Evolution of floral characters in the genus Fritillaria L. (Liliaceae) in response to the pollinator shift

Kwiaty roślin okrytonasiennych charakteryzują się zmiennością kształtów, rozmiarów, kolorów czy zapachów. Mimo iż zmienność ta często wiązana jest z preferencjami zapylaczy, czynniki, które ją kształtują wciąż nie są w pełni wyjaśnione. Analiza najnowszych badań sugeruje, że blisko jedna czwarta udokumentowanych przypadków dywergencji może wiązać się ze zjawiskiem zmiany zapylacza. Podczas badań prowadzonych w ramach pracy doktorskiej skupiłam się na rodzaju Fritillaria L. (Liliaceae). Jest on reprezentowany przez około 140 gatunków roślin cebulowych, a jego przedstawiciele są spotykani najczęściej w strefie umiarkowanej regionu holarktycznego Nowego i Starego Świata. Większość szachownic jest odwiedzana i zapylana przez owady, jednak w Ameryce Północnej i Azji występują także gatunki zapylane przez ptaki. W przypadku szachownic zmiana zapylacza zaszła więc w różnym kontekście biogeograficznym i w różnych siedliskach – F. gentneri i F. recurva występują w Ameryce Północnej, a F. imperialis w Azji. Ponadto nowi zapylacze reprezentują dwie taksonomiczne różne grupy ptaków – wróblowe i kolibry. Szukając odpowiedzi na pytanie o cechy kluczowe dla zajścia takiej zmiany zapylaczy, przeanalizowałam szereg cech związanych z biologią zapylania szachownic – zaczynając od istotnej w tym kontekście morfologii kwiatów i kwiatostanów. Dzięki użyciu nowoczesnej metody false colour pictures przeanalizowałam także właściwości fizyczne koloru kwiatów i określiłam postrzeganie kwiatów szachownic przez pszczoły. Analizą objęłam również właściwości nektaru – masę, stężenie i skład cukrów oraz aminokwasów. Przeanalizowałam strukturę listków okwiatu, ultrastrukturę nektarników oraz powierzchnię listków okwiatu, jako że często ich mikrostruktura może mieć wpływ na zachowanie zwierzęcia w kwiecie. Aby prześledzić ewolucję badanych elementów otrzymane dane zmapowałam na drzewie filogenetycznym oraz odtworzyłam stany ancestralne analizowanych cech. Moje badania wykazały, że zmiana zapylacza w przypadku szachownic jest związana z szeregiem zmian we właściwościach i budowie morfologicznej kwiatów. Choć zapylanie przez ptaki nie jest stanem ancestralnym w przypadku przedstawicieli rodzaju Fritillaria, można stwierdzić, że część nowych cech związana jest z presją selekcyjną ze strony ptasich zapylaczy. Także „drugorzędowi zapylacze” pojawiający się w kwiatach szachownic wpływają na ich wygląd. Przykładowo, analiza postrzegania ornitogamicznych kwiatów Fritillaria przez pszczoły wykazała, że są one dla nich dobrze widoczne, a nektar amerykańskich gatunków szachownic, zapylanych przez kolibry zawiera aminokwasy atrakcyjne dla owadzich zapylaczy. Co ciekawe, stwierdzałam kilka „powrotów” – od zapylania przez kolibry do zapylania przez owady oraz od zapylania przez ptaki wróblowe do owadopylności. Drugi rodzaj przejścia został w mojej pracy opisany po raz pierwszy. Jednym z bardzo ciekawych gatunków, dla którego stwierdziłam taki powrót jest F. raddeana, przedstawiciel podrodzaju Petilium, gatunek blisko spokrewniony z zapylanymi przez ptaki F. eduardii i F. imperialis. Kwiaty F. raddeana przypominają wyglądem ornitogamiczne, choć są o połowę mniejsze. Różnią się także kolorem – są zielonkawożółte oraz właściwościami nektaru, które sugerują adaptację do owadopylności. W przypadku szachownic presja selekcyjna ze strony zapylaczy zaowocowała kilkukrotnymi zmianami cech kwiatów. W rezultacie w pewnym zakresie ich charakterystyka jest zgodna z teorią syndromów kwiatowych. Niemniej jednak, ewolucja wielu cech wydaje się niezależna od wpływu zapalaczy. Przykładowo, barwa okwiatu, będąca wynikiem presji selekcyjnej działającej w różnych kierunkach, z jednej strony zwiększa atrakcyjność dla zapylaczy, z drugiej zaś pozwala na uniknięcie roślinożerców. Antocyjany, będące jednymi z najpowszechniej występujących barwników w kwiatach szachownic, są atrakcyjne dla części potencjalnych zapylaczy, ale także działają odstraszająco na niektóre gatunki roślinożerców.

Angiosperm flowers show enormous variation in shape, size, colour, scent, or reward. Although the enormous variability in flowers has often been related to pollinator-mediated selection, the forces driving this divergence remain unclear and contentious to some extent. However, a review of numerous recent studies suggests that about a quarter of divergence events may be associated with pollinator shifts. In my study I focused on Fritillaria L. (Liliaceae), a genus predominantly found in temperate Holarctic regions of both the Old and the New World, including ca. 140 species of bulbous plants. Majority of Fritillaria species have insect pollinators, but in North America and Asia there are also some bird pollinated species. It seems that in Fritillaria the pollinator shift occurred separately in different biogeographical contexts and in different habitats, since ornithophilous F. gentneri and F. recurva are found in North America and F. imperialis in Asia. Moreover, their pollinators belong to different taxonomical groups (hummingbirds vs. passerine birds). To find flower characters crucial for these shifts I analysed several floral traits related to pollination. The first set of characters was related to flower morphology. Since flower colour is one of the most important signals used by pollinators to choose the preferred flowering plant, I also analysed physical colour properties. Moreover, to determine the perception of fritillaries by pollinators I used the recently introduced technique of false colour pictures. I also analysed nectar properties: sugar mass, concentration and composition and nectar amino acids (AAs) amount and composition. Searching for adaptation to various groups of pollinators I analysed the structure and ultrastructure of floral nectaries. With the use of scanning electron microscopy, I analysed the structure of the outer tepals. The resulting data matrix was mapped on a phylogenetic tree, subsequently, I reconstructed ancestral states of these studied characters. My study revealed that the pollinator shifts in fritillaries had likely resulted in several adaptive changes to the nectar characteristic and morphology of the flower. Although ornithogamy is not an ancestral state for Fritillaria, it is quite clear that some flower features evolved as a consequence of the selective pressure exerted by bird pollinators. However, the secondary pollinators, which supplement bird pollination, also seem to influence flower phenotypes. Bee-vision analysis revealed that humming-bird pollinated flowers were visible also for bees and nectars of this plant species contained AAs attractive for insects. Surprisingly, I also recorded several reversals, from hummingbird pollination to insect pollination, as well as from passerine bird pollination to insect pollination. The latter being the first reversal of this kind recorded in flowering plants. The most striking example of such a transition is F. raddeana, a member of the Petilium subgenus, species closely related to F. eduardii and F. imperialis. Flowers of F. raddeana resembled those of passerine bird-pollinated relatives, but were half the size and pale-yellow-greenish in colour. The reward was also typical for insect-pollinated species. Selective pressures exerted by pollinators in the case of Fritillaria flowers resulted in multiple character shifts along the phylogeny of this genus, and Fritillaria flowers seem to fit the classical conception of pollination syndromes, but in a limited way. The evolution of many characters seems to occur without the influence of pollinators. For example, petals colouration presents some of the most compelling evidence for conflicting selection between pollinators and herbivores. Floral pigments such as anthocyanins, which were most common in the case of Fritillaria flowers, play an important role not only in pollination, but also in floral defence – the anthocyanin-pigmented morphs are avoided by some herbivores.