text size

Evolutionary processes underlying plant diversification in the tropical Andean highlands

Notice: I hereby declare that I am aware that the information acquired from theses published by Charles University may not be used for commercial purposes or may not be published for educational, scientific or other creative activities as activities of person other than the author.
Title:
Evolutionary processes underlying plant diversification in the tropical Andean highlands
Title (in czech):
Evoluční procesy podmiňující diverzifikaci rostlin v tropických Andách
Type:
Dissertation
Author:
Diana Libeth Aparicio Vásquez
Supervisor:
doc. RNDr. Petr Sklenář, Ph.D.
Opponents:
Colin Hughes, Dr.
Mgr. Petr Šmarda, Ph.D.
Consultants:
Mgr. Eva Dušková
RNDr. Filip Kolář
Thesis Id:
117483
Faculty:
Faculty of Science (PřF)
Department:
Department of Botany (31-120)
Study programm:
Botany (P1507)
Study branch:
-
Degree granted:
Ph.D.
Defence date:
15/10/2018
Defence result:
Pass
Language:
English
Keywords (in czech):
diversifikace rostlin, evoluční procesy, páramo, Andy
Keywords:
plant diversification, evolutionary processes, páramo, Andes
Abstract (in czech):
Abstrakt Vysoké horské polohy severních And, známé jako páramo, jsou celosvětově proslulé svojí jedinečnou, druhově bohatou květenou. Řada skupin rostlin párama prodělala velmi nedávnou a výjimečně rychlou radiaci. Tyto radiace bývají dávány do souvislosti s: (1) orogenezí severních And, jejímž důsledkem byly nově vytvářené proměnlivé ekologické podmínky, (2) čtvrtohorními změnami klimatu, které zapříčinily výškové posuny párama, tj. kontrakci a izolaci jednotlivých oblastí v chladných obdobích a naopak jejich expanzi a vzájemné propojování v teplých obdobích, (3) fyziografií a ekologickou heterogenitou And, které nabízejí široké možnosti pro geografickou izolaci a ekologickou diferenciaci. Přes stále intenzivnější výzkum, který se zabývá otázkami evoluce páramové květeny, zůstávají vlastní procesy podmiňující diverzifikaci druhů jen málo známé. Hlavním cílem této disertační práce je přispět k poznání těchto procesů s použitím třech rozdílných přístupů u dvou studovaných systémů. (1) Populačně-genetický přístup, který byl u páramových skupin rostlin dosud použit jen vzácně, se zaměřuje na tři druhy rodu Lupinus (Lupinus alopecuroides, L. nubigenus, L. microphyllus). Tyto druhy náleží do jedné z nejlépe zdokumentovaných radiací u páramových skupin rostlin, tj. radiace andských vlčích bobů, a zároveň představuje vůbec nejrychlejší známou radiaci u rostlin. (2) Fylogenetický přístup se prostřednictvím rozsáhlého vzorkování a za použití dvou rozdílných molekulárních markerů zaměřuje na skupinu páramových druhů rodu Senecio (dříve řazených do rodu Lasiocephalus). (3) Taxonomický přístup zaměřen taky na jeden drůh rodu Senecio. Zjistila jsem, že většina populací studovaných druhů rodu Lupinus se začala geneticky diferencovat v průběhu Holocénu, kdy se v důsledku oteplování klimatu začalo páramo kontrahovat na izolované, chladnější horské vrcholy. Společně s geografickou izolací populací byla jejich diferenciace podmíněna efektem zakladatele během osídlování vrcholů. Naproti tomu hlavní genetická struktura studovaných druhů rodu Senecio odpovídá diferenciaci ekologických nik (podle výškových stupňů), což naznačuje, že divergence druhů byla podmíněna jejich rozdílnou ekologií. Původ několika druhů byl navíc podmíněn homoploidní hybridizací. Popisuji nový druh, Senecio sangayensis, který příkladně dokumentuje význam ekologické divergence pro diversifikaci páramových rostlin. Na základě výsledků svého výzkumu navrhuji, že diversifikace rostlin párama je výsledkem vzájemného spolupůsobení geografické izolace, efektu zakladatele, ekologické divergence a homoploidní hybridizace. Relativní význam jednotlivých procesů se liší v závislosti na druhově specifických znacích, jakým je například schopnost šíření, a na fázi probíhající speciace. Izolace může být významná především na začátku speciačního procesu, neboť její role v pozdějších fázích může být upozaděna působením selekce a genovým tokem. Podobně významnou roli v počátcích speciace může hrát efekt zakladatele, a to především u rostlin s omezenou schopností dálkového šíření. Pro diversifikaci páramových rostlin je zejména důležitá interakce mezi homoploidní hybridizací, geografickou izolací a ekologickou divergencí.
Abstract:
Abstract The highlands in the northern Andes, which are known as the páramo, are recognized worldwide for their unique and species-rich flora. Many páramo plant groups underwent radiations, which have been shown to be very recent and outstandingly fast. These radiations have usually been linked to (1) the uplift of the northern Andes, which provided new ecological opportunities in the highlands that originated in this process, (2) Quaternary climate change that produced range shifts of the páramo, resulting in periods of páramo contraction and isolation, during cold periods, and periods of páramo expansion and connection, during warm periods (3) the Andean physiographical and ecological heterogeneity, which provides extent oppornuties for isolation and for ecological divergence. In spite of increasing research efforts to understand the evolution of the páramo flora, the actual processes underlying species diversification remain unclear. The main aim of this thesis is to contribute to the understanding of these processes. We use three different approaches in two different study systems: (1) A population genetics approach, which remains rare among páramo plant studies, focuses on three páramo Lupinus species (Lupinus alopecuroides, L. nubigenus, L. microphyllus). These species belong to one of the best studied páramo plant radiations, the Andean Lupinus radiation, which is also one of the fastest radiations reported for plants to date. (2) A phylogenetic approach on a group of páramo Senecio species (former Lasiocephalus), implementing large-scale sampling and two different molecular markers. (3) A taxonomic approach applied also to a Senecio species. We find that most of the populations in the studied Lupinus species became genetically differentiated when warming forced the páramo to migrate to the isolated, colder mountaintops during the Holocene. Besides isolation, populations' differentiation was also driven by founder events during the colonization of the mountaintops. On the other hand, we find that the main genetic structure within the studied Senecio species corresponds to differences in ecological niches (elevation zones), suggesting that ecological divergence underlies its diversification. We also find that homoploid hybridization was involved in the origin of several Senecio species. We describe a new species (Senecio sangayensis), which accurately exemplifies the importance of ecological divergence in driving diversification of the páramo flora. We suggest that the interaction between geographic isolation, founder events, ecological divergence, and hybridization underlies plant diversification in the páramo. The relative role of each of these processes varies depending on species-specific traits, such as dispersal ability, and on the stage of speciation. The role of isolation may be particularly important at the initial stages of speciation because, further during the speciation process, this role is obscured by the influence of selection and gene flow. Founder events may be also important at the initial stages of speciation, particularly in plant groups with limited long-distance dispersal. The interaction between homoploid hybridization, geographic isolation, and ecological divergence was also particularly important in the diversification of the páramo flora.
Documents
Download Document Author Type File size
Download Text of the thesis Diana Libeth Aparicio Vásquez 7.69 MB
Download Abstract in czech Diana Libeth Aparicio Vásquez 483 kB
Download Abstract in english Diana Libeth Aparicio Vásquez 485 kB
Download Autoreferat / doctoral thesis summary Diana Libeth Aparicio Vásquez 851 kB
Download Opponent's review Colin Hughes, Dr. 178 kB
Download Opponent's review Mgr. Petr Šmarda, Ph.D. 198 kB
Download Defence's report 554 kB