What is a plant? How can this be answered?
1) By characteristics of “plants”:
Photosynthetic
Cell walls
Spores
Sedentary
2) By phylogenetic relationships Three major groups of life!
How did chloroplasts evolve?
Photosynthesis: Evolved multiple times. By endosymbiosis:
Primary Endosymbiosis Secondary Endosymbiosis Botany: study of organisms traditionally called “plants” [Plant Kingdom]? Photosynthetic eukaryotes, including: euglenoids dinoflagellates brown plants red algae green plants: green algae + land plants Slime Molds, Water Molds, Fungi [Formerly, also included bacteria/blue-green "algae"]
Non-photosyn. w/ cell walls & spores
In this course: “Plants” = Land Plants (Embryophytes)
1) A monophyletic group
2) What most people mean when they say “plants”, as in Plant Systematics.
Land Plants - Embryophytes Liverworts, Hornworts, Mosses Vascular Plants - Tracheophytes Lycophytes (Lycopods)
Isoetes orcuttii
Selaginella apoda Selaginella bigelovii
Vascular Plants Equisetophytes (Equisetales): Equisetum
Equisetum arvense Common Horsetail Equisetum spp. Scouring-Rush
Vascular Plants Vascular Plants - Tracheophytes
Ophioglossoid Ferns (Ophioglossales) Psilotophytes (incl. Psilotum, Tmesipteris)
Ophioglossum californicum Calif. Adder’s Tongue Vascular Plants - Tracheophytes Vascular Plants Marratiophytes Leptosporangiate Ferns (Polypodiales)
Polypodium californicum California Polypody Dryopteris arguta Coastal Wood Fern
Seed Plants: Gymnosperms
Cycads Ginkgo
Cycas circinalis Ginkgo biloba
Conifers Gnetales
Welwitschia mirabilis Abies concolor Pinus torreyana Cupressus forbesii White Fir Torrey Pine Tecate Cypress Ephedra spp. Mormon Tea Seed Plants: Angiosperms - Flowering Plants
Monocots 1 cotyledon Eudicots coleoptile 1 cotyledon epicotyl hypocotyl epicotyl embryo radicle radicle coleorhiza seed coat MONOCOTS endosperm
1 cotyledon 2 cotyledons
epicotyl
embryo hypocotyl {radicle
NON-MONOCOT parallel 2 cotyledons venation net venation floral parts in 3’s floral parts in 4’s or 5’s (often) (often)
Why study plants? Why important? What is Systematics?
Oxygen Inclusive of taxonomy Primary producers Goal is to infer evolutionary history Economically important to humans (phylogeny) agricultural plants (food): vegetables, fruits, Using all types of evidence seeds flavoring plants: herbs & spices euphoric/hallucinogenic plants fiber, wood plants medicinal plants plant extracts: essential oils, gums, rubber, etc. Descent What is (biological) evolution?
Descent with Modification
Time
The origin of new life from pre-existing life by transfer of DNA from parent to offspring generation after generation.
Descent results in a lineage What is modified? (clade)!
Lineage or clade= Genetic material: a sequence of ancestors (parents) DNA and descendants (DeoxyriboNucleicAcid) (offspring) Involves transfer of DNA through space and time
Two mechanisms for What is a functional feature that results in increased survivorship and reproductive evolutionary change? ability? Natural Selection - non-random, directed by Adaptation survivorship & reproductive ability
Genetic drift - random, directed by chance events Taxonomy: D.I.N.C. Description Assignment/listing of features or attributes to a taxon Description character Identification = a feature e.g., “flower color” Nomenclature character states Classification = two or more forms of a character e.g., “white,” “red,” “yellow”
Key (dichotomous/indented):
Identification 1. Stamens fused at base into a tube ...... ……...... Dichelostemma Associating an unknown taxon with a known one 1' Stamens not fused at base into a tube Lead: 2. Fertile stamens 3 ...... Brodiaea How? Lead: 2' Fertile stamens 6 3. Stamens strongly winged at base ...... …...... Bloomeria taxonomic key 3' Stamens not strongly winged at base ...... …...... Muilla compare to a photograph/illustration compare to a specimen Couplet = two Leads ask an expert
Key (dichotomous/indented): Nomenclature 1 Ovary inferior 2 Ovule 1 per carpel ...... Dilatris Formal means of naming life. 2’ Ovules 2 or more per carpel 3 Ovules 2 per carpel ...... Haemodorum 3' Ovules 5-7 per carpel ...... Lachnanthes 1’ Ovary superior E.g., binomial nomenclature for species names: 4 Perianth actinomorphic; ovules ∞ per carpel ...... Xiphidium 4’ Perianth zygomorphic; ovules 1-4 per carpel 5 Fertile stamen 1 ...... Pyrrorhiza For Adenostoma fasciculatum Hook. & Arn. 5’ Fertile stamens 3 6 Stamens unequal, the two latero-posterior reduced; ovules 3-4 per carpel .... Schiekia Adenostoma = genus name 6' Stamens equal; ovule 1 per carpel fasciculatum = specific epithet 7 Inflorescence a raceme; functional carpel 1; style subterminal ...... Barberetta 7' Inflorescence a thyrse; functional carpels 3; style terminal ...... Wachendorfia Adenostoma fasciculatum = species name Hooker & Arnott = authors of species name
Rank Classification Classification Hierarchical - each higher rank is inclusive of lower ranks
= placing objects, e.g., life, into some type of Rank Example Ending order. Phylum Magnoliophyta -phyta Class Liliopsida -opsida Taxon = a taxonomic group (plural = taxa). Order Liliales -ales Family Liliaceae -aceae Genus Lilium Species Lilium parryi
How to classify life Problem with phenetic class.: Can be arbitrary, Phenetic classification e.g., classify these:
Based on overall similarity
Those organisms most similar to one another are classified more “closely” together.
All of life is interconnected by descent. Phylogenetic classification TAXA Based on known (inferred) evolutionary history. A B C D E F
Advantage: lineage Classification reflects pattern of evolution or clade TIME Classification not ambiguous
Cladogram or Phylogenetic Tree Apomorphy
TAXA A B C D E F = derived (new) feature, e.g.,
sporophyll ------> carpel (ancestral feature) (apomorphy)
TIME speciation Presence of carpels - an apomorphy for flowering plants.
Cladogram or Phylogenetic Tree
Phylogeny = Evolutionary History
Taxa are grouped by apomorphies TAXA A B C D E F Apomorphy Apomorphies - the result of evolution. for taxon D
Apomorphies for taxa B&C
Taxa sharing apomorphies underwent same TIME evolutionary history, should be grouped together. Apomorphy for taxa B-F
Represented as: Cladogram / Phylogenetic Tree
Common ancestry Split of one lineage into two? TAXA A B C D E F Evolutionary divergence.
Can lead to speciation -
TIME origin of new species
common ancestor from pre-existing species (of taxon D, E, & F)
common ancestor (of taxon A & taxa B-F)
Cladogram or Phylogenetic Tree What is a monophyletic group? TAXA A B C D E F a group consisting of: a common ancestor + all descendents of that common ancestor
TIME
speciation
Cladogram or Phylogenetic Tree
TAXA A B C D E F
monophyletic group
TIME
common ancestor (of taxon D, E, & F)
common ancestor (of taxon A & taxa B-F)
Cladogram or Phylogenetic Tree
Relationship Example:
= recency of common ancestry Are fish more closely related to sharks or to humans? i.e., taxa sharing a common ancestor more recent in time are more closely related than those sharing common ancestors more distant in time. Shark Fish Humans Shark Fish Humans
TIME TIME
common ancestor of Fish and Humans
common ancestor of Sharks, Fish, and Humans
Vertebrata Osteichthyes
Shark Fish Humans Major goal in systematics today:
Recognize only monophyletic groups
TIME monophyletic group common ancestor of Fish and Humans
common ancestor of Sharks, Fish, and Humans
TAXA Polyphyletic group A B C D E F
monophyletic Group with more than one common ancestor. group
TIME
(Common ancestor of components of group is common ancestor (of taxon D, E, & F) not a member of the group.) common ancestor (of taxon A & taxa B-F)
Cladogram or Phylogenetic Tree Group consisting of B, C, E, & F is polyphyletic: two common ancestors Therefore, we now Lotus recognize three monophyletic genera Lotus s.l. is not (formerly all Lotus) monophyletic. It is polyphyletic! Acmispon
Hosackia
Lotus s.s.
Type: Type Lotus corniculatus L.
Species Planatarum Volume 2, page 773.
Paraphyletic group
Consist of common ancestor but not all descendents
“Dicots” paraphyletic!
Features that defined traditional “Dicots” (two cotyledons in embryo seed) are primitive (not apomorphies) Monocots monophyletic Major goal in systematics today:
Recognize only monophyletic groups
Polyphyletic and paraphyletic groups distort evolutionary history, should not be Eudicots recognized. monophyletic!
Why study systematics?
Foundation of biology Integrative, unifying science Practical value - economically important plants Conservation biology -rare/endangered spp. Intellectually challenging / fun 27/12/2014
دیدگاه فایلوژنتیک
• فایلوژنی )Phylogeny(: تاریخچه تکاملی موجودات زنده • جایگاه مرکزی در سیستماتیک
• نقش اساسی در زمینههای دیگر علم اصول و روشهای رده بندی گیاهی o بوم شناسی o زیست شناسی مولکولی سید محمد فاطمی o زیست شناسی نمو گروه زیست شناسی o دانشگاه گلستان زبان شناسی [email protected] o فلسفه
2 اصول و روشهای رده بندی گیاهی
دیدگاه فایلوژنتیک
سال 10 سال 9 سال 8 سال 7 سال 6 سال 5 سال 4 سال 3
گلبرگها قرمز، گلبرگها سفید، گلبرگها سفید، گلبرگها قرمز، سال 2 ساقه ها علفی، ساقه ها چوبی، ساقه ها چوبی، ساقه ها علفی، برگهاگلبرگها مودار،سفید، ساقه ها علفی، برگها بدون مو، پرچمها پنج برگها بدون عدد، مو،میوه خشک، پوشش برگها دانه بدون مو،صاف سال 1 برگها بدون مو، پرچمها پنج عدد، پرچمها پنج عدد، پرچمها پنج عدد، گلبرگها سفید، ساقه ها چوبی، برگها پرچمها چهار بدون عدد،مو، پرچمها پنج عدد، میوه خشک، پوشش دانه صاف میوه خشک، میوه خشک، میوه آبدار، میوه خشک، پوشش دانه خاردار گلبرگهاپوشش دانه سفید، صافساقه ها چوبی، برگها پوشش دانه بدون صافمو، پرچمها پنج عدد، میوه خشک، پوشش پوشش دانهدانه صافخاردار گلبرگها قرمز، ساقه ها علفی، برگها بدون مو، پرچمها پنج عدد، میوه خشک، پوشش دانه صاف گلبرگها سفید، ساقه ها چوبی، برگها بدون مو، پرچمها پنج عدد، میوه آبدار، پوشش دانه صاف گلبرگها قرمز، ساقه ها علفی، برگها بدون مو، پرچمها پنج عدد، میوه خشک، پوشش دانه صاف گلبرگها سفید، ساقه ها چوبی، برگها بدون مو، پرچمها پنج عدد، میوه خشک، پوشش دانه صاف گلبرگها قرمز، ساقه ها علفی، برگها مودار، پرچمها پنج عدد، میوه خشک، پوشش دانه صاف گلبرگها سفید، ساقه ها علفی، برگها بدون مو، پرچمها پنج عدد، میوه خشک، پوشش دانه صاف گلبرگها قرمز، ساقه ها علفی، برگها بدون مو، پرچمها چهار عدد، میوه خشک، پوشش دانه صاف
4 اصول و روشهای رده بندی گیاهی 3 اصول و روشهای رده بندی گیاهی
گلبرگها قرمز،
ساقه ها علفی، گلبرگها سفید،
برگها بدون مو، ساقه ها چوبی،
پرچمها پنج عدد، برگها بدون مو،
میوه خشک، پرچمها پنج عدد،
پوشش دانه صاف میوه خشک،
پوشش دانه صاف
گلبرگها سفید، ساقه ها علفی، برگها بدون مو،
پرچمها پنج عدد، میوه خشک، پوشش دانه صاف
گلبرگها قرمز، گلبرگها قرمز، گلبرگها سفید، گلبرگها سفید،
پرچمها چهار عدد ساقه ها علفی، ساقه ها علفی، ساقه ها چوبی، ساقه ها چوبی،
برگها مودار میوه ها آبدار برگها مودار، برگها بدون مو، برگها بدون مو، برگها بدون مو، پوشش دانه خاردار پرچمها پنج عدد، پرچمها چهار عدد، پرچمها پنج عدد، پرچمها پنج عدد،
میوه خشک، میوه خشک، میوه خشک، میوه آبدار،
پوشش دانه صاف پوشش دانه صاف پوشش دانه خاردار پوشش دانه صاف
گلبرگها قرمز ساقه ها چوبی
گلبرگها قرمز، گلبرگها سفید، ساقه ها علفی، ساقه ها چوبی، برگها بدون مو، برگها بدون مو، پرچمها پنج عدد، پرچمها پنج عدد، میوه خشک، گلبرگها سفید، ساقه ها علفی، برگها بدون مو، پرچمها پنج میوه خشک، پوشش دانه صاف عدد، پوشش دانه صاف پوشش دانه صاف
گلبرگها سفید، ساقه ها علفی، برگها بدون مو، پرچمها پنج عدد، میوه خشک،
پوشش دانه صاف
6 اصول و روشهای رده بندی گیاهی 5 اصول و روشهای رده بندی گیاهی
پرچمها چهار عدد برگها مودار میوه ها آبدار پوشش دانه خاردار
گلبرگها قرمز ساقه ها چوبی 1
گلبرگها سفید، ساقه ها علفی، برگها بدون مو،
پرچمها پنج عدد، پوشش دانه صاف 27/12/2014
دیدگاه فایلوژنتیک دیدگاه فایلوژنتیک
گروه متشکل از یک نیا و همه نوادگان آن با یک فایلوژنی ساده متشکل از سه گروه در تیره رُز عنوان گروه تک نیایی Monophyletic نیای مشترک تمشک شناخته می شود تمشک جنگلی و تمشک جنگلی
تمشک
زمان
گیالس
8 اصول و روشهای رده بندی گیاهی 7 اصول و روشهای رده بندی گیاهی
دیدگاه فایلوژنتیک دیدگاه فایلوژنتیک
تک نیایی بودن تاکسون ها تک نیایی بودن تاکسون ها تمشک و تمشک جنگلی نیای مشترک دارند تمشک و تمشک جنگلی نیای مشترک دارند
گونه، استثنای مهم در قاعده تک نیایی بودن گونه، استثنای مهم در قاعده تک نیایی بودن تاکسون ها تاکسون ها
10 اصول و روشهای رده بندی گیاهی 9 اصول و روشهای رده بندی گیاهی
2 27/12/2014
A دانهگردهسهشیاره ) (
گلبرگهایپیوسته گلآذینکپه
B اصول و روشهای رده بندی گیاهی ) (
گلآذینکپه گلبرگها < تعدادشیارهایدانهگرده بله خیر پیوسته آزاد 3 3 سید محمد فاطمی گروه زیست شناسی دانشگاه گلستان [email protected]
2 اصول و روشهای رده بندی گیاهی
A ) (
بله
گلآذینکپه خیر
زمان
پیوسته
گلبرگها آزاد
3 > شیارگرده 3 گل آذین کپه گلبرگها شیارهای گرده
B ) ( خیر آزاد 3< گیاهان ستاره ای
> 3 خیر آزاد 3 گیاهان دایره ای
شیارگرده 3
زمان آزاد خیر پیوسته 3 گیاهان مربعی
گلبرگها پیوسته
خیر
گلآذینکپه بله پیوسته 3 گیاهان لوزی بله
C ) (
بله زمان > گلآذینکپه خیر 3
شیارگرده پیوسته 3 آزاد 4 گلبرگها اصول و روشهای رده بندی گیاهی 3 اصول و روشهای رده بندی گیاهی
B ) (
گلآذینکپه گلبرگها تعدادشیارهایدانهگرده بله خیر < پیوسته آزاد 3 3
گل آذین کپه گلبرگها شیارهای گرده خیر آزاد 3< گیاهان ستاره ای C ) ( خیر آزاد 3 گیاهان دایره ای
بله خیر پیوسته 3 گیاهان مربعی
گلآذینکپه خیر بله پیوسته 3 گیاهان لوزی > پیوسته نامربوط نامربوط 3 مخروطیان
گلبرگها زمان آزاد
3 > شیارهایگرده 3
6 اصول و روشهای رده بندی گیاهی 5 اصول و روشهای رده بندی گیاهی
1 27/12/2014
بله خیر گلآذینکپه پیوسته آزاد گلبرگها
زمان
3
شیارهایگرده > تعداد لپه گلآذین کپه گلبرگها شیارهای A 3 گرده ) ( 2 خیر آزاد 3< گیاهان ستارهای سیاه 1 خیر آزاد 3< گیاهان ستارهای خاکستری
گیاهان ستارهای سفید 1 خیر پیوسته 3< بله
گیاهان دایرهای گلآذینکپه 2 خیر آزاد 3 خیر
گیاهان مربعی 2 خیر پیوسته 3 پیوسته
گیاهان لوزی گلبرگها 2 بله پیوسته 3 آزاد
2> نامعلوم نامعلوم 3< گیاه مخروط دار زمان 3
شیارهایگرده > 3
B ) ( 8 اصول و روشهای رده بندی گیاهی 7 اصول و روشهای رده بندی گیاهی
Ockham گلآذینکپه گلبرگها گلبرگها < تعدادشیارهایدانهگرده > تعدادلپهها تیغ بله خیر پیوسته آزاد 3 3 1 1 آزاد پیوسته "ساده ترین توضیح برای این مشاهدات چیست؟"
اصل پارسیمونی Parsimony
گلآذینکپه هیچ فرضیهای را پیچیده تر از آنچه که داده ها گلبرگها < تعدادشیارهایدانهگرده > تعدادلپهها بله خیر پیوسته آزاد 3 3 1 1 می خواهند، ایجاد نکنید.
< بکار بردن این اصل سادگی، یا پارسیمونی ، منجر به 1 تعدادلپهها
انتخاب کوتاهترین شبکه خواهد شد. 1
3
واقعیت آنست که کوتاه بودن درخت دلیل درستی آن شیارهایگرده > نیست، بلکه ساده ترین توضیح برای داده هاست 3
10 اصول و روشهای رده بندی گیاهی 9 اصول و روشهای رده بندی گیاهی
روش حداکثر احتمال )maximum likelihood method( روش حداقل فاصله )minimum distance method( • محاسبه احتمال تغییر در هر کاراکتر • ایجاد ماتریکس کاراکتر از همانندی و ناهمانندی گیاهان • مجموع احتمال برای کل درخت یا شبکه • شبکه ای که حداقل ناهمانندی را نشان میدهد • مناسب برای داده های مولکولی • ساده بودن محاسبه احتمال تغییرات ژنتیکی )جهش ها(
12 اصول و روشهای رده بندی گیاهی 11 اصول و روشهای رده بندی گیاهی
2 27/12/2014
گیاه شکل برگ رگبندی حاشیه برگ دمبرگ )۱پهن ۲فلسی ۳ ۱. پنجه ای ۱. صاف سرنیزهای ۴ ۲. دندانهای ۱ ندارد ۲ شانه ای تخم مرغی ۳. بریده ۲ دارد ۵ کشیده( ۴. ۶ لوزوی سرو ۲ - ۱ افرا ۱ ۱ ۲ اوکالیپتوس ۳ ۲ ۲ انجیر ۱ ۱ ۲ صنوبر ۴ ۱ ۲ بید مجنون ۵ ۲ ۲ ختمی ۶ ۱ ۲
13 سیستماتیک گیاهی ۱
3