Evolución de la heterostilia en Oxalis alpina.

Responsables: Dr. César Domínguez Pérez-Tejada y Dr. Juan Enrique Fornoni Agnelli. Participantes: Dr. Francisco Molina Freaner - IE, Dr. Stephen Weller - Universidad de California, Irvine, Biol. José Rubén Pérez Ishiwara - IE. Alumnos: Fernanda Baena - L, Adriana López Villalobos - M. Paula Sosenski - D, . Jessica Pérez Alquicira, D.Líneas de investigación: Evolucion de los sistemas reproductivos en plantas, Evolución Fenotípica, Evolución de la sexualidad.Objetivos: (1) Reconstruir la historia evolutiva de las poblaciones de oxalis alpina en la region de las sky islands y (2) determinar la intensiddad de las fuerzas evolutivas que han propiciado la evolucion de la distilia a partir de la tristilia y sus consecuencias en la morfologia floral.

La mayoría de las especies de plantas con flores son hermafroditas y por lo tanto tienen el potencial de auto fertilizarse. Carlos Darwin (1900) fue el primero en demostrar los efectos nocivos de la endogamia y sugirió que esta presión selectiva ha jugado un papel fundamental en la evolución de las plantas con flores. Aunque el tiempo mostró que Darwin tenía razón, hoy sabemos que la diversificación de los sistemas reproductivos de las Angiospermas es el resultado de un conjunto de fuerzas que interactúan de manera compleja. Es indudable que los enfoques clásicos basados en la selección natural y la endogamia permanecen vigentes, sin embargo, ahora debemos agregar las aportaciones de la teoría de “Conflictos Genómicos” (Domínguez 1995) y de la "Ecología Histórica" (Avise 2000). Asimismo, el desarrollo de modelos que simulan la evolución de los sistemas reproductivos (Charlesworth 1979. Frank 1990, Maurice 1992), y la utilización de nuevos métodos para evaluarlos (Campbell 2000), permiten abordar preguntas que hace sólo unos años hubieran sido írresolubles.

Aunque este campo de estudio se inició formalmente hace mas de 200 años con el trabajo de Christian Konrad Sprengel (1793; en Vogel, S. 1996) la pregunta de cuáles son las fuerzas evolutivas involucradas en la diversificación de los sistemas reproductivos de las Angiospermas continúa siendo de gran interés y vigencia en la biologia evolutiva. La presente propuesta aborda esta pregunta y propone entender la dinámica evolutiva de uno de los sistemas reproductivos mas complejos, la tristilia, a través de un estudio sobre la evolución del sistema reproductivo heterostílico de Oxalis alpina (Oxalidaceae; sección Inoxalis).

Desde los tiempos de Darwin (1877) la heterostilia a servido como un sistema modelo para estudiar la evolución de la reproducción vegetal. La heterostilia es un sistema reproductivo caracterizado por un polimorfismo de dos (distilia) o tres (tristilia) morfos florales que generalmente están asociados con un sistema de incompatibilidad (Barrett 1992). El morfo Pin de las especies distílicas tiene flores con estilos largos y anteras cortas, mientras que el morfo Thrum tiene anteras largas y estilos cortos (Fig. 1). Las cruzas que son capaces de producir semillas son aquellas que ocurren entre anteras y estigmas del mismo nivel. Darwin (1877) llamó a estas cruzas "legítimas" debido a que éstas son las únicas capaces de producir semillas. Las poblaciones de especies tristílicas están compuestas por tres morfos. Como en el caso de las especies distílicas cada morfo es autoincompatible. Las cruzas compatibles ocurren entre las anteras y los estigmas que se encuentran al mismo nivel. Dado que hay tres morfos florales, hay seis categorías de polinizaciones legítimas. EI sistema de control genético de la tristilia consiste de dos loci ligados (S y M), cada uno con dos alelos, y efectos epistáticos de S sobre M (Barrett 1993). En teoría, este sistema de control genético debería producir poblaciones con frecuencias iguales de cada morfo (isopletía, Heuch 1979).

El estudio de la heterostilia ha incluido aspectos muy diversos que van desde su origen evolutivo (Charlesworth y Chariesworth 1979, Charleworth 1979, Lloyd y Webb 1992), hasta la exploración de las fuerzas selectivas que mantienen o modifican este sistema reproductivo. La heterostilia puede ser evolutivamente estable, evolucionar hacia la homostilia, la agamospermia, la dioecia, o variar entre la distilia y la tristilia (Weller 1976, Ganders 1979, Wyatt 1983, Richards 1986, Weller 1986, Berry st al. 1991, Barrett 1992, Weller 1992 y Weller et al. 1995). La labilidad evolutiva de la heterostilia, junto con su representación en una gran cantidad de familias de Angiospermas (distilia

representada en 25 familias (Barrett 1992, y tristilia en 4 (Barrett 1993)), sugiere que ésta ha surgido de manera independiente en más de 20 ocasiones (Weller et al. 1995). La distilia y la tristilia ocurren en sólo dos familias (Lythraceae y Oxalidaceae), y en ambos casos se piensa que la distilia se originó de la tristilia (Weller 1992).

Antecedentes de la propuestaEn esta investigación proponemos estudiar las relaciones evolutivas entre la distilia y la tristilia en Oxalis alpina, una especie que se distribuye principalmente en México pero que ocurre también en el suroeste de los Estados Unidos. Las poblaciones de O. alpina que ocurren en el límite norte de su distribución (Sonora, Arizona y Nuevo México) son particularmente útiles para entender las relaciones evolutivas entre la distilia y la tristilia (Weller 1976, Weller 1986). Esta región, conocida como Sky Islands (islas en el cielo), se caracteriza por la presencia de picos montañosos aislados por desiertos de baja elevación. O. alpina sólo se presenta en las partes altas de las montanas (por arriba de 2800 m), por lo que las poblaciones se encuentran aisladas unas de otras. La mayoría de las poblaciones de la región son tristílicas, aunque es posible encontrar una gran variación en la frecuencia de los tres morfos. En general se observa que la pérdida del morfo intermedio es lo que origina las poblaciones distílicas de esta especie. La frecuencia del morfo intermedio, aunque reducida, tiende a ser más alta en las poblaciones de Sonora, mientras que las poblaciones distílicas están concentradas en las montañas de Arizona (Weller 1979, Domínguez, Molina y Weller, datos sin publicar). La distribución de las poblaciones sugiere que la distilia ha evolucionado en el límite norte de la distribución de esta especie. Es probable que la colonización de la región por ancestros tristílicos ocurrió durante el Pleistoceno cuando las condiciones eran más frías y húmedas y esta especie ocupaba elevaciones menores. La sequía que siguió al Pleistoceno restringió la distribución de O. alpina a los sitios elevados de las montañas y presumiblemente fragmentó y aisló a las poblaciones. De acuerdo con esto, el cambio climático que siguió al Pleistoceno generó un archipiélago montañoso en el desierto Sonorense que a su vez produjo una dinámica evolutiva equivalente a la de los archipiélagos marinos. Por lo tanto, este fenómeno ofrece una oportunidad única para estudiar las fuerzas evolutivas que han producido la variación en el sistema reproductivo de las poblaciones de O. alpina desde su aislamiento a finales del Pleistoceno, y como estas fuerzas afectaron la evolución del fenotipo floral.

Una serie de estudios enfocados a determinar el sistema de incompatibilidad de O. alpina nos han permitido proponer una hipótesis sobre la evolución de la distilia en esta especie (Weller 1976, Domínguez, Molína y Weller, datos sin publicar). Como mencionamos anteriormente en las especies tristílicas clásicas sólo las polinizaciones legítimas (aquellas que ocurren entre anteras y estigmas del mismo nivel) son capaces de producir semillas. En estos casos las relaciones de incompatibilidad son simétricas ya que cada morfo floral es capaz de recibir y donar polen de y hacia los dos morfos restantes. En contraste, las reacciones de incompatibilidad de algunas poblaciones tristílicas de O. alpina se encuentran fuertemente modificadas. En esas poblaciones las reacciones de incompatibilidad de las anteras intermedias de los morfos corto y largo están ausentes. Esto significa que las anteras intermedias del morfo corto (mS) son capaces de producir semillas con el estigma de las plantas de estilos largos (L) (cruza L x mS). Asimismo, la cruza entre las anteras intermedias del morfo largo (mL) con estigmas del morfo de estilos cortos (S) (S x mL) también produce semillas. Además, la pérdida de la reacción de incompatibilidad de las anteras del morfo intermedio no parece tener ningún efecto sobre la producción de semillas de las plantas de estilos intermedios (M x mS o M x mL).

La modificación de las reacciones de incompatibilidad de las anteras intermedias de los morfos largo (mL) y corto (mS) podría resultar en una desventaja selectiva para las plantas de morfo intermedio (M). Como mencionamos anteriormente, cada morfo tiene dos niveles de anteras, y en una situación normal el polen de cada nivel solo produce semillas cuando alcanza los estigmas que se encuentran en su mismo nivel. La modificación de las reacciones de incompatibilidad de O. alpina genera que las plantas de estilos cortos tengan dos vías de donación de polen hacia las plantas de estilos largos (L x IS y L x mS). Una situación similar ocurre con las plantas de estilos largos cuando donan polen hacia las de estilos cortos (S x sL y S x mL). En contraste, las plantas de estilos intermedios sólo tienen una via de donación de polen hacia las plantas de estilos cortos

(S x sM) o largos (L x lM). Estas observaciones sugieren que el polen del morfo intermedio podría competir desventajosamente con el de las plantas de estilos cortos y de estilos largos. Por otra parte, desde la perspectiva de la adecuación femenina las plantas de estilos intermedios podrían recibir menos polen que las de los otros dos morfos. La modificación de la incompatibilidad produce que las plantas de morfo intermedio reciban polen de dos fuentes, mientras que las de los otros morfos tienen la capacidad de ser fecundadas con el polen de tres fuentes distintas. En otras especies tristllicas se ha observado que el éxito reproductivo de los morfos es sensible a alteraciones en el flujo de polen y en la magnitud de la auto-incompatibilidad, indicando que ambos factores pueden afectar la frecuencia de los mortos en las poblaciones (Barrett y Glover 1985, Barrett et al. 1989).

Hay al menos dos hipótesis alternativas para explicar la desaparición del morfo intermedio; una relacionada con la actividad de los polinizadores y la otra con eventos azarosos como deriva génica y efectos históricos. El principal polinizador de O. alpina es una abeja solitaria que colecta el polen (Heterosarus bakeri; Andrenidae) y que no muestra preferencia por alguno de los morfos florales, lo que sugiere que no produce flujos de polen asimétricos (Weller 1981). Por otra parte, los eventos azarosos no ofrecen una explicación muy plausible, ya que es el morfo intermedio el que siempre se pierde en las poblaciones. No obstante, dado que existe un fuerte componente geográfico (las poblaciones distílicas están concentradas en las montañas de Arizona), es posible que la distilia se haya originado una sola vez y que después colonizó las montañas adyacentes.

Además de las hipótesis relacionadas con el origen de la distilia en Oxalis alpina, existe otro grupo de preguntas evolutivas asociadas con las consecuencias de dicho evento. Una que destaca por su importancia tiene que ver con la dinámica selectiva que se produce por efecto de la pérdida del morfo intermedio y que afecta la evolución subsecuente de la morfología floral. Tal como mencionamos anteriormente, el establecimiento de la distilia debería producir presiones de selección para incrementar la eficiencia de donación y recepción de polen en flores típicas de un sistema tristílico que funcionan en ausencia de uno de los morfos. En teoría, este ajuste debería ocurrir si hay suficiente variación genética (h2) y las covarianzas genéticas son reducidas (Falconer y Mackay 1996). Esta predicción requiere de examinar la existencia de correlaciones fenotípicas y genéticas entre los caracteres que describen la morfología floral y compararlas entre poblaciones tristílicas y distílicas. Con este propósito construiremos matrices de varianza-covarianza en las que resumiremos la variación (fenotípica o genética) de los atributos florales (diagonal principal), así como la asociación entre ellos (elementos fuera de la diagonal principal). Esta herramienta es muy útil, ya que si las covarianzas genéticas son importantes podrían restringir la evolución de un carácter. Sin embargo, si la asociación entre caracteres es débil o nula los atributos que describen el fenotipo floral podrían evolucionar de manera independiente. La integración de esta información en la filogeografía permitirá determinar la importancia del componente adaptativo y las correlaciones entre caracteres (evolución de matrices fenotípicas) en la evolución de la sexualidad de las plantas.

Finalmente, toda la información que se obtenga durante el proyecto se integrará en un modelo teórico que permitirá predecir las frecuencias de los morfos florales en el equilibrio evolutivo. Como parámetros se utilizarán la probabilidad de flujo de polen (dentro y entre morfos), el nivel de compatibilidad (dentro y entre morfos), el nivel de depresión por endogamia por morfo, el éxito reproductivo por morfo, y la frecuencia de los morfos.

Obviamente, la respuesta a las preguntas que hemos planteado sólo puede alcanzarse a través de un enfoque que combine observaciones, experimentos de campo, modelación, análisis genéticos, embriológicos, y un análisis histórico explícito. En resumen, la amplia variación que se observa entre las poblaciones de O. alpina de la región de las Sky Islands en las frecuencias del morto intermedio (cero a 33%) parece capturar todas las fases de la evolución de un sistema reproductivo a otro (distilia a tristilia). Por lo tanto, estas poblaciones representan una oportunidad única para investigar los detalles de esta transición, y para evaluar diferentes hipótesis que expliquen no sólo la pérdida del morfo intermedio en Arizona y su disminución en algunas poblaciones de México, sino las consecuencias de dicha pérdida en la evolución de la sexualidad de las plantas.