Genetic Diversity and Evolutionary Potential of Rare Plant Species: Mentzelia mollis and M. packardiae (Loasaceae)

IF 0.5 4区 环境科学与生态学 Q4 BIODIVERSITY CONSERVATION
J. Brokaw, Megan R. Howard, B. Douglas
{"title":"Genetic Diversity and Evolutionary Potential of Rare Plant Species: Mentzelia mollis and M. packardiae (Loasaceae)","authors":"J. Brokaw, Megan R. Howard, B. Douglas","doi":"10.3398/064.082.0301","DOIUrl":null,"url":null,"abstract":"Abstract. Mentzelia mollis and M. packardiae are narrowly distributed plants occurring primarily in the Owyhee Desert of southeastern Oregon and southwestern Idaho. Previous molecular studies have suggested a relatively old allopolyploid origin of M. mollis (4×) followed by the allopolyploid formation of M. packardiae (8×) from the combination of M. mollis and a second extinct progenitor superimposed with ongoing genetic introgression from other species in Mentzelia section Trachyphytum. Here we report the sequencing of the chloroplast intergenic spacer ndhF–rpl32 from 15 populations of M. mollis and 4 populations of M. packardiae as well as diagnostic analyses of their edaphic habitats to better understand the genetic patterns of variation and edaphic adaptations created by these processes. Chemical and physical analyses suggest that high levels of sodium, potassium, and overall salinity in soils, as well as unusual textures and structures of soils and substrate conglomerates, could account for the narrow distributions of both species and the low productivity of their respective habitats. A nonparametic MANOVA shows that the edaphic niches of M. mollis and M. packardiae are significantly different from those of all other species in Mentzelia section Trachyphytum, including each other, and a principal component analysis shows that these niches are extreme with respect to the rest of the section. Molecular analyses revealed high levels of haplotype diversity within M. mollis with respect to other related species and suggest that M. mollis became a narrow endemic before giving rise to a new species (M. packardiae) and participating in introgression with other distantly related species in Mentzelia section Trachyphytum. Furthermore, M. mollis harbors chloroplast lineages obtained through introgression that are likely extinct in the original host plant lineages that created them. Together these findings support and expand upon earlier hypotheses of origins and introgression and further suggest that M. mollis remains an active and significant participant in the ongoing evolution of Mentzelia section Trachyphytum, despite its rarity and ecological specialization. Resumen. Mentzelia mollis y M. packardiae son plantas de distribución reducida que se encuentran principalmente en el desierto de Owyhee, en el sureste de Oregón y el suroeste de Idaho. Estudios moleculares previos han sugerido un origen alopoliploide relativamente antiguo de M. mollis (4×) seguido de la formación alopoliploide de M. packardiae (8×) a partir de la combinación de M. mollis y un segundo progenitor extinto superpuesto con la introgresión genética en curso de otras especies en Mentzelia sección Trachyphytum. En este estudio reportamos la secuenciación del espaciador intergénico del cloroplasto ndhF-rpl32 de 15 poblaciones de M. mollis y cuatro poblaciones de M. packardiae, así como los análisis de diagnóstico de sus hábitats edáficos, con el fin de comprender mejor los patrones genéticos de variación y las adaptaciones edáficas creadas por estos procesos. Los análisis químicos y físicos sugieren que los altos niveles de sodio y potasio, la salinidad general, la textura y la estructura inusual de los suelos, así como los conglomerados del sustrato, podrían explicar las estrechas distribuciones de ambas especies y la baja productividad de sus respectivos hábitats. Un MANOVA no paramétrico muestra que los nichos edáficos de M. mollis y M. packardiae son significativamente diferentes de los de todas las demás especies de Mentzelia sección Trachyphytum, incluidas entre sí, y un análisis de componentes principales muestra que estos nichos son extremos con respecto al resto de la sección. Los análisis moleculares revelaron altos niveles de diversidad de haplotipos dentro de M. mollis con respecto a otras especies relacionadas y sugieren que M. mollis se convirtió en un endemismo estrecho antes de dar lugar a una nueva especie (M. packardiae) y de participar en la introgresión con otras especies lejanamente relacionadas en Mentzelia sección Trachyphytum. Además, M. mollis alberga linajes de cloroplastos obtenidos a través de la introgresión que probablemente están extintos en los linajes de plantas hospedadoras originales que los crearon. En conjunto, estos hallazgos apoyan y amplían las hipótesis anteriores sobre el origen e introgresión, y sugieren que M. mollis sigue siendo un participante activo y significativo en la evolución actual de Mentzelia sección Trachyphytum a pesar de su rareza y especialización ecológica.","PeriodicalId":49364,"journal":{"name":"Western North American Naturalist","volume":"11 1","pages":"423 - 438"},"PeriodicalIF":0.5000,"publicationDate":"2022-10-04","publicationTypes":"Journal Article","fieldsOfStudy":null,"isOpenAccess":false,"openAccessPdf":"","citationCount":"0","resultStr":null,"platform":"Semanticscholar","paperid":null,"PeriodicalName":"Western North American Naturalist","FirstCategoryId":"93","ListUrlMain":"https://doi.org/10.3398/064.082.0301","RegionNum":4,"RegionCategory":"环境科学与生态学","ArticlePicture":[],"TitleCN":null,"AbstractTextCN":null,"PMCID":null,"EPubDate":"","PubModel":"","JCR":"Q4","JCRName":"BIODIVERSITY CONSERVATION","Score":null,"Total":0}
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Abstract

Abstract. Mentzelia mollis and M. packardiae are narrowly distributed plants occurring primarily in the Owyhee Desert of southeastern Oregon and southwestern Idaho. Previous molecular studies have suggested a relatively old allopolyploid origin of M. mollis (4×) followed by the allopolyploid formation of M. packardiae (8×) from the combination of M. mollis and a second extinct progenitor superimposed with ongoing genetic introgression from other species in Mentzelia section Trachyphytum. Here we report the sequencing of the chloroplast intergenic spacer ndhF–rpl32 from 15 populations of M. mollis and 4 populations of M. packardiae as well as diagnostic analyses of their edaphic habitats to better understand the genetic patterns of variation and edaphic adaptations created by these processes. Chemical and physical analyses suggest that high levels of sodium, potassium, and overall salinity in soils, as well as unusual textures and structures of soils and substrate conglomerates, could account for the narrow distributions of both species and the low productivity of their respective habitats. A nonparametic MANOVA shows that the edaphic niches of M. mollis and M. packardiae are significantly different from those of all other species in Mentzelia section Trachyphytum, including each other, and a principal component analysis shows that these niches are extreme with respect to the rest of the section. Molecular analyses revealed high levels of haplotype diversity within M. mollis with respect to other related species and suggest that M. mollis became a narrow endemic before giving rise to a new species (M. packardiae) and participating in introgression with other distantly related species in Mentzelia section Trachyphytum. Furthermore, M. mollis harbors chloroplast lineages obtained through introgression that are likely extinct in the original host plant lineages that created them. Together these findings support and expand upon earlier hypotheses of origins and introgression and further suggest that M. mollis remains an active and significant participant in the ongoing evolution of Mentzelia section Trachyphytum, despite its rarity and ecological specialization. Resumen. Mentzelia mollis y M. packardiae son plantas de distribución reducida que se encuentran principalmente en el desierto de Owyhee, en el sureste de Oregón y el suroeste de Idaho. Estudios moleculares previos han sugerido un origen alopoliploide relativamente antiguo de M. mollis (4×) seguido de la formación alopoliploide de M. packardiae (8×) a partir de la combinación de M. mollis y un segundo progenitor extinto superpuesto con la introgresión genética en curso de otras especies en Mentzelia sección Trachyphytum. En este estudio reportamos la secuenciación del espaciador intergénico del cloroplasto ndhF-rpl32 de 15 poblaciones de M. mollis y cuatro poblaciones de M. packardiae, así como los análisis de diagnóstico de sus hábitats edáficos, con el fin de comprender mejor los patrones genéticos de variación y las adaptaciones edáficas creadas por estos procesos. Los análisis químicos y físicos sugieren que los altos niveles de sodio y potasio, la salinidad general, la textura y la estructura inusual de los suelos, así como los conglomerados del sustrato, podrían explicar las estrechas distribuciones de ambas especies y la baja productividad de sus respectivos hábitats. Un MANOVA no paramétrico muestra que los nichos edáficos de M. mollis y M. packardiae son significativamente diferentes de los de todas las demás especies de Mentzelia sección Trachyphytum, incluidas entre sí, y un análisis de componentes principales muestra que estos nichos son extremos con respecto al resto de la sección. Los análisis moleculares revelaron altos niveles de diversidad de haplotipos dentro de M. mollis con respecto a otras especies relacionadas y sugieren que M. mollis se convirtió en un endemismo estrecho antes de dar lugar a una nueva especie (M. packardiae) y de participar en la introgresión con otras especies lejanamente relacionadas en Mentzelia sección Trachyphytum. Además, M. mollis alberga linajes de cloroplastos obtenidos a través de la introgresión que probablemente están extintos en los linajes de plantas hospedadoras originales que los crearon. En conjunto, estos hallazgos apoyan y amplían las hipótesis anteriores sobre el origen e introgresión, y sugieren que M. mollis sigue siendo un participante activo y significativo en la evolución actual de Mentzelia sección Trachyphytum a pesar de su rareza y especialización ecológica.
珍稀植物的遗传多样性及进化潜力:薄荷属和包草属(荷兰科)
摘要门泽兰(Mentzelia mollis)和帕卡迪亚(M. packardiae)是分布狭窄的植物,主要分布在俄勒冈州东南部和爱达荷州西南部的奥怀希沙漠。先前的分子研究表明,M. mollis (4x)是一个相对古老的异源多倍体起源,随后是M. mollis与另一个灭绝的祖先组合形成的M. packardiae (8x),并与Mentzelia组Trachyphytum中其他物种的遗传渐入叠加。本文报道了15个mollis居群和4个packardiae居群的叶绿体基因间间隔序列ndhF-rpl32的测序,并对它们的土壤生境进行了诊断分析,以更好地了解这些过程产生的遗传变异模式和土壤适应性。化学和物理分析表明,土壤中高水平的钠、钾和总体盐度,以及土壤和基质砾岩的不同寻常的质地和结构,可能是这两种物种分布狭窄和各自栖息地生产力低下的原因。非参数方差分析表明,毛毛鼠和包心鼠的生态位与其他所有物种的生态位存在显著差异,其中包括彼此;主成分分析表明,这些生态位相对于该剖面的其他物种来说是极端的。分子分析表明,与其他近缘种相比,软毛霉具有较高的单倍型多样性,表明软毛霉在形成新种(包毛霉科)之前是一种狭窄的地方性物种,并参与了与其他远缘种的渗入。此外,M. mollis拥有通过渗入获得的叶绿体谱系,这些叶绿体谱系在创造它们的原始寄主植物谱系中可能已经灭绝。综上所述,这些发现支持并扩展了早期关于起源和遗传渗入的假设,并进一步表明尽管M. mollis罕见且生态特化,但它仍然是Mentzelia部分Trachyphytum持续进化的积极而重要的参与者。Resumen。在爱达荷州的爱达荷州的调查中,在Oregón上发现了一种植物,在distribución上发现了一种植物,在distribución上发现了一种植物,在Oregón上发现了一种植物。研究人员发现,在此之前的分子中,有一种分子是同源的,有一种分子是同源的,有一种分子是同源的,有一种分子是同源的,有一种分子是同源的,有一种分子是同源的,有一种分子是同源的,有一种分子是同源的,有一种分子是同源的,有一种分子是同源的,有一种分子是同源的。在工厂化reportamos la secuenciacion del espaciador intergenico del cloroplasto ndhF-rpl32 de 15 poblaciones de m . mollis四poblaciones·德·m·packardiae asi科莫洛德记录分析de sus栖息地edaficos con el鳍de comprender药对洛杉矶赞助人geneticos de variacion y las adaptaciones edaficas creadas穷且这些proceso。洛杉矶分析quimicos y达到sugieren,洛斯拉图斯的sodio y potasio la salinidad将军,la textura y la estructura inusual de Los suelos asi科莫洛杉矶conglomerados del sustrato podrian explicar拉斯维加斯会distribuciones de安巴especies y拉巴哈productividad de sus respectivos栖息地。unmanova no parsamictrico muestra que los nichos edáficos de M. mollis和M. packardiae的显著差异在今天的los as demás种的menzelia sección长叶植物,包括中心sí,和análisis de components principales muestra que estos nichos son极端相对于resto de la sección。Los análisis分子揭示了altos niveles de diversidad de haplotipos dentro de M. mollis se与其他物种的关系;与sugieren que M. mollis se convirtió与endemismo estrecho antes de dar lugar和una nueva especie (M. packardiae)与参与者en la introgresión与menzelia sección Trachyphytum的关系。Además, M. mollis alberga linajes de cloplastos obtenidos和travacides de la introgresión que probmente están灭绝的植物linajes de plantas hospedadoras originales que los crearon。En conjunto, estos hallazgos apoyan y amplían las hipótesis before sorbre el origen e introgresión, y sugieren que M. mollis sigue siendo unparticipential活动y significativeen la evolución实际de menzelia sección Trachyphytum a pesar de surareza y especialización ecológica。
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来源期刊
Western North American Naturalist
Western North American Naturalist 环境科学-生态学
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>36 weeks
期刊介绍: The Western North American Naturalist places neither restriction nor preference on manuscripts within the disciplines of the biological sciences. Each issue treats diverse taxa from the perspectives of various disciplines (e.g., ecology, population dynamics, behavior, systematics, anatomy, and physiology).
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GB/T 7714-2015
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