The Geography of Phytochemical Races Bruce A. Bohm The Geography of Phytochemical Races 1 3 Dr. Bruce A. Bohm 3685 West 15th Avenue Vancouver, British Columbia V6R 2Z6 Canada e-mail: [email protected] ISBN: 978-1-4020-9051-6 e-ISBN: 978-1-4020-9052-3 Library of Congress Control Number: 2008934053 © 2009 Springer Science+Business Media B.V. No part of this work may be reproduced, stored in a retrieval system, or transmitted in any form or by any means, electronic, mechanical, photocopying, microfi lming, recording or otherwise, without written permission from the Publisher, with the exception of any material supplied specifi cally for the purpose of being entered and executed on a computer system, for exclusive use by the purchaser of the work. Cover design: Boekhorst Design BV Printed on acid-free paper 9 8 7 6 5 4 3 2 1 springer.com This book is dedicated to Wilfred (Wilf) B. Schofi eld, Emeritus Professor of Botany, University of British Columbia, bryologist extraordinaire, indomitable fi eld botanist for whom the force of gravity is a mere inconvenience, scholar, teacher, colleague, and, above all, good friend. Acknowledgments I thank many workers, too numerous to list, who have provided reprints, preprints, and general information on the subject of chemical races. Special thanks go to Prof. Dr. Tod Stuessy, Institut für Botanik, Universität Wien, for his help with the literature on this and other projects, and for encouragement and support over the years. I am also very grateful to Prof. Dr. Eckhard Wollenweber, Institut für Botanik der TU Darmstadt, for his friendship and collegiality over the years, for access to unpublished data, and for rendering the Abstract in German, thus saving everyone from having to suffer my abuse of his beautiful language. I also thank Mapthemat- ics Ltd. of Renton, Washington who assisted me in acquiring the mapping program Geocart Version 2.6 with which the maps in this review were prepared. vii Abstract The discovery of chemical races was one of the important outcomes of the “chemo- taxonomic age,” providing systematists with another tool in the search for relation- ships. The subject was discussed in a few review articles at the time, but, by and large, receded into the background as more powerful techniques, generally referred to as molecular biology, came on stream. This review is an attempt to update the subject of chemical races by bringing together an assortment of examples from the literature where geographically distinct profi les in the occurrence of secondary metabolites have been described. The examples are sorted into several general categories, within which exam- ples are further arranged according to geographical areas. The fi rst major category involves disjunctions that occur more or less within continents, with some obvious exceptions such as some African taxa that not only occur primarily on the continent but are also represented on Madagascar or on the Canary Islands. The second cat- egory is similar to the fi rst, but specifi cally addresses distributions likely caused by retreat of glaciers. The third category treats intercontinental disjunctions; category four is similar, but treats examples characterized by wide disjunctions that do not fi t easily into the intercontinental group. Category four also includes several examples from the lichen chemistry literature. Category fi ve features disjunctions involving oceanic islands, while polar disjunctions are covered in the fi nal section. Inclusion of an example in a particular category is admittedly arbitrary. Exam- ples in the postglacial group, for instance, could just as easily have been included within the continental group, but were given special consideration because most of the workers involved with those taxa discussed their results in terms of refugia and postglacial migration. Some taxa appear under two or more categories. For example, some taxa within Chrysosplenium are disjunct between Asia and North America, others between North America and Europe, and still others between Asia and South America. At closer focus, one fi nds sectional disjunctions between eastern and western North America, and in one case, populational differences within a species. Unfortunately, few systems have been examined this thoroughly, as will be noted in several places below. In a few cases, information obtained from macromolecular methods is included where such data might have a bearing on interpretation of how a given secondary metabolic profi le could have come about. Specifi cally, it is possible to speculate on ix x Abstract which biosynthetic step in a given pathway might have been eliminated or altered in the establishment of a new chemical profi le. Examples involve a wide assortment of chemical types, and range from the sim- plest approach—a comparison of chromatograms—to application of cladistic meth- odology to complex sets of chemical structural data. Equally wide is the sampling of the plant kingdom, with examples including lichens, bryophytes, ferns, fl ower- ing plants, and conifers. Although the study of conifer chemistry is often limited to simple compounds of widespread occurrence, we see that statistical analysis of quantitative data (GLC) provides a powerful means of assessing relationships, as well as the history of postglacial migrations. Application of statistical analysis to fl avonoid data has also revealed relationships in a few cases. Zusammenfassung Die Entdeckung chemischer Rassen war eines der wichtigsten Ergebnisse des “Zeitalters der Chemotaxonomie”, hat sie doch den Systematikern ein weiteres Werkzeug für die Suche nach Verwandtschaftsbeziehungen in die Hand gegeben. Das Thema wurde seinerzeit in mehreren Review-Artikeln diskutiert, aber nach und nach ist es gegenüber leistungsfähigeren Techniken, die allgemein unter dem Stichwort Molekularbiologie zusammengefaßt werden können, in den Hintergrund gerückt. Dieser Übersichtsartikel ist ein Versuch, das Thema Chemische Rassen zu aktualisieren, indem eine Zusammenstellung von Beispielen aus der Literatur gegeben wird, wo für pfl anzliche Sekundärstoffen geographisch distinkte Muster beschrieben wurden. Die Beispiele sind nach mehreren Kategorien geordnet und innerhalb dieser Kategorien nach geographischen Gebieten. Die erste Kategorie umfaßt Disjunk- tionen, die mehr oder weniger nur innerhalb eines Kontinents vorkommen. Sie umfaßt auch einige Ausnahmen, wie etwa afrikanische Sippen, die zwar vorwieg- end auf dem Kontinent, aber auch auf Madagaskar oder auf den Kanaren vertreten sind. Die zweite Gruppe ähnelt der ersten, betrifft aber speziell Verbreitungsmuster, die vermutlich durch den Rückzug von Gletschern bedingt sind. Die dritte Gruppe behandelt interkontinentale Disjunktionen. Die vierte Gruppe enthält Beispiele für weiträumige Disjunktionen, die nicht ohne weiteres in die interkontinentale Gruppe passen. Diese Gruppe enthält auch einige Beispiele aus der Literatur zur Flechtenche- mie. Gruppe fünf behandelt Disjunktionen, die vor allem die ozaenischen Inseln betreffen, während polare Disjunktionen im letzten Kapitel behandelt werden. Die Aufnahme eines Beispiels in eine bestimmte Gruppe ist zugegebenermaßen etwas willkürlich. So könnten etwa Beispiele aus der nach-eiszeitlichen Kategorie ebensogut in der kontinentalen Kategorie stehen. Hier wurde aber besonders berücksichtigt, daß die meisten Autoren, die sich mit solchen Sippen beschäftigen, Ihre Ergebnisse im Zusammenhang mit Rückzugsgebieten und nach-eiszeitlichen Wanderungen diskutieren. Einige Sippen erscheinen unter zwei oder mehr Kategorien. Manche Sippen innerhalb von Chrysosplenium beipielsweise sind disjunkt zwischen Asien und Nordamerika verbreitet, andere zwischen Nordamerika und Europa, wie- der andere zwischen Asien und Südamerika. Bei näherer Betrachtung fi ndet man Diskunktionen auf Sektionsebene zwischen dem östlichen und dem westlichen Teil Nordamerikas, und in einem Fall unterscheiden sich Populationen innerhalb einer Art. xi xii Zusammenfassung Leider wurden nur wenige Verwandtschaftskreise derart gründlich untersucht, wie an mehreren Stellen gezeigt werden wird. In einigen Fällen wurden Informationen aus makromolekularen Untersuchungen mit einbezogen, wenn diese Daten bei der Interpretation der Sekundärstoffmuster hilfreich sind. Insbesondere kann man Vermutungen darüber anstellen, welche Schritte eines bestimmten Biosynthesewegs beim Aufbau eines neuen Sekundärstoffmusters ausgefallen oder verändert worden sein könnten. Die Beispiele umfassen einen weiten Bereich Chemotypen, von einfachsten Fällen (Vergleich von Chromatogrammen) bis hin zur cladistischen Methodik für komplexe Sätze chemischer Merkmale. Ähnlich weit ist die Auswahl aus dem Pfl anzenreich; sie umfaßt Flechten, Moose, Farne, Angiospermen und Gymnospermen. Obwohl sich die chemischen Daten bei Koniferen oft auf einfache Verbindungen mit weitverbreitetem Vorkommen beschränken, werden wir doch sehen, daß statistische Analysen quantitativer Daten (GLC) ein wertvolles Hilfsmittel zur Aufdeckung von Verwandschaftsbeziehungen ebenso wie der nach-eiszeitlichen Wanderungen darstellen. Die Anwendung statistischer Analysen auf Flavonoid-Daten hat in einigen Fällen ebenfalls zur Klärung von Verwandschaftbeziehungen geführt. Contents 1 Introduction ..................................................................................................... 1 2 Examples Within Continents ......................................................................... 3 2.1 Africa (Including Madagascar) .................................................................3