Anatomical, Morphophysiological and Molecular Characterization of Brazilian Species of Cleomaceae

Abstract

Cleomaceae is one of the 17 families of the order Brassicales, which comprises 26 genera and about 270 species. This cosmopolitan family has a great morphological and physiological diversity and due it is a sister group of Brassicaceae, to which the model plant Arabidopsis is inserted, it has been the subject of studies in several areas. However, despite being a promising family, there are few species characterized, so far only 15 have been physiologically characterized. Thus, this work aimed to characterize species of Cleomaceae occurring in Brazil. In this sense, visits to herbariums and collections were carried out in various regions in order to better understand the identity, ecology and distribution of each species. Thus, 22 species were sampled. Morphological and molecular characterization, based on five markers, showed that the Tarenaya series are monophyletic (Chapter 1) and that T. siliculifera is morphologically distinct from the species of the genus, so the recognition of a new monotype genus has been proposed (Chapter 2). In addition, we characterized the 22 species in terms of genome size, molecular phylogeny, anatomical, biochemical, and physiological characteristics (Chapter 3). In addition to determining the photosynthetic parameters, biochemical analyzes were performed on the leaves throughout the day (Chapter 4). Interestingly, the C 3 species groups exhibit clear variation in anatomical, physiological and biochemical parameters, suggesting a large natural variation among these species. Furthermore, unrecognized variation in leaf structure and physiology within the species studied indicates varying degrees of development of the C 3 -C 4 photosynthetic mechanism. Furthermore, the Brazilian Cleomaceae accessions characterized here exhibit a high genetic diversity and may represent different stages of development of the photosynthetic mechanism from C 3 to C 4 . Regarding the characterization of the sexual type of each flower (Chapter 5), the 20 morphospecies formed three four groups of sexual expression: andromonoicia, hermaphrodites, and polygamous. In addition, dichogamy and distyly were also observed, however, the species studied are self-compatible. Finally, a compilation of all available information about Cleomaceae is carried out in Chapter 6 in order to identify the characteristics of each group and indicate the advances in each area with the family. Keywords: Cleoserrata. Gynandropsis. Molecular phylogeny. Photosynthesis. Tarenaya.

Cleomaceae é uma das 17 famílias de Brassicales, compreende 26 gêneros e 270 espécies. Esta família cosmopolita possui uma grande diversidade morfológica e fisiológica e por ser grupo- irmão de Brassicaceae, ao qual a planta modelo Arabidopsis está inserida, tem sido alvo de estudos em diversas áreas. No entanto, apesar de ser uma família promissora, são poucas espécies caracterizadas, até o momento somente 15 foram caracterizadas fisiologicamente. Sendo assim, este trabalho objetivou caracterizar espécies de Cleomaceae ocorrentes no Brasil. Nesse sentido, visitas a herbários e coletas foram realizadas em várias regiões do país em busca de compreender melhor a identidade, ecologia e distribuição de cada espécie. Dessa forma, 22 morfoespécies foram amostradas. A caracterização morfológica e molecular, baseada em cinco marcadores (ITS, matK, ndhF, ycF, rps), mostrou que as series de Tarenaya são monofileticas (Capítulo 1) e que T. siliculifera é morfologicamente distinta das espécies do gênero, sendo então proposto o reconhecimento de um novo gênero monotipo (Capítulo 2). Além disso, caracterizamos as 22 morfoespécies em termos de tamanho do genoma, filogenia molecular, características anatômicas, bioquímicas e fisiológicas (Capítulo 3). Nesse sentido, além da determinação dos parâmetros fotossintéticos, foram realizadas análises bioquímicas nas folhas ao longo do dia (Capítulo 4). Curiosamente, os grupos de espécies C 3 exibem clara variação nos parâmetros anatômicos, fisiológicos e bioquímicos, sugerindo uma grande variação natural entre essas espécies. Além disso, a variação não reconhecida na estrutura e fisiologia da folha dentro das espécies estudadas indica vários graus de desenvolvimento do mecanismo fotossintético C 3 -C 4 . Em relação a caracterização do tipo sexual de cada flor (Capítulo 5), as 20 morfoespécies analizadas formaram três grupos de expressão sexual: andromonoicia, hermafroditas e polígamas. Além disso, também foram observadas dicogamia e distilia (hercogamia), no entanto, as espécies estudadas são autocompatíveis. Finalmente, é realizado um compilado das informações disponíveis sobre Cleomaceae no Capítulo 6 de forma a identificar as características de cada grupo e identificar os avanços em cada área com a família. Palavras-chave: Cleoserrata. Gynandropsis. Filogenia molecular. Fotossíntese. Tarenaya.