Estudios filogenéticos y taxonómicos en Eryngium (Apiaceae) linaje Sudamericano: circunscripción y revisión de las especies de Paraguay

Abstract

Eryngium es un género monofilético y uno de los más complejos de la familia Apiaceae. A partir de estudios filogenéticos moleculares está dividido en dos subgéneros, Eryngium subgénero Eryngium y Eryngium subgénero Monocotyloidea, y en varios linajes. El linaje Sudamericano del subgénero Monocotyloidea es el más rico en número de especies y es extremadamente diverso morfológica y ecológicamente. Incluye varios sublinajes fuertemente sustentados de especies que comparten características morfológicas, ecológicas y/o geográficas, pero las relaciones filogenéticas entre ellos no están resueltas. Aumentar el muestreo de especies en los análisis filogenéticos del linaje Sudamericano de Eryngium y analizar críticamente la morfología y la delimitación de sus especies es indispensable para corroborar hipótesis sobre los procesos evolutivos que dieron origen a la diversidad del género. Uno de los centros de mayor riqueza del linaje Sudamericano se encuentra en Paraguay, sur de Brasil y el noreste de Argentina. En particular, las especies de Eryngium que crecen en Paraguay constituyen un vacío en el conocimiento de la biodiversidad del género, lo que hace necesaria una revisión taxonómica de las especies de ese país. Por este motivo, en esta tesis, se abordan estudios integrativos que incluyen evidencias morfológicas, ambientales, biogeográficas y/o filogenéticas moleculares con los objetivos de: estimar las relaciones filogenéticas entre especies del linaje Sudamericano; delimitar especies que representen linajes evolutivamente independientes; identificar caracteres morfológicos útiles para reconocer linajes y describir la diversidad morfológica del género; analizar la distribución geográfica y hábitats de las especies, e identificar especies de Eryngium en estado de amenaza. Estos estudios se sintetizan en una revisión taxonómica de las especies de Eryngium que crecen en Paraguay. Para este trabajo, se registraron todos los nombres de especies y taxones infraespecíficos de Eryngium citados para Paraguay (89) en tratamientos previos y se examinó la morfología, distribución geográfica y hábitats de las especies mediante el análisis de un gran número de ejemplares de herbario (ca. 3000, incluyendo material original de cada nombre) y de observaciones en el campo durante viajes de recolección. Asimismo, se estimó la posición filogenética dentro del linaje Sudamericano de las especies endémicas de Paraguay a partir de análisis de máxima parsimonia (MP), de inferencia bayesiana (IB) y de máxima verosimilitud (ML) de secuencias de ADN de los genomas del cloroplasto y del núcleo: intrón rps16, interespaciadores génicos trnQ-rps16 y rps16-trnKUUU, y espaciador transcrito interno (ITS). En análisis morfológicos preliminares, se identificaron cinco grupos de especies o variedades de difícil delimitación: 1) Eryngium stenophyllum var. stenophyllum - E. stenophyllum var. corymbosum; 2) E. sellowii – E. stenophyllum var. corymbosum; 3) E. subinerme – E. aff. subinerme; 4) E. plantaginifolium – E. ciliatum; 5) E. regnellii – E. aff. regnellii de Paraguay. Con el fin de evaluar diferentes modelos (hipótesis) de delimitación de especies, para cada uno de ellos, se aplicaron análisis estadísticos univariados y multivariados de datos morfológicos y climáticos que permiten visualizar cómo se agrupan los individuos según sus afinidades morfológicas o según sus nichos ambientales. Además, cuando posible, se realizaron análisis moleculares filogenéticos de MP, ML e IB, y filogenéticos y filogeográficos bayesianos de delimitación de especies basados en la coalescencia. Como resultado, se propone: elevar al rango de especie a E. stenophyllum var. corymbosum; restringir la circunscripción de E. sellowii como especie endémica de Paraguay, designando un lectotipo y un epitipo; aceptar una circunscripción más abarcativa de E. subinerme que incluye la ampliación de su distribución a Paraguay; mantener a E. plantaginifolium como una especie distinta de E. ciliatum; y considerar a las poblaciones de Paraguay afines a E. regnellii como una nueva especie. De los 89 nombres de Eryngium analizados, 29 se aceptan como especies para Paraguay, 7 como especies o taxones infraespecíficos fuera de Paraguay, 4 nombres no están válidamente publicados y 49 se consideraron sinónimos. Se reconocen y describen dos especies nuevas: E. absconditum y E. cerradense. Dos especies se citan por primera vez para Paraguay: E. luzulifolium y E. subinerme. Se reconocen 10 sinónimos nuevos. Se excluyen cuatro especies de la Flora de Paraguay (E. ciliatum, E. junceum, E. paniculatum y E. serra). Se tipifican 20 nombres: 16 lectotipificaciones, 2 neotipificaciones y 2 epitipificaciones, varias de las cuales resuelven confusiones o incertidumbres históricas sobre la circunscripción de especies. Se clarifica la identidad y distribución de las especies E. hassleri, E. paraguariense, E. rojasii y E. sellowii, hasta el momento poco conocidas. La variación morfológica útil para diferenciar a las 29 especies de Eryngium que crecen en Paraguay se resume en una clave dicotómica. Se presentan mapas de distribución y descripción de las provincias fitogeográficas que habitan, como también datos del ambiente y suelo para cada especie. Se realizan ilustraciones científicas nuevas para 10 especies y se ajustan ilustraciones provenientes de floras para las 19 restantes. Se discute la historia taxonómica y posición filogenética de las especies de Eryngium de Paraguay en el linaje Sudamericano, así como se analiza la importancia taxonómica y evolutiva de los caracteres morfológicos. Finalmente, se reconocen seis especies de Eryngium endémicas de Paraguay, y todas se evalúan en categorías de amenaza según los criterios de la Lista Roja de la Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza. La revisión taxonómica de las especies de Paraguay aquí presentada, basada en estudios integrativos con diferentes líneas de evidencia y metodologías explícitas, resultará fundamental para futuros estudios evolutivos, ecológicos, biogeográficos y de conservación del género Eryngium, de la familia Apiaceae, y de la flora de Sudamérica.

Eryngium is a monophyletic genus and one of the most taxonomically complex of the family Apiaceae. Based on phylogenetic studies, it is divided into two subgenera, Eryngium subg. Eryngium y Eryngium subg. Monocotyloidea, and in several lineages. The South American lineage of Eyngium is the richest in number of species of the main lineages of the subgenus Monocotyloidea and is extremely diverse morphologically and ecologically. It includes several strongly supported sublineages that share morphological, ecological and/or geographical characteristics, but the phylogenetic relationships between them are unresolved. Increasing the sampling of species in the phylogenetic analyses of the South American lineage of Eryngium, and also critically analyzing the morphology and delimitation of its species, is essential to corroborate hypotheses about the evolutionary processes that gave rise to the diversity of the genus. One of the centers of richness of the South American lineage is found in Paraguay, southern Brazil and northeastern Argentina. In particular, the Eryngium species that grow in Paraguay constitute a gap in the knowledge of the biodiversity of the genus, making necessary a taxonomic revision of the species that grow in that country. For this reason, in this thesis, integrative studies are addressed that include morphological, environmental, biogeographic and/or molecular phylogenetic evidence with the objectives of: estimating the phylogenetic relationships between species of the South American lineage; delimiting species that represent evolutionarily independent lineages; identifying morphological characters useful for recognizing lineages and describing the morphological diversity of the genus; analyzing the geographic distribution and habitats of species; and identifying Eryngium species under threat. These studies are summarized in a taxonomic revision of the Eryngium species that grow in Paraguay. For this work, all the names of species and infraspecific taxa of Eryngium cited for Paraguay (89) in previous treatments were recorded and the morphology, geographical distribution and habitats of the species were examined by analyzing a large number of herbarium specimens (ca. 3000, including original material for each name) and field observations during collecting trips. Likewise, the phylogenetic positions within the South American lineage of the species endemic to Paraguay were estimated from maximum parsimony (MP), bayesian inference (BI) and maximum likelihood (ML) analyses of DNA sequences of the chloroplast and nuclear genomes: intron rps16, trnQ-rps16 and rps16-trnKUUU gene interspacers, and internal transcribed spacer (ITS). In preliminary morphological analyses, five groups of species or varieties that are difficult to delimit were identified: 1) Eryngium stenophyllum var. stenophyllum - E. stenophyllum var. corymbosum; 2) E. sellowii – E. stenophyllum var. corymbosum; 3) E. subinerme – E. aff. subinerme; 4) E. plantaginifolium – E. ciliatum; 5) E. regnellii – E. aff. regnellii from Paraguay. In order to evaluate different models (hypotheses) of species delimitation, for each of them, univariate and multivariate statistical analyses of morphological and climatic data were applied that allow to visualize how individuals are grouped according to their morphological affinities or according to their environmental niches. In addition, when possible, molecular MP, ML, and IB phylogenetic analyses, and bayesian phylogenetic and phylogeographic species delimitation analyses based on coalescence were performed. As a result, it is proposed: to elevate E. stenophyllum var. corymbosum to the rank of species; restrict the circumscription of E. sellowii as a species endemic to Paraguay, designating a lectotype and an epitype; accept a more comprehensive circunscription of E. subinerme that includes Paraguay as part of its distribution; maintain E. plantaginifolium as a distinct species from E. ciliatum; and consider the populations from Paraguay that are similar to E. regnellii as a new species. Of the 89 names of Eryngium analyzed, 29 are accepted as species for Paraguay, 7 as species or infraspecific taxa outside Paraguay, 4 names are not validly published and 49 were considered synonyms. Two new species are recognized and described: E. absconditum and E. cerradense. Two species are cited for the first time for Paraguay: E. luzulifolium and E. subinerme. Ten new synonyms are recognized. Four species are excluded from the Flora of Paraguay (E. ciliatum, E. junceum, E. paniculatum, E. serra). Twenty names are typified: 16 lectotypifications, 2 neotypifications and 2 epitypifications, several of which resolve confusions or historical uncertainties about the circumscription of species. The identity and distribution of the species E. hassleri, E. paraguariense, E. rojasii and E. sellowii, hitherto poorly known, are clarified. The morphological variation useful to differentiate the 29 Eryngium species that grow in Paraguay is summarized in a dichotomous key. Distribution maps and descriptions of the phytogeographic provinces they inhabit are presented, as well as environmental and soil data for each species. New scientific illustrations are made for 10 species and illustrations from floras are adjusted for the remaining 19. The taxonomic history and phylogenetic position of the Eryngium species from Paraguay within the South American lineage are discussed. Also, the taxonomic and evolutionary importance of the morphological characters is analyzed. Finally, six species of Eryngium endemic to Paraguay are recognized, and all are evaluated in categories of threat according to the criteria of the Red List of the International Union for Conservation of Nature. The taxonomic revision of the species from Paraguay presented here, based on integrative studies with different lines of evidence and explicit methodologies, will be fundamental for future evolutionary, ecological, biogeographical and conservation studies of the genus Eryngium, the family Apiaceae, and the flora of South America.