The evolution of flower-like inflorescences (pseudanthia) in Apiaceae subfamily Apioideae

Streszczenie Pseudancjami określamy wielokwiatowe jednostki, które upodabniają się do pojedynczych kwiatów na drodze kondensacji i specjalizacji tworzących je organów. Tego typu złożone struktury powstały wielokrotnie w trakcie ewolucji okrytonasiennych i często uznawane są za jedną z kluczowych innowacji morfologicznych, które znacząco przyczyniły się do zróżnicowania niektórych grup roślin (np. astrowatych). Pomimo swojego domniemanego znaczenia, pseudancja nie zostały jak dotąd poddane wnikliwej analizie ewolucyjnej. Co więcej, brak jest także porównawczych badań rozwojowych nad roślinami, które niezależnie wykształciły podobną architekturę pseudancjów. Selerowate (Apiaceae) stanowią względnie liczną (ok. 4000 gatunków) grupę dwuliściennych właściwych z dużą liczbą pseudancjalnych przedstawicieli. Apioideae, czyli największa podrodzina selerowatych (skupiająca ponad 80% ich różnorodności), cechuje się także największym zróżnicowaniem architektury pseudancjów, w tym występowaniem konwergentnych do astrowatych pseudancjów kwiatowych, tzn. takich, w których powabnia tworzona jest przez powiększone kwiaty brzeżne. Przedmiotem niniejszej rozprawy jest – z wykorzystaniem apioidów jako modelu do badań ewolucyjnych i rozwojowych – odpowiedź na następujące pytania: (1) Jakie są wzorce makroewolucyjne pseudancjów? (2) Czy ewolucja pseudancjów jest skorelowana ze zmianami tempa dywersyfikacji? (3) W jaki sposób ontogeneza kształtuje różnorodność form pseudancjów u baldaszkowatych z podrodziny Apioideae? (4) Czy morfologiczne podobieństwo koszyczków i baldachów złożonych znajduje swoje odzwierciedlenie w genetycznej regulacji rozwoju tych struktur? Aby odpowiedzieć na dwa pierwsze pytania, przeprowadziłem analizy makroewolucyjne w oparciu o wykalibrowane drzewo filogenetyczne 1734 gatunków Apioideae oraz macierz cech morfologicznych kwiatostanów dla 847 z nich. W celu odpowiedzi na pytanie trzecie, przebadałem – z użyciem skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM) – rozwój kwiatostanu u wybranych przedstawicieli Apioideae, którzy niezależnie wykształciły pseudancja o zróżnicowanej architekturze. Odpowiedź na pytanie czwarte próbowałem uzyskać analizując ekspresję kluczowych genów regulatorowych odpowiadających za rozwój pseudancjów u dzikiej marchwi (Daucus carota L. subsp. carota). Rekonstrukcja stanów ancestralnych z wykorzystaniem metody największej wiarygodności (ang. maximum-likelihood) oraz mapowania stochastycznego wykazała, że pseudancja u Apioideae wyewoluowały niezależnie co najmniej 36 razy, a następnie co najmniej 46 razy były utracone. Przyczyny tej niezwykłej labilności są trudne do ustalenia. Najbardziej prawdopodobne wytłumaczenie to scenariusz adaptacyjnego błądzenia (stabilnej generalizacji poprzez adaptację do lokalnych nisz zapyleniowych), który znajduje także potwierdzenie w morfologicznych korelacjach w architekturze pseudancjów. Modelowanie bazujące na dyskretnych procesach Markova wykazało skorelowaną ewolucję wielkości kwiatostanu i obecności pseudokoron oraz przeciwstawne trendy u baldaszkowatych z pseudancjami (zmniejszanie kwiatostanu) i bez nich (zwiększanie kwiatostanu). Wyniki te pozwalają domniemywać, że wielokrotne nabycie pseudancjów mogło wiązać się z optymalizacją wielkości wystawy kwiatowej w różnych grupach apioidów. Analizy z wykorzystaniem modeli dywersyfikacji niezależnych oraz zależnych od cech wskazują, że liczne (19–36, w zależności od wariantu analizy) zmiany tempa dywersyfikacji w podrodzinie Apioideae nie są skorelowane z ewolucją pseudancjów. Rezultaty te pozwalają na odrzucenie hipotezy, że pseudancja stanowią tzw. kluczową innowację ewolucyjną, czyli zwiększającą tempo dywersyfikacji. Analiza SEM została wykonana dla sześciu pseudancjalnych przedstawicieli Apioideae z plemion Coriandreae, Tordylieae, Echinophoreae oraz Scandiceae, różniących się zarówno promocją – baldachową lub baldaszkową – jak i wzorem symetrii grzbiecistej w kwiatach promieniowych (powiększonych zewnętrznych kwiatach). Jej wyniki wskazują, że architektura tych kwiatostanów tworzona jest w oparciu o samoistne zapełniane przestrzeni powstałej na skutek początkowej ekspansji merystemu (tzw. frakcjonowania). Rozwój zróżnicowanej architektury pseudancjów w Apioideae jest warunkowany przez interakcję dwóch pól morfogenetycznych w merystemach baldachów i baldaszków: dośrodkowej inhibicji spowodowanej ograniczeniami przestrzennymi (im bliżej środka merystemu, tym więcej zawiązków jest upakowanych na niewielkiej przestrzeni) oraz brzeżnej promocji, oddziałującej na odosiowe pokrywy oraz grzbietowe części kwiatów promieniowych. Analizę ekspresji genów w rozwijającym się pseudancjum kwiatowym marchwi przeprowadziłem z użyciem hybrydyzacji mRNA in situ. W oparciu o dostępne dane genomowe wytypowałem trzy czynniki transkrypcyjne, których ortologi są kluczowe dla rozwoju koszyczków astrowatych – LEAFY (LFY), UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO) oraz CYCLOIDEA (CYC). Ekspresja LFY, uniwersalnego genu tożsamości kwiatowej, została stwierdzona w całym merystemie baldachu, a następnie w merystemach baldaszków, merystemach kwiatowych i pierwszych zawiązków organów kwiatowych. Transkrypty UFO, jednego z ważnych koregulatorów LFY, udało się wykryć jedynie w zawiązkach organów kwiatowych. Odpowiadający za specyfikację symetrii kwiatów gen CYC był eksprymowany jedynie w kwiatach promieniowych na etapie rozrostu odosiowych organów. Wszystkie opisane powyżej wzorce są podobne do tych znanych z koszyczków astrowatych, co pozwala stwierdzić, że obydwa typy pseudancjów są ontogenetycznie zdeterminowanymi strukturami, które pod względem rozwojowym przypominającymi pojedyncze kwiaty.

Abstract Pseudanthia are multiflowered units that resemble individual flowers due to the condensation and subsequent specialization of florets or extrafloral organs. These complex structures evolved repeatedly in angiosperms and are sometimes considered to be a key morphological innovation that played a considerable role in diversification of some plant groups (i.e. Asteraceae). Despite presumable importance, however, pseudanthia have never been subjected to a thorough evolutionary investigation. Moreover, there are no detailed developmental studies of other angiosperms which independently of Asteraceae acquired complex pseudanthia. Apiaceae constitute a relatively large clade (ca. 4000 species) of higher eudicots and include numerous pseudanthial representatives. Apioideae, the most species-rich subfamily of Apiaceae (accounting for more than 80% of their diversity), shows the greatest architectural variation of pseudanthia, including formation of floral pseudanthia that are highly convergent to those found in capitula of composites (i.e., with pseudocorollas made of enlarged peripheral florets) Using Apioideae as a model for evolutionary and developmental studies, this thesis addresses the following questions: (1) What are the macroevolutionary patterns of pseudanthia? (2) Is the evolution of pseudanthia correlated with changes in diversification rates? (3) How does the ontogenetic patterning shape the diversity of forms in apioid pseudanthia? (4) Are the morphological similarities between umbels and flower-heads reflected in the genetic regulation of their development? To answer the first two questions, I applied a state-of-the-art macroevolutionary framework to a calibrated phylogenetic tree of 1734 apioids and a morphological matrix of inflorescence traits encoded for 847 of them. In order to address the third question, I conducted a scanning electron microscopy (SEM) investigation of umbel development in six species representing four clades of Apioideae that independently acquired architecturally diverse pseudanthia. Lastly, I analyzed expression patterns for key regulatory genes involved in the patterning of pseudanthia in wild carrot (Daucus carota L. subsp. carota). Maximum-likelihood ancestral character estimation and stochastic mapping suggested that pseudanthia in Apioideae evolved at least 36 times with more than 46 subsequent losses. Evolutionary drives of this exceptional lability are hard to identify. The most likely explanation involves the scenario of adaptive wandering (stable generalization obtained by adaptation to local pollination niches), which is further corroborated by morphological correlations in pseudanthial architectures. The results of modeling with discrete Markov processes reconstructed a correlated evolution between the size of inflorescence and presence of pseudocorollas, as well as indicated an opposing trend in pseudanthial (decrease of inflorescence size) and non-pseudanthial (increase of inflorescence size) apioids. These patterns imply that multiple independent origins of pseudanthia might have allowed for optimization of floral display size among different groups of apioids. Trait-dependent and trait-independent analyses show that the numerous (between 19 and 36, depending on the model variant) shifts in apioid diversification rates are decoupled from evolution of pseudanthia. These outcomes demonstrate that flower-like inflorescences cannot be considered a key evolutionary innovation. The SEM investigation was conducted for six representatives of Apioideae from tribes Coriandreae, Tordylieae, Echinophoreae and Scandiceae that are diverse with respect to promotion of pseudanthia (umbel- vs. umbellet-centered) and types of ray flower (enlarged peripheral florets) zygomorphy. Its results imply that umbel patterning is driven by self-autonomous filling of available space (fractionation) created by initial expansion of the meristem. The differences in the architecture of apioid pseudanthia arise through interaction between two morphogenetic fields in umbel and umbellet meristems: a centripetal inhibition caused by mechanical constraints (the closer to the meristem center, the more primordia are packed on a limited surface area) and peripheral promotion acting on abaxial involucels and dorsal organs in ray flowers. The analysis of gene expression patterns in developing floral pseudanthium of carrot was conducted using mRNA in situ hybridization. Based on available genomic data I identified three candidate transcription factors which orthologues are crucial for patterning of flower-heads in Asteraceae – LEAFY (LFY), UNUSUAL FLORAL ORGANS (UFO) and CYCLOIDEA (CYC). The expression of universal flower identity gene LFY was confirmed in the nascent umbel, umbellet and floral meristems and later in floral organ primordia. On the other hand, transcripts of UFO (an important co-regulator of LFY) were detected only in sepal and petal primordia. A key floral symmetry regulator CYC was expressed in late-stage ray flowers during the enlargement of their abaxial floral organs. All aforementioned gene-expression patterns are highly reminiscent of those described for capitula of Asteraceae, which indicates that both types of pseudanthia are ontogenetically determinate structures with flower-like developmental characteristics.