considerablemente menor. Esto plantea interesantes cuestiones sobre el origen de las distribuciones de estas plantas y los procesos evolutivos que las rigen. Los briófitos también representan un grupo taxonómicamente difícil debido a que tienen una morfología menos compleja que otras plantas. Actualmente, las hipótesis taxonómicas y biogeográficas formuladas basándose en enfoques morfológicos están siendo revisadas en función de los resultados obtenidos a partir de análisis moleculares y, especialmente, a partir de aquellos basados en la metodología de la taxonomía integrativa. A pesar de los numerosos estudios realizados hasta la fecha, todavía no es posible generalizar sobre los factores que han determinado los patrones de distribución actuales de los briófitos. Cada vez más estudios apoyan la dispersión a larga distancia como el factor clave para entender dichos patrones, aunque la fragmentación y la deriva continental también se han documentado como claves en la génesis de diferentes disyunciones. La gran capacidad de dispersión de los briófitos se asume como una premisa indispensable para sustentar la dispersión a larga distancia estando, a su vez, relacionada con el menor número de endemismos entre los briófitos en comparación con las angiospermas. Sin embargo, varios estudios sugieren que la subestimación de la diversidad de briófitos, debido a errores taxonómicos o a la existencia de especies crípticas, puede igualmente estar relacionada con los supuestamente amplios rangos de distribución descritos actualmente para diferentes especies. La tribu Orthotricheae, y en particular los géneros Orthotrichum y Lewinskya, se encuentran entre los grupos de musgos más diversos y complejos desde un punto de vista taxonómico, filogenético y biogeográfico. Sin embargo, aun no se ha llevado a cabo ninguna filogenia molecular completa del grupo, y sólo una especie, O. handiense, se ha incluido en estudios biogeográficos o filogeográficos. Esta tesis doctoral tiene como objetivo aportar nuevos datos sobre los patrones biogeográficos de los géneros Orthotrichum y Lewinskya, centrándose principalmente en tres especies, Lewinskya acuminata, L. affinis y Orthotrichum shevockii, de modo que puedan servir como base para una mejor comprensión de los procesos evolutivos y biogeográficos de la tribu Orthotricheae, pero también de otros grupos de briófitos existentes en la actualidad. En este sentido, este estudio pretende a su vez ofrecer nuevos datos sobre el papel que pueden desempeñar diferentes mecanismos en la configuración de las distribuciones geográficas de los briófitos, en concreto, la dispersión a larga distancia frente a la fragmentación de áreas continuas, o si pueden confirmarse nuevos casos de evolución paralela o convergente en este grupo de organismos. Por otra parte, este trabajo comprende el análisis de especies con amplias distribuciones disyuntas, para evaluar si las poblaciones existentes en ambos extremos de la disyunción corresponden a los mismos taxones, o por el contrario, se trata de especies distintas. En este último caso, cabe determinar si son especies crípticas o especies para las que hasta la fecha se han ignorado caracteres morfológicos diagnósticos que podrían permitir la diferenciación taxonómica de forma clara. Por último, esta tesis contribuye a esclarecer las relaciones filogenéticas de los dos géneros objeto de estudio, Orthotrichum y Lewinskya. La metodología general de esta tesis se enmarca dentro de la taxonomía integrativa pues se combinan diferentes análisis moleculares y morfológicos junto con la información geográfica disponible para los diferentes taxones estudiados. En los casos de L. acuminata, L. affinis y O. shevockii, los resultados obtenidos mediante inferencias filogenéticas se contrastan con el análisis estadístico y cualitativo de caracteres morfológicos, incluyendo además análisis moleculares de delimitación de especies en el caso de L. affinis. Asimismo, se han empleado técnicas de Next-Generation Sequencing para secuenciar el genoma mitocondrial de dos especies de Orthotrichum, O. diaphanum y O. macrocephalum, con el propósito de encontrar nuevos marcadores moleculares variables válidos para realizar análisis filogenéticos y filogeográficos de diferentes especies de la tribu Orhotricheae y para evaluar las relaciones filogenéticas de Orthotrichum y Lewinskya. Los resultados obtenidos confirman que la diversidad taxonómica y los patrones corológicos de los briófitos son dos áreas de conocimiento aun por desarrollar en profundidad. Así, este estudio describe dos nuevos casos independientes y poco frecuentes de disyunciones intercontinentales dentro de la tribu Orthotricheae. El primero hace referencia a Lewinskya acuminata, hasta ahora conocida como una especie mediterráneo-macaronésica y que sin embargo aparece también en California y Etiopía. El segundo caso confirma la presencia de la especie Californiana Orthotrichum shevockii en Macaronesia, en concreto en la isla de Tenerife. Los resultados obtenidos sugieren que las disyunciones de ambas especies se deben a procesos de dispersión a larga distancia, incidiendo en el importante papel que tiene este tipo de procesos en la configuración de los patrones actuales de distribución de los briófitos. Por otro lado, en este trabajo se descarta la distribución disyunta hasta ahora descrita para la especie Lewinskya affinis. Los análisis de delimitación de especies revelan que L. affinis es en realidad un complejo multiespecífico, y sustentan la reivindicación de dos especies previamente descritas y la descripción de cuatro nuevas especies. Además, las siete especies escondidas bajo el concepto de L. affinis s.l. tienen una distribución reducida, varias de ellas son simpátricas, pero ninguna es disyunta. Los análisis de taxonomía integrativa realizados apoyan que la diversidad de especies asociada a L. affinis ha pasado desapercibida debido tanto a posibles deficiencias en las revisiones taxonómicas realizadas hasta la fecha, como a su condición de especies crípticas. La reevaluación morfológica detallada de las siete especies identificadas permite discriminar cada una de ellas mediante una combinación específica de caracteres, aunque las diferenciaciones no son siempre sencillas. Por otra parte, la similitud morfológica general que presentan las especies de este complejo no está relacionada con procesos de evolución convergente, como se ha sugerido recientemente para otros dos complejos de especies del género Orthotrichum, ya que en el caso del grupo de L. affinis todas las especies integran un grupo monofilético natural, de modo que pueden considerarse especies hermanas. En cuanto a la taxonomía de la tribu Orthotricheae, la propuesta actual de división del género Orthotrichum s.l. en los géneros Orthotrichum s.str. y Lewinskya, así como la estrecha relación de éste último con el género Ulota, se corrobora a partir de los análisis filogenéticos realizados con el genoma mitocondrial completo de varias especies de estos géneros, aunque se necesitan más estudios para obtener una filogenia más completa de esta tribu. Además, los análisis del genoma mitocondrial de O. diaphanum y O. macrocephalum a nivel inter e intraespecífico, revelan una escasa variación genética a lo largo de este genoma. Estos resultados coinciden con los obtenidos utilizando diferentes marcadores cloroplásticos y nucleares en los estudios de L. acuminata, L. affinis y O. shevockii. Todo ello sugiere la necesidad de evaluar el uso de nuevas técnicas como las de Next-Generation Sequencing para abordar futuros estudios filogeográficos y de delimitación de especies en la tribu Orthotricheae.