Studies on systematics, morphology and taxonomy of Caiophora and reproductive biology of Loasaceae and Mimulus (Phrymaceae)

Abstract

The genus Caiophora belongs to Loasaceae subfam. Loasoideae. The species are mainly distributed in high elevations of the Andes. Their distribution ranges from Chile/Argentina up to southern Ecuador and from 2500 up to 5000 m a.s.l. Around 50 species are known, some of them endemic to small areas. In Chapter 2 a preliminary phylogeny of the genera and lineages of Loasaceae subfam. Loasoideae is provided. All genera and infrageneric entities are included in the analysis, using the plastid trnl(UAA) intron. The resulting phylogeny is used as basis for inferring hypothetical relationships within subfam. Loasoideae, the possible morphological apomorphies are mapped onto a cladogram. The closest relatives of Caiophora are taxa from the so called “South Andean Loasa” clade. Besides Caiophora the clade comprises the genera Blumenbachia, Loasa s.str. and Scyphanthus. Their close relationship is corroborated by several morphological characters. Their geographical distribution overlaps in mediterranean Chile. It is expected that the “South Andean Loasa” clade evolved in mediterranean resp. temperate South America and Caiophora migrated with the uplift of the Andes to the North and radiated there. The first revision of the Chilean Caiophora taxa is provided in chapter 3. Caiophora deserticola Weigend & Mark.Ackermann was described as a new species for science and several names were placed in synonymy. A key, full morphological description, distribution, notes about ecology, chromosome numbers and illustrations are given for all Chilean representatives. In chapter 4 and 5 checklists for Loasaceae genera and species from southern South America are presented. Based on revised herbarium specimens and analysed literature, synonyms, habitat, elevational distribution, occurrence in countries and their departments are given for all investigated taxa. In Chapter 4 seven genera and 67 species are recognized for Argentina, southern Brazil, Chile, Paraguay and Uruguay, 48 of them are endemic in the area and one species is introduced. In Chapter 5 five genera and 27 species are reported for Bolivia; four of them are endemic. Morphology of seed surfaces and seed anatomy are explored in Chapter 6 for all genera belonging to the “South Andean Loasa” clade. Representatives of Scyphanthus, from nearly all sections of the genera Blumenbachia and Loasa and from all informal species groups of Caiophora are analysed. SEM and light microscopy are used to analyse seed morphology and anatomy. Seed characters are compared for affinities within and between lineages. Dispersal mechanisms, as well as seed morphology and -weight are discussed and mapped on a cladogram. To test postmating isolating mechanisms, seven Caiophora species were cross-pollinated in 37 species combinations (Chapter 7). Flowers of species belonging to the same - but also among different - species groups were hand-pollinated. Developing fruits were counted and seeds weighed. Seeds were sown and their germination rate determined. The crossability index was calculated as a proxy for fitness. Germination rates and crossability indexes indicate that hybrid progeny of the F1-generation is viable and most of the combinations show higher fitness (crossability index >1) compared to their parental species. High fruit- and seed sets and germination rates of hybrid progeny clearly indicate that postmating isolating mechanisms in Caiophora fail. Species belonging to Loasaceae are divergent in floral morphology. Flower size, -shape and -colour as well as flower functionality differ between the investigated genera and species. The wide range of morphological differences concerning flowers, observed pollinators belonging to Hymenoptera, Diptera, Lepidoptera, Trochilidae and Mammalia and only few documented hybrids indicate that taxa belonging to subfamily Loasoideae are ecologically isolated by pollinator preferences. In chapter 8 nectar production of Loasaceae flowers from seven genera and 31 species was investigated. Nectar amount and its concentration were measured and sugar amount calculated. The obtained data were plotted in a ternary graph and compared to observed pollinators. Four differing pollination syndromes were classified based on nectar production and known pollinators. With increasing flower size, nectar and sugar amount increases too, and sugar concentration of the nectar is decreasing. As a consequence main pollinators are changing, corresponding to the postulated groups, from mainly short- tongued bees to long-tongued bees, to hummingbirds and finally to rodents and finches. It can be postulated that within Loasaceae subfam. Loasoideae shifts from bee- to hummingbird-pollination took place at least four times. A complex reward partitioning in Nasa macrothyrsa was explored in chapter 9. Thigmonastic as well as triggered stamen movement were investigated. Numbers of moved stamen were counted for both treatments per time interval. Using the same time interval, nectar replenishment was measured repeatedly. Triggered stamen movement shows increased anther resp. pollen presentation compared to thigmonastic stamen movement, whereas nectar production is a continuous process. Frequent pollinator visits therefore increase the amount of pollen presented in natural habitats. Offering always little portions of reward, increases the probability of pollinator visits and ensures that with pollen dusted pollinators move on to other flowers. This pollinator behaviour will increase outcrossing and the potential fitness of the N. macrothyrsa population. In chapters 7 and 9 it is shown that Loasoideae taxa are isolated through pollinator preferences. In chapter 10 isolating mechanisms were tested similarly for Andean Mimulus species. Five Chilean Mimulus species were investigated for nectar production, flower size and crossability, using the same methods as described before. Additionally, floral UV-patterns of the taxa were compared. Nectar production is differing among the tested species and pollinator observations underline that preferences in nectar, flower size, flower colour and UV-patterns do exist. Fully developed fruits and seeds show that postmating isolating mechanisms fail and that the species are kept isolated by premating isolating mechanisms. There is proof that within Caiophora and Mimulus postmating isolating mechanisms are not fully developed. In the Andes only few hybrids of both genera have been observed, most of them due to human impact. Pollinator preferences show, that in nature the species are kept apart through premating isolating mechanisms.

Die Gattung Caiophora gehört zu den Loasaceae subfam. Loasoideae. Die Arten sind überwiegend in den Hochlagen der Anden verbreitet. Ihr Verbreitungsgebiet reicht von Zentralchile/Argentinien bis nach Südecuador und von 2500 bis 5000 m ü. M. Es gibt circa 50 Arten, einige von ihnen sind endemisch in kleinen Gebieten. In Kapitel 2 wird eine vorläufige Phylogenie aller Gattungen und Abstammungslinien der Loasaceae subfam. Loasoideae vorgestellt. In die Analyse des trnl(UAA) Introns wurden alle Gattungen und infragenerischen Einheiten mit einbezogen. Die erhaltene Phylogenie wird als Grundlage verwendet, um auf ein hypothetisches Verwandtschaftsverhältnis innerhalb der Loasaceae subfam. Loasoideae zu schließen. Die möglichen morphologischen Apomorphien wurden in einem Kladogramm den entsprechenden Positionen zugeordnet. Die nächsten Verwandten von Caiophora sind Taxa aus dem so genannten “Südandinen Loasa” Verwandtschaftskreis. Neben Caiophora umfasst die Abstammungslinie die Gattungen Blumenbachia, Loasa s.str. und Scyphanthus. Ihr enges Verwandtschaftsverhältnis wird durch mehrere morphologische Merkmale bestätigt. Ihre geographische Verbreitung überlappt im mediterranen Chile. Es wird vermutet, dass die “Südandine Loasa” Klade im mediterranen bzw. gemäßigten Südamerika entstanden ist und Caiophora mit der Hebung der Anden nach Norden migrierte und dort radiierte. Kapitel 3 ist die erste Revision der chilenischen Caiophora Arten. Caiophora deserticola Weigend & Mark.Ackermann wird hier als für die Wissenschaft neue Art beschrieben und einige Namen werden in die Synonymie verwiesen. Die Arbeit umfasst für alle chilenischen Arten einen Artenschlüssel, vollständige morphologische Beschreibungen, Bemerkungen zur Ökologie, Chromosomenzahlen und Abbildungen. Kapitel 4 und 5 umfassen Checklisten für alle Loasaceae Gattungen und Arten des südlichen Südamerikas. Basierend auf revidiertem Herbarbelegen and analysierter Literatur, werden Synonyme, Standortangaben, Höhenverbreitung, Vorkommen in den einzelnen Ländern und Departments für alle untersuchten Arten angegeben. In Kapitel 4 werden sieben Gattungen und 67 Arten für Argentinien, Südbrasilien, Chile, Paraguay und Uruguay anerkannt, 48 davon sind im Gebiet endemisch und eine Art ist eingeschleppt. In Kapitel 5 werden fünf Gattungen und 27 Arten für Bolivien angegeben, vier davon endemisch. Die Morphologie der Samenoberflächen und die Samenanatomie wurden für alle Gattungen des „Südandinen Loasa“ Verwandtschaftskreises in Kapitel 6 untersucht. Es wurden Vertreter von Scyphanthus, von nahezu allen Sektionen der Gattungen Blumenbachia und Loasa, sowie aus allen informalen Caiophora Artengruppen analysiert. Rasterelektronen- und Lichtmikroskopie wurden für die Analyse der Morphologie und Anatomie verwendet. Samenmerkmale wurden zur Stützung der Verwandtschaftsverhältnisse innerhalb und zwischen den einzelnen Abstammungslinien verglichen. Ausbreitungsmechanismen, sowie Samenmorphologie und –gewicht werden diskutiert und in einem Kladogramm dargestellt. Sieben Caiophora Arten wurden in Kapitel 7 auf postzygotische Isolationsmechanismen hin untersucht. Die einzelnen Arten wurden in 37 Kombinationen kreuzbestäubt. Blüten von Arten aus der gleichen, aber auch zwischen verschiedenen Artgruppen wurden dazu handbestäubt. Die sich entwickelten Früchte wurden gezählt, die Samen gewogen, danach ausgesät und anhand der sich entwickelten Sämlinge die Keimraten ermittelt. Als Maß der Fitness wurde der Kreuzbarkeitsindex kalkuliert. Keimraten und Kreuzbarkeitsindeces zeigen, dass die F1-Nachkommen lebensfähig sind und die meisten der Kombinationen eine höhere Fitness (Kreuzbarkeitsindex >1) als ihre Eltern aufweisen. Der hohe Frucht- und Samenansatz, sowie die Keimraten der Hybridnachkommen zeigen, dass postzygotische Isolationsmechanismen in Caiophora nicht entwickelt sind. Arten der Loasaceae unterscheiden sich in ihrer Blütenmorphologie. Die untersuchten Gattungen und Arten unterscheiden sich in Blütengröße, -form und -farbe, sowie in ihrer Funktionalität. Die große Vielfalt an morphologischen Unterschieden bezüglich der Blüten, beobachteter Bestäuber (Hymenoptera, Diptera, Lepidoptera, Trochilidae und Mammalia) und wenige dokumentierte Hybriden deuten darauf hin, dass Taxa der Unterfamilie Loasoideae ökologisch durch Bestäuberpräferenzen isoliert sind. Die Nektarproduktion von Loasaceae-Blüten aus sieben Gattungen und 31 Arten wurden in Kapitel 8 untersucht. Dazu wurde die Nektarmenge und deren Konzentration gemessen und die Zuckermenge errechnet. Die erhaltenen Daten wurden in einem Dreiecksdiagramm dargestellt und mit den beobachteten Bestäubern verglichen. Vier unterschiedliche Bestäubungssyndrome können, basierend auf Nektarproduktion und bekannten Bestäubern, unterschieden werden. Mit zunehmender Blütengröße nimmt auch die Nektar- und Zuckermenge zu, wohingegen die Zuckerkonzentration des Nektars abnimmt. Damit einhergehend kommt es zu einem Wechsel der Hauptbestäuber entsprechend der postulierten Gruppen von Kurzzungen-Bienen, zu Langzungen- Bienen, zu Kolibris und letztendlich zu Säugern und Finken. Es wird gezeigt, dass es innerhalb der Loasaceae subfam. Loasoideae mindestens viermal zu einer Entstehung der Kolibribestäubung kam, die aus Bienenbestäubung hervorgegangen ist. Eine komplexe Aufteilung der Belohnung (Nahrung) wurde an Nasa macrothyrsa Blüten in Kapitel 9 untersucht. Dazu wurden thigmonastische sowie ausgelöste Staubblattbewegung erforscht. Die Anzahl der in das Zentrum gewanderten Staubblätter wurde für beide Behandlungen pro Zeitintervall gezählt. In den gleichen Zeitintervallen wurde die Nektar-nachproduktion ermittelt. Die ausgelöste Staubblattbewegung weist, verglichen mit der thigmonastischen, ein erhöhtes Staubblatt- bzw. Pollenangebot auf, wohingegen die Nektarnachproduktion ein kontinuierlicher Prozess ist. Häufige Bestäuberbesucher lösen daher in der Natur ein erhöhtes Angebot an Pollen aus. Das ständige Angebot von kleinen Nahrungsportionen erhöht die Wahrscheinlichkeit wiederkehrender Bestäuberbesuche und stellt sicher, dass die mit Pollen bepackten Bestäuber zu anderen Blüten weiterziehen. Dieses Bestäuberverhalten erhöht die Wahrscheinlichkeit der Fremdbestäubung und die potentielle Fitness der N. macrothyrsa Population. In Kapitel 7 und 9 wurde gezeigt, dass Loasaceae Taxa durch Bestäuberpräferenzen isoliert sind. In Kapitel 10 werden Isolationsmechanismen gleichermaßen für andine Mimulus Arten getestet. Fünf chilenische Mimulus Arten wurden auf ihre Nektarproduktion, Blütengröße und Kreuzbarkeit untersucht, unter Verwendung der bereits beschrieben Methoden. Zusätzlich wurden die UV-Muster der Blüten der einzelnen Arten verglichen. Die Nektarproduktion unterscheidet sich zwischen den untersuchten Arten und Bestäuberbeobachtungen zeigen, dass Präferenzen in Nektar, Blütengröße, -farbe und UV-Mustern existieren. Normal entwickelte Früchte und Samen bestätigen, dass postzygotische Isolationsmechanismen fehlen und die Arten durch präzygotische Isolationsmechanismen isoliert sind. Es wurde bewiesen, dass innerhalb von Caiophora und Mimulus postzygotische Isolationsmechanismen nicht voll entwickelt sind. In den Anden wurden bisher nur wenige Hybriden der jeweiligen Gattungen gefunden, die meisten sind auf den Einfluss des Menschen zurückzuführen. Bestäuberpräferenzen zeigen, dass die Arten am natürlichen Standort durch präzygotische Isolationsmechanismen isoliert werden.