Estudios embriológicos y de desarrollo de flores e inflorescencias en Barnadesioideae (Asteraceae)

Abstract

La familia Asteraceae es una de las más diversas de las Angiospermas y varios análisis filogenéticos la han ubicado como el grupo hermano de la familia Calyceraceae, en un clado bien soportado, conocido como el clado MGCA (Menyanthaceae, (Goodeniaceae, (Calyceraceae, Asteraceae))) (Lundberg & Bremer, 2003). Hipótesis recientes sugieren la presencia de un ancestro paleotetraploide para el clado Calyceraceae + Asteraceae y uno paleohexaploide para la familia Asteraceae (Barker et al., 2016). Las Barnadesioideae, con sólo 10 géneros y 95 especies, endémicas de América del Sur (Mandel et al., 2019), son el clado hermano de las restantes asteráceas (con entre 25000 y 35000 especies). A pesar de la enorme diversidad morfológica de las Asteraceae, dos estructuras consideradas innovaciones evolutivas las definen: la inflorescencia (capítulo) y el fruto (cipsela anemócora). Sobre la base de estudios del control genético del desarrollo en Gerbera (Asteraceae) y de desarrollo de las inflorescencias de las Calyceraceae, hoy se sabe que la inflorescencia o capítulo, interpretada históricamente como el resultado de la condensación de un racimo, ha tenido su origen en la modificación de una inflorescencia más compleja llamada tirsoide. En este sentido, el conocimiento del desarrollo de los capítulos de las barnadesioideas es particularmente relevante para interpretar la transición evolutiva entre las inflorescencias tirsoides y los capítulos típicos de las Asteraceae. Además de su diversidad morfológica, las asteráceas poseen una gran diversidad de caracteres en sus procesos embriológicos, conocida por las cerca de 350 publicaciones en los últimos 100 años siendo escasos los estudios embriológicos en la subfamilia Barnadesioideae. En los últimos años, la reconstrucción de filogenias sobre la base de caracteres moleculares ha permitido combinar la morfología y la embriología para interpretar su evolución en los géneros, tribus, familias, órdenes, e inclusive clados de rango mayor. Por ello, para poder comprender la evolución de la diversidad de caracteres reproductivos en general, y de los procesos embriológicos en particular en la familia Asteraceae es fundamental estudiarlos en las barnadesioideas. El objetivo de esta tesis es brindar una caracterización detallada y representativa del desarrollo de las inflorescencias, las flores, y de los procesos embriológicos de la subfamilia Barnadesioideae, enfocada en los siguientes cuatro aspectos: (1) el desarrollo temprano de las inflorescencias y flores, (2) las causas embriológicas del dimorfismo floral funcional (flores estaminadas/carpeladas vs. perfectas) presente en algunas especies de Barnadesioideae, (3) el desarrollo embriológico de las estructuras reproductivas masculinas (microesporangiogénesis, microsporogénesis y microgametogénesis) y (4) el desarrollo de los ovarios, óvulos, la estructura del fruto y la semilla, y el tipo de sustancia de reserva. Se estudió por primera vez el desarrollo temprano de los capítulos en una muestra amplia de especies de las Barnadesioideae con capítulos radiados en Barnadesia aculeata, B. odorata y Huarpea andina, con capítulos discoideos en Chuquiraga avellanedae, C. erinacea, C. jussieui, C. ruscifolia, C. ulicina, y Schlechtendalia luzulifolia, y con capítulos disciformes en Doniophyton weddellii y Duseniella patagonica, con observaciones de microscopía electrónica de barrido de inflorescencias diseccionadas en sus etapas más tempranas del desarrollo, complementadas con observaciones de microscopía de campo claro de cortes histológicos. Los resultados obtenidos mostraron variabilidad en cuanto a la forma del meristema, encontrándose planos y convexos y registrándose por primera vez el fenómeno de zonación meristemática en Barnadesia odorata. La mayoría de las especies analizadas exhiben pérdida del patrón filotáctico con zonas de receptáculo libre en el ápice hacia el fin de la iniciación y una disposición caótica de los primordios en el centro de la inflorescencia; y la presencia de flor terminal en dos especies de Chuquiraga y orientación variable de las flores en el capítulo. También se encontró una variedad de patrones para el fraccionamiento del meristema y para la organogénesis. La identidad de las flores del radio se estableció tempranamente por su tamaño menor como producto de un fraccionamiento diferencial del meristema, de su forma diferenciada y por el retraso en su desarrollo durante la organogénesis. El orden de iniciación de los verticilos en las flores es corola, androceo y gineceo (CAG), congruente con lo conocido para Asteraceae, y corroborando que la condición gamopétala de la corola se inicia tempranamente, con los lóbulos corolinos desarrollándose a partir de un anillo meristemático expresado en el estado de embudo. Finalmente, el papus es variable respecto a su aparición, iniciándose secuencialmente en cinco puntos alternipétalos. Los estudios de desarrollo floral de Doniophyton weddellii y Duseniella patagonica mostraron que la unisexualidad de las flores marginales femeninas se logra mediante el aborto tardío de los estambres o la supresión total o parcial del verticilo, pudiéndose adjudicar estos procesos a la muerte celular programada adelantada del tapete y al silenciamiento de genes controladores de la identidad de los verticilos florales, respectivamente. Se estudiaron etapas del desarrollo de anteras, de la microesporogénesis y microgametogénesis de Barnadesia odorata, Chuquiraga aurea, C. avellanedae, C. ruscifolia, C. erinacea, C. jussieui, C.parviflora, Dasyphyllum brasiliense, Doniophyton anomalum, D. weddellii, Duseniella patagonica, Huarpea andina y Schlechtendalia luzulifolia mediante cortes histológicos y tests histoquímicos que revelaron la expresión de diferenciación celular premeiótica (DCP) en arquésporas y la extensión del gradiente de DCP a células del tapete y corroboran un desarrollo de la pared del microesporangio de tipo dicotiledóneo, y la multiplicación de arquésporas para la subfamilia. Se observó también la presencia de ambos tipos de tapete, periplasmodial y secretor, se corroboró su origen doble, y se describió un síndrome de polarización del tapete secretor. Se describió la secuencia ontogenética de aparición de las capas de la esporodermis, su composición con una primexina y endexina polisacarídicas y proteicas, y se corroboró su estructura con ectexina mono, bi o tricapas y presencia o ausencia de cáveas. Se estudiaron por primera vez para esta subfamilia las sustancias de reserva de los granos de polen revelándose que existen especies starchy como starchless, condición probablemente relacionada al vector de polinización. Se describe por primera vez para Barnadesioideae un sistema complejo de interacción de tejidos durante la dehiscencia de las anteras en que participan además del endotecio, el tejido conectivo, la epidermis y la hipodermis conectiva, y se describe la participación diferencial de los tejidos en este mecanismo donde el endotecio de los lóculos externos presenta engrosamientos y una mecánica diferente a la de los lóculos internos. Mediante las mismas técnicas de inclusiones y cortes histológicos y test histoquímicos se estudiaron etapas del desarrollo de los ovarios y óvulos de Barnadesia arborea, B. odorata, Chuquiraga ruscifolia, Doniophyton weddellii, Duseniella patagonica y Huarpea andina; la anatomía de la semilla, pericarpo y embrión de Barnadesia polyacantha; y las sustancias de reserva de los embriones de C. erinacea, D. weddellii y Duseniella patagonica. Los óvulos son anátropos, unitegumentados, tenuinucelados incompletos, y poseen endotelio, en congruencia con lo conocido para el clado de las euastéridas (Core eudicots: Asterid alliance) y para Calyceraceae. Se corroboró el desarrollo de un único tegumento asimétrico o semi anular masivo de 12 a 25 células de espesor. La pared del fruto muestra un pericarpo con sólo exocarpo remanente, observándose por debajo hasta 8 capas de células correspondientes al tegumento del óvulo consumido. Se encontraron cristales, canales lisígenos o granos de almidón en estas capas. Se observó un embrión recto, espatulado y exendospermado, con una única capa de endosperma, y reservas en los cotiledones, con proteínas como sustancia de reserva principal y lípidos como sustancia de reserva secundaria. Como conclusión general, las Barnadesioideae no poseen el desarrollo y la estructura típica del capítulo de las restantes Asteraceae, pues aún conservan algunas características que los relacionan con los cefalodios de su grupo hermano, las Calyceraceae, como la presencia de una flor terminal, la orientación variable de las flores respecto del eje del capítulo, e indicios que sugieren una zonación del meristema de la inflorescencia en una área periférica y otra central. Los resultados obtenidos, contribuyen a la idea original de Erbar & Leins (2000) y los trabajos siguientes de Pozner et al. (2012), Claβen Bockhoff & Bull-Hereñu (2013), Zhao et al. (2016) y Elomaa et al. (2018) que progresivamente desarrollaron la hipótesis del origen evolutivo del capítulo de las Asteraceae a partir de una inflorescencia tirsoidea condensada (cefalodio), cuyo meristema se comporta como un meristema floral, tanto en estructura como en fraccionamiento, donde los primordios de los grupos cimosos se reutilizan para formar flores y la flor central se suprime. En cuanto al desarrollo floral, la secuencia de iniciación de ciclos florales que comienza con la corola y ubica al cáliz en diferentes momentos posteriores, ya está presente en algunas Calyceraceae y en Barnadesioideae. La iniciación variable del papus y su aparición en cinco puntos alternipétalos sería evidencia, de acuerdo a nuevos resultados del campo de la genética, de su origen sepaloide y su homología con el cáliz y puede considerarse una alteración del desarrollo relacionada a la profunda modificación del cáliz en las Asteraceae (cfr. Naghiloo & Claßen-Bockhoff, 2017). En cuanto a la sexualidad de las flores, las flores pistiladas de Barnadesioideae pueden haber surgido por dos mecanismos diferentes: uno que detiene el normal desarrollo de la microsporogénesis y otro que inhibe el desarrollo de los primordios estaminales. En las Calyceraceae, en cambio, no hay especies con flores pistiladas, sólo Acicarpha combina flores perfectas con estaminadas por interrupción del proceso de megasporogénesis. Es así como el grupo hermano de las Asteraceae tiene especies con todas sus flores perfectas, y especies andromonoicas. La ginomonoecia y la presencia de flores estériles, propia de las Asteraceae, ya está presente en las Barnadesioideae. En cuanto a los caracteres embriológicos es posible reconocer que las Barnadesioideae poseen un desarrollo normal de las anteras y del polen, que se asemeja al de la mayoría de las dicotiledóneas. La megasporogénesis y megagametogénesis observada en Barnadesioideae, que conduciría a un tipo de desarrollo Polygonum, es la más frecuente en angiospermas. En cuanto a la anatomía de óvulos y semillas, los resultados concuerdan con lo ya conocido para Barnadesioideae y con lo esperable para la familia Asteraceae y el clado de las euastéridas. La información sugiere que las Barnadesioideae poseen procesos embriológicos regulares y comunes a la mayoría de las angiospermas, y que éstos procesos podrían haber estado presentes en el ancestro común más reciente de las Asteraceae, siendo el punto de partida para la inmensa inmensa diversificación embriológica que se conoce en las restantes Asteraceae.