Phylogeny and systematics of Chenopodium L. and its allies

Abstract

Chenopodium L. (Chenopodiaceae) is a large and almost globally distributed genus of annual or perennial herbs. It is the second largest and one of the taxonomically most complex genera within Chenopodioideae. The economically important species are Chenopodium quinoa (quinoa), Ch. berlandieri subsp. nuttalliae (huauzontle) and Ch. pallidicaule (cañihua). Molecular phylogenetic studies so far found Chenopodium as polyphyletic. However, the sampling was low, considering that Chenopodium comprises about 150 species in three subgenera and 13 sections. The evolution of Chenopodium may be rather complex. Many species are polyploid, and previous studies suggested common hybridization. But there was so far no detailed molecular phylogenetic study of Chenopodium and the origin and relationships of the polyploids, especially of the crops, are unclear. The principal aim of this PhD-project was therefore to infer the circumscription of Chenopodium s.str., to clarify the phylogenetic relationships of Chenopodium s.l. and its allies within the subfamily Chenopodioideae, to study species-level relationships, to detect possible hybridization and to reconstruct reticulation patterns. The Chapter 2 focuses on the phylogeny of Chenopodium s. l. All the subgenera and most sections were sampled along with other genera of Chenopodieae, Atripliceae and Axyrideae. Data sets of the non-coding plastid trnL-F and nuclear ITS regions were generated and analysed using Maximum Parsimony and Bayesian Inference. The trees derived from trnL-F and ITS were incongruent, suggesting hybridization and reticulation. Chenopodium was found as highly paraphyletic and splits in five major clades. Consequently, a new delimitation for Chenopodium s s., including Einadia and Rhagodia, was proposed and the necessary taxonomic combinations under Chenopodium were made. The tribes Atripliceae and Axyrideae were supported as monophyletic and the Dysphanieae VI and Spinacieae were found as new clades. Taxonomic changes remained necessary for three newly found lineages: the Chenopodium rubrum-clade, the Ch. murale-clade and a group of species classified under Chenopodium that was found sister to Spinacea. The taxonomic consequences for these newly found lineages were the main subject of the analyses presented in Chapter 3. It was attempted to improve the resolution and support of the phylogenetic trees for these clades using a combined data set of trnL-F and matK/trnK. The analyses showed with maximal support the Ch. murale-clade as sister to the clade of Atripliceae and Chenopodium s.s and the Ch. rubrum-clade as sister to these three clades. The improved and well supported phylogenetic hypotheses compared to Chapter 2 gave enough evidence for suggesting taxonomic changes. For the group sister to Spinacia, the Linnaean genus Blitum is resurrected. It encloses B. capitatum L. (type species), B. virgatum L., B. nuttallianum Shult., B. californicum S. Watson, B. bonushenricus (L.) C.A. Mey and B. antriplicinum F.Muell. New generic names for the Ch. murale and Ch. rubrum- clades are also discussed. The main topic in Chapter 4 is the phylogeny of Chenopodium s.str. and their reticulation patterns. Emphasis is put on Ch. quinoa because it is an economically important crop. The taxon sampling for Chenopodium s.str. was increased and new data sets of matK/trnK and the rpl16 intron were generated in order to improve the support of the internal relationships in Chenopodium s.str. The nuclear ITS region was sequenced additionally in order to hybridization and reticulation. The data sets were analysed using tree-building methods and network reconstruction algorithms. The increased taxon sampling improved support in the tree inferred from ITS, compared to the results of Chapter 2. Based on the plastid regions, three earlier-suggested polyploid groups were supported as monophyletic. These were the Ch. album-group, the Ch. quinoa-group and the Ch. berlandieri subsp. nuttalliae-group. Compared to the plastid data set, the tree inferred from the ITS data set showed a different topology for Ch. ficifolium (2x), Ch. karoi (4x) and Ch, opulifolium (6x). Hybridization is assumed as the most probable cause of this incongruence. Based on the network reconstruction, the hexaploids Ch. album (6x) and Ch. opulifolium (6x) seem to have originated from autopolyploidization. In contrast, the tetraploid species appear to have resulted from allopolyploidization. Chenopodium ficifolium (2x) is involved as the parent of all the tetraploid species, including Ch. quinoa (4x). The second putative parent involved in the hybridization of the allotetraploids is a VII diploid species from North America. A preliminary molecular clock analysis suggests a divergence age of ca. 2 Mya for the allotetraploids. The origin of the allotetraploid taxa in America could therefore be older than their domestication. Most probably, Ch. quinoa was domesticated in the Andean highlands and Ch. berlandieri subsp. nuttallieae was independently domesticated in Mexico. As a main result of this project, Chenopodium could be reliably delimited. The relationships within the genus and with its allies in Chenopodioideae could be almost fully clarified. The results suggest that a dense sampling and the use of combined sequence data sets allow inferring a robust phylogenetic tree at the species level. The molecular regions selected need to have good phylogenetic signal, this seems more important than the pure amount of data. The phylogenetic tree inference in combination with the network reconstruction from plastid and nuclear data sets allowed detecting several hybridization events. Therefore these analyses could be a case study for reconstruction of hybridization events in other rich-species genera within Chenopodiaceae. Finally, this study for first time provided a well supported hypothesis for the origin and the hybrid parents of the important crop Chenopodium quinoa.

Chenopodium L. (Chenopodiaceae) ist eine große und beinahe weltweit verbreitete Gattung von einjährigen oder ausdauernden krautigen Pflanzen. Es ist die zweitgrößte und eine der taxonomisch komplexesten Gattungen in den Chenopodiaceae. Wichtige Nutzpflanzen sind Chenopodim quinoa (Quinoa), Ch. berlandieri subsp. nuttallia(Huauzontle) und Ch. pallidicaule (Cañihua). Bisherige molekularphylogenetische Studien haben gezeigt dass Chenopodium polyphyletisch ist. Jedoch waren nur wenige Arten bisher berücksichtigt worden, wenn man bedenkt dass Chenopodium etwa 150 Arten in 3 Untergattungen und 13 Sektionen umfasst. Die Evolution von Chenopodium ist vermutlich recht komplex. Viele der Arten sind polyploid und bisherige Untersuchungen lassen auf häufige Hybridisierung schließen. Jedoch gab es bisher keine detaillierte molekularphylogenetische Studie von Chenopodium und der Ursprung und die Verwandtschaft der polyploiden Arten, insbesondere der Nutzpflanzen, sind unklar. Das wichtigste Ziel dieser Doktorarbeit was es deshalb, die Umgrenzung von Chenopodium im engeren Sinne zu klären. Weiterhin ging es darum, die Verwandtschaftsverhältnisse von Chenopodium im weiteren Sinne und dessen Verwandten innerhalb der Chenopodioideae aufzuschlüsseln. Und schließlich war es das Ziel, die Verwandtschaft der Arten zueinander zu untersuchen, mögliche Hybridisierungs- Ereignisse zu erkennen und Muster retikulater Evolution zu rekonstruieren. Der Schwerpunkt im Kapitel 2 liegt auf der Phylogenie von Chenopodium im weiteren Sinne. Alle Untergattungen und die meisten Sektionen wurden bei der Auswahl der Arten berücksichtigt. Außerdem wurden weitere Gattungen der Chenopodieae, Atripliceae und Axyrideae in die Analyse aufgenommen. Es wurden Datensätze der nicht kodierenden Chloroplasten-Region trnL-F und der Kern-Region ITS generiert und mit Maximum Parsimonie und Bayesianischen Verfahren analysiert. Die Stammbäume basierend auf trnL-F und ITS waren inkongruent, was auf Hydridisierung und Retikulation IX hindeutet. Chenopodium zeigte sich als hochgradig polyphyletisch, es zerfällt in 5 Haupt- Clades. Als Konsequenz dieser Ergebnisse wurde eine neue Umgrenzung von Chenopodium im engeren Sinne, inklusive Einadia und Rhagodia, vorgeschlagen und die notwendigen Neukombinationen unter Chenopodium wurden erarbeitet. Die Triben Atripliceae und Axyrideae wurden als monophyletisch bestätigt und die Dysphanieae und Spinacieae wurden als neue Clades gefunden. Taxonomische Änderungen blieben notwendig für drei neu gefundene Gruppen: den Chenopodium rubrum-Clade, den Ch. murale-Clade und eine Gruppe von bisher als Chenopodium klassifizierten Arten die als Schwestergruppe zu Spinacea gefunden wurde. Die taxonomischen Konsequenzen für diese drei neuen Gruppen sind das Hauptthema in Kapitel 3. Es wurde angestrebt, die Auflösung und die statistische Unterstützung für die Stammbäume dieser Gruppen zu verbessern, basierend auf der Kombination von trnL-F und matK/trnK. Die Analysen zeigten mit maximaler statistischer Unterstützung den Ch. murale-Clade als Schwester zu dem Clade bestehend aus den Atripliceae und Chenopodium s.str und den Ch. rubrum-Clade als Schwester zu diesen drei Clades. Die im Vergleich zu Kapitel 2 verbesserten phylogenetischen Hypothesen waren nun eine gute Grundlage um taxonomische Änderungen vorzuschlagen. Für die Schwestergruppe zu Spinacea wird Linné’s Gattung Blitum wieder eingeführt. Diese enthält B. capitatum L. (die Typus-Art), B. virgatum L. B. nuttallianum Shult., B. californicum S. Watson, B. bonus-henricus (L.) C.A. Mey und B. antriplicinum F.Muell. Neue Gattungsnamen für die Ch. murale-und Ch. rubrum-clades werden ebenfalls diskutiert. Im Kapitel 4 ist das hauptsächliche Thema die Phylogenie von Chenopodium s.str. und die Muster retikulater Evolution. Besonders hervorgehoben wird Ch. quinoa, da es eine wichtige Nutzpflanze ist. Das Taxon- Sampling für Chenopodium s.str. wurde erweitert und neue Datensätze von trnL-F, matK/trnK und des rpl16 Introns wurden generiert um Auflösung und statistische Stützung innerhalb von Chenopodium s.str. zu verbessern. Zusätzlich wurde die Kern-Region ITS sequenziert um Hybridisierung und Retikulation aufzudecken. Die Datensätze wurden mit Baum- Rekonstruktionsmethoden und Netzwerk-Rekonstruktions-Algorithmen analysiert. Das erweiterte Taxon-Sampling hat die statistische Stützung von ITS gegenüber den Ergebnissen aus Kapitel 2 verbessert. Basierend auf den Plastiden-Regionen wurden drei bereits früher vermutete Gruppen von X polyploiden Arten als monophyletisch gestützt. Das waren die Ch. album-Gruppe, die Ch. quinoa-Gruppe und die Ch. berlandieri subsp. nuttalliae-Gruppe. Die ITS Region zeigte eine abweichende Topologie für Ch. ficifolium (2x), Ch. karoi (4x) und Ch, opulifolium (6x), verglichen mit dem Stammbaum basierend auf Plastiden- Markern. Als naheliegende Erklärung für diese Inkongruenz wird Hybridisierung angenommen. Basierend auf der Netzwerk-Rekonstruktion sind die hexaploiden Arten Ch. album (6x) und Ch. opulifolium (6x) autopolyploiden Ursprungs. Im Gegensatz dazu scheinen die hexaploiden Arten durch Allopolyploidisierung entstanden zu sein. Chenopodium ficifolium (2x) ist die Elternart aller tetraploiden Arten, inklusive Ch. quinoa (4x). Die zweite Elternart ist vermutlich eine diploide Art aus Nordamerika. Anhand einer vorläufigen Datierung mit einer molekularen Uhr lässt sich das Alter der tetraploiden Arten mit etwa 2 mya schätzen. Der Ursprung der allotetraploiden Arten scheint damit älter zu sein als deren Domestikation. Am wahrscheinlichsten erscheint dass Ch. quinoa im Anden-Hochland domestiziert wurde während Ch. berlandieri subsp. nuttallieae unabhängig davon in Mexiko domestiziert wurde. Eines der wichtigsten Ergebnisse dieses Projektes ist dass Chenopodium zuverlässig umgrenzt werden konnte. Weiterhin konnte die Verwandtschaft innerhalb dieser Gattung und zu deren Verwandten beinahe vollständig geklärt werden. Die Ergebnisse lassen schlussfolgern dass ein ausreichend großes Taxon-Sampling und kombinierte molekulare Datensätze es erlauben, eine robuste phylogenetische Hypothese auf Artebene aufzustellen. Die verwendeten DNA- Regionen müssen dabei gutes phylogenetisches Signal liefern, das scheint wichtiger als die reine Datenmenge. Die Stammbaum-Rekonstruktion in Kombination mit der Netzwerk-Rekonstruktion erlaubte es, mehrere Hybridisierungs-Ereignisse zu erkennen. So können diese Analysen als Vorlage dienen für Rekonstruktionen von Hybridisierung in anderen artenreichen Gattungen der Chenopodiaceae. Schlussendlich lieferte diese Studie zum ersten Mal eine gut gestützte Hypothese für den Ursprung und die Hybrid-Eltern der wichtigen Nutzpflanze Chenopodium quinoa.