The function and adaptive significance of the floral polymorphism heterostyly

Abstract

The flowers of animal-pollinated plants display a remarkable diversity of structural adaptations that function to promote cross-pollen dispersal and reduce pollen wastage. Floral morphology determines the spectrum of suitable animal visitors, but also constrains the orientation of pollinators so that the site of contact between the animal’s body and the sex organs of flowers results in effective cross-pollination. A noteworthy case of the functional fit between flowers and pollinators is heterostyly, a floral syndrome that has evolved in at least 28 angiosperm families. Heterostylous populations are characterized by the occurrence of two (distyly) or three (tristyly) floral morphs that differ in stigma and anther heights (reciprocal herkogamy). The stamen-style polymorphism is usually accompanied by a diallelic self-incompatibility system that prevents self- and intramorph mating, and ancillary polymorphisms of stigmas and pollen. Beginning with Darwin’s seminal work on heterostylous plants, there has been sustained interest in the evolution and function of these polymorphisms, which have become model systems in ecology and evolutionary biology. I investigated three main topics concerned with heterostyly in my PhD thesis: (1) the function and adaptive significance of the morphological traits that characterize the heterostylous syndrome using species from two unrelated families, (2) the evolutionary buildup of this floral polymorphism in a family with variability in heteromorphic character states, and (3) the demographic factors influencing the maintenance of heterostyly in two unrelated taxa, one native and one invasive in the Iberian Peninsula. Rather than focusing on a single species in my thesis, I have chosen particular taxa that are most appropriate for addressing the questions that I am interested in. I also used diverse approaches specific to the particular questions. To address (1) and (3), I combined sampling of variation in natural populations and pollination experiments under common garden conditions, and to investigate (2) I conducted an ancestral character state reconstruction on a molecular phylogeny of a family with heterostylous species. To evaluate Darwin’s cross-promotion hypothesis for the function of reciprocal herkogamy, I used tristylous Lythrum salicaria (Lythraceae), a species with a partially tubular corolla. For this, I quantified pollen transfer and capture in monomorphic and trimorphic experimental arrays composed of intact and emasculated flowers. My results provided experimental evidence supporting the Darwinian hypothesis, and also demonstrated the importance of floral design in governing compatible and incompatible pollen capture. Compatible pollen capture varied in a predictable manner with sex-organ height. In this chapter, I also addressed methodological issues associated with the evaluation of the Darwinian hypothesis. To address the functional significance of ancillary polymorphisms of pollen and stigmas, I investigated patterns of pollen transfer and capture in natural populations of three species of Plumbaginaceae (Armeria maritima, A. pubigera and Limonium vulgare), and studied pollen adherence and germination patterns in A. maritima after hand-pollinations. My results demonstrated for the first time that pollen-stigma dimorphisms serve to promote disassortative pollination in natural populations. The results from controlled pollinations were consistent with the hypothesis that the mechanisms limiting incompatible pollen deposition probably result from intimate interactions between the structural and physiological properties of pollen and stigmas. To assess the evolutionary buildup of the heterostylous syndrome in Plumbaginaceae, I used molecular data to construct a phylogenetic tree for the family and an extensive survey of herbarium specimens to investigate variation in heteromorphic morphological traits. To determine the most likely order of establishment of components of the heterostylous syndrome, these were mapped onto phylogenetic trees. My comparative study provided evidence suggesting that the most recent common ancestor of the Plumbaginaceae was monomorphic in relation to sex-organ position, and was also most likely self-incompatible. The reconstructions were therefore consistent with a theoretical model of the evolution of the heterostylous syndrome in which the diallelic incompatibility system evolves before floral heteromorphism. To explore the role of demographic and geographic factors in affecting morph ratios in tristylous populations, I investigated style morph frequencies in populations at the southwestern European native range limit of Lythrum salicaria. I measured morph composition, evenness, and size of 96 populations along a north to south latitudinal transect from Galicia to Andalucia, Iberian Peninsula, traversing a steep climatic gradient, particularly involving precipitation. I also examined reproductive traits in 19 populations. My study provided evidence that population size and evenness decreased from north to south. Nevertheless, there was no evidence that tristyly was destabilized at the southern margin of the range where populations were significantly smaller, thus indicating that the polymorphism is remarkably resilient to breakdown and to the factors causing deviations from isoplethy. Finally, I investigated variation in the expression of trimorphic incompatibility in invasive populations from the western Mediterranean basin of Oxalis pes-caprae (Oxalidaceae). I tested the hypothesis that weakening of incompatibility may result from the benefits of self-compatibility arising from mate limitation following long-distance dispersal from the native South African range. I performed hand-pollinations and compared levels of self, intramorph and intermorph seed set in a common garden experiment using plants from native and invasive populations covering the entire distributional range in South Africa and the western Mediterranean basin, respectively. My results provided evidence of increased levels of self- and intramorph compatibility in introduced populations. The occurrence of weak self-incompatibility in Iberia may increase opportunities for sexual reproduction in the introduced range where most populations are either monomorphic or dimorphic for style morph composition. In conclusion, the findings of my PhD thesis have demonstrated that both reciprocal herkogamy and ancillary polymorphisms promote disassortative pollination in heterostylous populations. These structural adaptations influence the pollen economy of populations by reducing pollen wastage on incompatible stigmas. Thus, heterostyly may function largely to improve plant fitness through male function. My investigations have also provided novel insights into the evolutionary assembly of the morphological and physiological components of this floral syndrome in a family of heterostylous species. And finally, they have also shed new light on the mechanisms involved in the maintenance of this complex polymorphism in natural populations.

As plantas polinizadas por animais apresentam uma grande diversidade de adaptações estruturais para promover a polinização cruzada e diminuir perdas de pólen em estigmas incompatíveis. Entre elas, a grande diversidade de morfologias florais não só seleciona o espectro de polinizadores, como restringe os seus movimentos enquanto estes visitam as flores. Consequentemente, determinam o local específico de contacto entre o corpo do polinizador e os órgãos sexuais das flores. Um exemplo clássico de adaptação entre flores e polinizadores é a heterostilia, um polimorfismo floral que evoluiu em, pelo menos, 28 famílias de angiospérmicas. As populações de espécies heterostilas podem ser compostas por duas (distilia) ou três (tristilia) formas florais que diferem na altura a que se encontram o estigma e as anteras, i.e., hercogamia recíproca. A hercogamia recíproca é normalmente acompanhada por um sistema dialélico de incompatibilidade que impede a fertilização após auto-polinizações e polinizações cruzadas entre plantas da mesma forma floral e, por fim, polimorfismos dos estigmas e do pólen. Desde a publicação de um dos mais influentes trabalhos sobre heterostilia por Charles Darwin, tem havido muito interesse no estudo da evolução e função destes polimorfismos florais, os quais se tornaram sistemas modelo em ecologia e biologia evolutivas. Os três tópicos principais relacionados com vários aspectos da heterostilia que foram abordados na minha tese de Doutoramento são: (1) o significado funcional e adaptativo dos caracteres morfológicos que definem a heterostilia em duas famílias de plantas, (2) a evolução deste polimorfismo floral numa família com grande variabilidade de estados de caracteres heteromórficos, e (3) os factores demográficos que influenciam a manutenção da heterostilia em duas espécies diferentes, uma nativa e outra invasora na Pensínsula Ibérica. Em vez de me focar apenas num único sistema de estudo na minha tese, decidi escolher diferentes espécies de acordo com a questão a investigar. Para além disso, os métodos utilizados foram também específicos para cada questão e sistema de estudo. Para investigar os tópicos (1) e (3), amostrei populações naturais e realizei experiências de polinização em jardim experimental. Para explorar o tópico (2), fiz uma reconstrução filogenética de caracteres ancestrais. Para testar a hipótese da polinização cruzada originalmente proposta por Charles Darwin para a função da hercogamia recíproca, usei a espécie tristila Lythrum salicaria (Lyhtraceae), cujas flores apresentam uma corola semi-tubular. Neste seguimento, quantifiquei a transferência e captura de pólen em parcelas experimentais monomórficas e trimórficas, compostas por plantas com flores intactas e emasculadas. Os meus resultados apoiaram a hipótese proposta por Darwin, assim como demonstraram o papel da morfologia floral na determinação dos padrões de captura de pólen pelos estigmas. Mais especificamente, a captura de grãos de pólen compatíveis variou de forma esperada e de acordo com a posição dos órgãos sexuais na flor. Neste capítulo, também abordei detalhes metodológicos a ter em conta quando se pretende testar a hipótese Darwiniana para a função da hercogamia recíproca. Para avaliar o significado funcional dos caracteres ancilares do pólen e estigma, investiguei os padrões de transferência e captura de pólen em populações naturais de três espécies de Plumbaginaceae (Armeria maritima, A. pubigera e Limonium vulgare), e estudei a aderência e germinação dos grãos de pólen após polinizações controladas em A. maritima. Os meus resultados demonstraram, pela primeira vez, que o dimorfismo polínico-estigmático funciona para promover a polinização cruzada entre formas florais em populações naturais. Os meus resultados das polinizações controladas foram consistentes com a hipótese de que os mecanismos que limitam a deposição de grãos de pólen incompatíveis resultam da acção conjunta de mecanismos estruturais e fisiológicos. Para estudar a evolução da heterostilia nas Plumbaginaceae, usei dados moleculares para inferir uma árvore filogénetica para a família e amostrei um grande número de exemplares de herbário para obter informação acerca de caracteres morfológicos das flores. Com o objectivo de determinar a ordem pela qual ocorreu o estabelecimento dos vários caracteres que definem a heterostilia, os dados morfológicos foram mapeados numa árvore filogenética. O meu estudo comparativo sugeriu que o ancestral comum das Plumbaginaceae seria monomórfico para a posição relativa dos órgãos sexuais nas flores e também auto-incompatível. Assim, estes resultados são consistentes com um dos modelos teóricos para a evolução da heterostilia, o qual prevê que o sistema dialélico de incompatibilidade evoluíu antes do polimorfismo floral. Com o objectivo de explorar os factores demográficos e geográficos que podem influenciar a composição em formas florais em populações tristilas, investiguei a frequência de morfos em populações de Lythrum salicaria no limite sudoeste da sua distribuição na Europa. Para cada população num total de 96, reúni dados de composição em formas florais e estimei o tamanho populacional, assim como medi variáveis reprodutivas em 19 locais. As populações amostradas localizaram-se ao longo de um transecto latitudinal desde a Galiza até à Andaluzia, e atravessando um gradiente climático com variações sobretudo ao nível da precipitação. O meu estudo demonstrou que o tamanho das populações e o equilíbrio de formas florais em cada uma delas diminuía de norte para sul. De qualquer das formas, não encontrei evidência de que a manutenção da tristilia pudesse ser afectada no limite sul de distribuição da espécie, onde as populações são consideravelmente menores, o que indica que o polimorfismo floral é altamente resiliente a factores capazes de provocar desvios da situação de equilíbrio na Península Ibérica. Por fim, testei a hipótese de que a variação no sistema de incompatibilidade de Oxalis pes-caprae (Oxalidaceae), em populações da área invadida na bacia do Mediterrâneo, possa ter resultado da limitação de parceiros sexuais após dispersão a longa distância a partir da área nativa, África do Sul. Para isto, realizei polinizações controladas e medi a produção de sementes em jardim experimental com plantas das áreas nativa e invadida, as quais eram representativas das áreas de distribuição da espécie na África do Sul e na zona sudoeste da bacia do Mediterrâneo, respectivamente. Os meus resultados mostraram que existe um enfraquecimento do sistema de incompatibilidade após auto-polinizações e polinizações cruzadas entre indivíduos da mesma forma floral em plantas da bacia do Mediterrâneo, o que pode criar novas oportunidades para reprodução sexual nesta área invadida. Em conclusão, os resultados da minha tese de Doutoramento demostraram que a hercogamia recíproca e os caracteres ancilares promovem a polinização cruzada entre formas florais e, consequentemente, contribuem para reduzir o desperdício de pólen em estigmas incompatíveis em populações naturais. Assim sendo, a heterostilia funciona em grande parte para promover o êxito reprodutivo das plantas através da função masculina das flores. Para além do mais, os meus resultados apresentaram dados inovadores quanto à evolução deste polimorfismo floral tão complexo, assim como contribuíram para clarificar alguns dos mecanismos envolvidos na manutenção do mesmo em populações naturais.