Systematic analysis of the Heliotropiaceae based on molecular and morphological-anatomical data

Abstract

Molecular phylogenetic analyses of Heliotropiaceae (= Heliotropioideae, Boraginaceae s.l.) have not previously been available. In this study, the plastidal trnLUAA intron of 66 species and the nuclear ITS1 of 88 species of the Heliotropiaceae were sequenced and systematically analysed. Further, extensive investigations of leaf and seed morphology and anatomy of 65 species of Heliotropiaceae facilitated examination of the phylogenetic hypotheses based on molecular data. The results of the molecular analyses challenge and contradict the traditional taxonomic circumscription of Heliotropium and Tournefortia and suggest that generic limits warrant adjustment. Neither Heliotropium nor Tournefortia are monophyletic. According to molecular analyses the Heliotropiaceae fall into two large clades. The first clade includes, in basal position, the monotypic genus Ixorhea. Tournefortia section Cyphocyema is monophyletic and sister to a clade comprising the species of Hilgeria, Schleidenia and Heliotropium section Orthostachys. Species of the remaining sections of Heliotropium, the Tournefortia section Tournefortia and the small genera Argusia, Ceballosia and Nogalia constitute the second large clade. This second large clade has three subclades. In basal position are the species of Heliotropium section Heliothamnus occuring only in the Andes. The Heliotropium species of the NewWorld, including Tournefortia section Tournefortia, and the Heliotropium species of the Old World, including Argusia, Ceballosia and Nogalia, are sister groups. Alongside these molecular analyses, leaf anatomy and distribution of foliar trichome types have been investigated within Heliotropiaceae. The results show that leaf anatomy strongly supports molecular phylogenetic hypotheses, as well as investigations of flower morphology and seed anatomy and morphology. By way of conclusion, nomenclature changes within Helitropiaceae are proposed. These suggested revisions reflect phylogeny. Five genera are proposed and described: Ixorhea, Myriopus, Euploca, Heliotropium, and Tournefortia. Furthermore, this thesis shows that the investigation of the secondary structure of sequences provide both phylogenetic important structural traits and a tool to improve the alignment. Since the secondary is more conserved as the primary structure, it is possible to receive with the ITS1 marker, phylogenetic trees on a higher systematic level. This was shown within the Boraginales. In the context of the investigation of the seed anatomy of the Boraginales it is shown, that the presence of transfer cells in the seed coat and the structure of the endocarp are important common derived traits of the Heliotropiaceae, Cordiaceae, Ehretiaceae, and also Lennoaceae, and supports strongly molecular hypotheses of the phylogeny of Boraginales.

Bislang gab es keine molekularen phylogenetischen Analysen zu den Heliotropiaceae (= Heliotropioideae, Boraginaceae s.l.). Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden von 66 Arten der Heliotropiaceae Sequenzen des trnLUAA introns der plastidären und von 88 Arten der ITS1-Region der nucleären DNA angefertigt und systematisch ausgewertet. Zur Überprüfung der molekularen phylogenetischen Hypothesen erfolgten umfangreiche morphologisch-anatomische Untersuchungen zur Blatt- und Samenmorphologie sowie -anatomie von insgesamt 65 Arten der Heliotropiaceae. Die Ergebnisse der molekularen Analysen sind überraschend und widersprechen der traditionellen taxonomischen Definition der Gattungen Heliotropium und Tournefortia, so dass bestehende Gattungsgrenzen neu definiert werden müssen. Weder Heliotropium noch Tournefortia sind monophyletisch. In der molekularen Analyse teilen sich die Heliotropiaceae in zwei große Clades auf. Der erste Clade schließt, in basaler Position, die monotypische Gattung Ixorhea ein. Tournefortia Sektion Cyphocyema ist monophyletisch und steht in einem Schwestergruppenverhältnis zu einem Clade, der Arten von Hilgeria, Schleidenia und Heliotropium Sektion Orthostachys umfaßt. Die Arten der übrigen Heliotropium Sektionen, Tournefortia Sektion Tournefortia und die kleinen Gattungen Argusia, Ceballosia und Nogalia bilden den zweiten großen Clade. Dieser zweite Clade zerfällt in drei Subclades. In basaler Position stehen die Arten der Heliotropium Sektion Heliothamnus, welche nur in den Anden vorkommen. In einem Schwestergruppenverhältnis stehen die Heliotropium-Arten der Neuen Welt inklusive Tournefortia Sektion Tournefortia zu den Heliotropium-Arten der Alten Welt inklusive Argusia, Ceballosia und Nogalia. Neben molekularen Analysen wurden die Blattanatomie sowie die Verteilung von Blatt-Trichomtypen innerhalb der Heliotropiaceae untersucht. Die Ergebnisse der blattanatomischen Untersuchungen stützen wie auch die Ergebnisse der Untersuchungen zur Blütenmorphologie und Samenanatomie und -morphologie stark die molekularen phylogenetischen Hypothesen. Zusammenfassend ergibt sich für die Heliotropiaceae ein neues Gattungskonzept. Es werden insgesamt fünf Gattungen vorgeschlagen und beschrieben: Ixorhea, Myriopus, Euploca, Heliotropium und Tournefortia. Des weiteren konnte im Rahmen dieser Doktorarbeit aufgezeigt werden, dass die Sekundärstruktur eines Sequenzabschnittes phylogenetisch wichtige Informationen beinhaltet. Die Kenntnis der Sekundärstruktur trägt zur deutlichen Verbesserung der Qualität des Alignment bei. Da die Sekundärstruktur eines Sequenzabschnittes konservierter ist als die bloße Basen?Sequenz, ist es auch mit hochauflösenden Markern wie ITS1 möglich, phylogenetische Stammbäume auf höherem systematischen Niveau zu erstellen. Dies konnte am Beispiel der Boraginales gezeigt werden. Im Rahmen der Untersuchung zur Samenanatomie der Boraginales wurde dargelegt, dass Transferzellen in der Samenschale und die Endokarpstruktur wichtige gemeinsame abgeleitete Merkmale der Heliotropiaceae, Cordiaceae, Ehretiaceae und Lennoaceae darstellen und molekulare Stammbaumhypothesen der Boraginales stark stützen.