FILOGENIA Y GENÉTICA POBLACIONAL DEL GÉNERO ANDROCYMBIUM (COLCHICACEAE) Alberto DEL HOYO LEAL ISBN: 968-84-690-4262-5 Dipòsit legal: GI-1436-2006 FILOGENIA Y GENÉTICA POBLACIONAL DEL GÉNERO ANDROCYMBIUM (COLCHICACEAE) ALBERTO DEL HOYO LEAL Marzo 2006 JARDÍ BOTÀNIC MARIMURTRA Y FACULTAD DE CIENCIAS DE LA UNIVERSITAT DE GIRONA PROGRAMA DE DOCTORADO DE MEDIO AMBIENTE. BIENIO 2002 – 2004 FILOGENIA Y GENÉTICA POBLACIONAL DEL GÉNERO ANDROCYMBIUM (COLCHICACEAE) Memoria presentada para optar al título de Doctor en Biología por la Universitat de Girona por ALBERTO DEL HOYO LEAL DIRECTORES: DR. JOAN PEDROLA MONFORT Y DR. JOSÉ LUIS GARCÍA MARÍN Dr. JOAN PEDROLA MONFORT Dr. JOSÉ LUIS GARCÍA MARÍN Lab. de Biologia Evolutiva de Plantes, Dept. Lab. de Genètica, Dept. de Biologia, de Botànica, Facultat de Biològiques, Facultat de Ciències. Universitat de Universitat de València. Girona. ALBERTO DEL HOYO LEAL AGRADECIMIENTOS Al Dr. Joan Pedrola-Monfort y al Dr. José Luis García-Marín, por dirigirme la tesis doctoral. Al área de genética de la Universitat de Girona por haberme ayudado a secuenciar todas las muestras. A Laura Piferrer y Montse Samper, antiguas becarias del Jardí Botànic Marimurtra, por su inestimable ayuda en el análisis y la interpretación de los marcadores RAPD. Al Dr. Martí Cortey y a Manel Vera, por enseñarme toda las técnicas relacionadas con la secuenciación del DNA. Al Dr. Juli Caujapé-Castells y a la Dra. Nuria Membrives, por su interés y colaboración a la hora de discutir diferentes aspectos relacionados con el género Androcymbium . A la Dra. Karin Persson, por su inestimable ayuda en la discusión de diversos aspectos relacionados con el género Colchicum . A Laia Pedrola, por haberme ayudado en la clonación del DNA. A Dolors Isern, por su ayuda en la extracción de DNA. A la Fundación Karl Faust, por la ayuda económica concedida para la realización de esta tesis y a su director, Jordi Masbernat, por haber confiado en mi. Va por ti Camborio! RESUMEN En este trabajo se ha estudiado el género Androcymbium (Colchicaceae) a dos niveles: macro- y micro- evolutivo. A nivel microevolutivo se ha obtenido que para las especies de Sudáfrica oriental la componente interpoblacional es muy importante para explicar la distribución de la variabilidad genética, igual que en Sudáfrica occidental. Para las especies de Namibia, la componente mas importante es la intrapoblacional, igual que en el norte de África. A nivel macroevolutivo se ha obtenido que el origen del género se sitúa en Sudáfrica occidental, datándose en 11,2±2 ma. Este género ha resultado ser parafilético, dada la aparición conjunta en un mismo clado de especies de Androcymbium y Colchicum, y las especies del norte de África derivan de un taxa de Namibia que llegó a la cuenca Mediterránea a principios del Plioceno gracias a la formación de un corredor árido entre las zonas áridas del suroeste y este de África. RESUM En aquest treball s’ha estudiat el gènere Androcymbium (Colchicaceae) a dos nivells: macro- i micro- evolutiu. A nivell microevolutiu s’ha obtingut que per les espècies de Sudàfrica oriental, la component interpoblacional es molt important per explicar la distribució de la variabilitat genètica, igual que a Sudàfrica occidental. Per les especies de Namibia, la component mes important es la intrapoblacional, igual que al nord d’Àfrica. A nivell macroevolutiu s’ha obtingut que l’origen del gènere es situa a Sudàfrica occidental, datant-se en 11,2±2 ma. Aquest gènere ha resultat ser parafilètic, donat l’aparició conjunta en un mateix clade d’especies d’Androcymbium i Colchicum, i les espècies del nord d’Àfrica deriven d’un taxa originari de Namíbia que va arribar a la conca Mediterrània a principis de Pliocé gràcies a la formació d’un corredor àrid entre les zones àrides del sud-oest i est d’Àfrica. ABSTRACT In this study the genus Androcymbium (Colchicaceae) has been studied at two levels: macro- and micro- evolutive. At the microevolutive level it has been obtained that in the western south African species, the inter-populational component is very important to explain the distribution of the genetic variability, the same case like in western South Africa. In the Namibian species, the main component in the intra-populational, the same case as in north Africa. At the macroevolutive level it has obtained that the origin of the genus is located in western South Africa and it has been dated in 12.2±2 mya. This genus is paraphyletic because of the inclusion of some species of Colchicum within Androcymbium, and the origin of the northern Africa taxa are related with a Namibian taxa that colonized the Mediterranean basin at the beginning of Pliocene thanks to the formation of an arid corridor between the arid areas of south-western and eastern Africa. SUMARIO Introducción ............................................................................................1 Familia Colchicaceae y género Androcymbium................................... 6 Capítulo 1: Características biológicas de las especies de Namibia y Sudáfrica oriental .................................................................................31 Capítulo 2: Genética poblacional de las especies de Namibia y Sudáfrica oriental Introducción ..................................................................................61 Material y métodos.......................................................................64 Resultados......................................................................................76 Discusión........................................................................................86 Conclusiones .................................................................................96 Capítulo 3: Filogenia del género Androcymbium Introducción ..................................................................................99 Material y métodos.....................................................................101 Resultados....................................................................................133 Discusión......................................................................................173 Conclusiones ...............................................................................202 Discusión general ...............................................................................205 Bibliografía ..........................................................................................209 Anexos..................................................................................................233 Introducción Introducción INTRODUCCIÓN Desde que Charles Darwin publicó el mecanismo de la selección natural que explicaba el origen de la biodiversidad biológica y establecía así las bases de la Teoría Evolutiva, se han producido cambios esenciales en todo el cuerpo teorético de esta Teoría. Relacionado con estos cambios, resaltaremos tres fenómenos clave que han ocurrido en estos últimos años en las diversas disciplinas que la componen: (i) los métodos cladistas basados en la teoría de Hennig (1966) acordes con los postulados epistemológicos de Karl Popper y por tanto generadores de hipótesis falsables, (ii) los descubrimientos de la bioquímica del DNA y sus mecanismos de replicación así como el nacimiento de las técnicas de análisis molecular, basadas en la enzima termoestable de Thermus aquaticus Taq polimerasa, que ha permitido la amplificación automatizada de cualquier fragmento de DNA (reacción llamada PCR) y (iii) la informática aplicada al cálculo computacional y sus consecuencias en la automatización y el tratamiento de una inmensidad de datos. Se han abierto así, muy recientemente, unas inmensas posibilidades en los estudios de la biología evolutiva de los organismos, en base al estudio multigénico con diversos marcadores moleculares. Con estas nuevas metodologías, podemos penetrar en los cambios moleculares de los organismos, plantear hipótesis históricas sobre su evolución y tratar de relacionar esta evolución molecular con la morfológica. También se abre la posibilidad de analizar la evolución organísmica y relacionarla con los cambios históricos, tanto con sus correspondientes áreas biogeográficas, ambientales o geológicos, que sin duda han sido muy influyentes y decisivas en su dinámica evolutiva. Se abre así una nueva posibilidad de penetrar en la otra esfera del famoso “misterio de los misterios”, en este caso la evolución de las angiospermas a partir de sus historias ambientales relacionadas con su filogenia. La posibilidad de obtener actualmente hipótesis evolutivas basadas en datos moleculares y relacionarlas con el tiempo geológico de formación de sus áreas bióticas y con sus historias ambientales, está permitiendo entender las bases moleculares de los cambios morfológicos en la evolución de los taxa, las expansiones y contracciones filogeográficas de sus poblaciones, sus direcciones colonizadoras, sus zonas refugio y los tiempos y modos de especiación de las especies. 1 Introducción En estos momentos y dadas estas premisas, el objetivo base de esta tesis es estudiar la filogenia y la genética poblacional del género Androcymbium y discutir, en base a los conocimientos actuales, la fiabilidad, consistencia y robustez de los resultados y sus implicaciones sobre determinadas hipótesis de la historia evolutiva de este género. ¿Por qué el género Androcymbium como objeto de estudio de la genética de poblaciones y de su filogenia? Muchos trabajos sobre biogeografía africana han resaltado que uno de los fenómenos mas fascinantes en la actualidad y en la botánica