Síndromes florais : contribuição da diversidade genética, polimorfismos fenotípicos e hibridação nos padrões de transição

Abstract

The diversity of floral traits attracts different groups of pollinators. This premise supports the pollination syndromes theory. In the genus Petunia, the different pollination syndromes are related to the rapid species diversification, making the genus a potential model for studies on the genetic and morphological responses to pollinator shifts. In this thesis, the main objective was to describe the speciation processes in the genus Petunia through the characterization of floral syndromes in first-generation interspecific hybrids between the species Petunia axillaris, P. exserta, and P. secreta, which present distinct floral syndromes. To achieve our objectives, we use different methodologies to evaluate floral traits attractive to pollinators. In Chapters 1 and 2, we performed in silico analyses using genomic sequences of genes related to the determination of visible color, response to ultraviolet light, aroma, and nectar production. Phylogenetic comparisons in the Solanaceae family recovered the phylogenetic relationships of species within each genus. The analysis of regulatory regions demonstrated the phylogenetic component’s crucial role in distinguishing the cis-elements between the long-tube and short-tube clades of Petunia. In Chapter 3, we analyzed the floral traits of F1 hybrids and canonical species through morphology measurements, color analysis, response to UV light, nectar characterization, pollen amount, and stigmatic receptivity. We observed different floral syndromes for hybrids following the parental species. In Chapter 4, we analyzed the expression of genes related to attractive phenotypes in both hybrids and canonical species and concluded that the presence of natural polymorphisms in parental individuals promoted high variability in gene expression, making association with phenotypes difficult. In Chapter 5, we perform in silico machine learning and decision tree analysis from phenotypic data. The results obtained were similar to those found in Chapter 3, proving the usefulness of in silico analyses for identifying floral syndromes, guiding new experiments in nature. Taken together, our data showed the complexity of plant-pollinator interactions on speciation processes in the genus Petunia, highlighting the importance of interdisciplinary research to elucidate the mechanisms of evolution of floral syndromes.

A diversidade de traços florais atrai diferentes grupos de polinizadores. Essa premissa embasa a teoria das síndromes de polinização. No gênero Petunia, as diferentes síndromes de polinização estão relacionadas à rápida diversificação das espécies do gênero, tornando-o um potencial modelo para estudos sobre as respostas genéticas e morfológicas das trocas de polinizadores. Nessa tese o objetivo central foi descrever os processos de especiação no gênero Petunia através da caracterização das síndromes florais em híbridos interespecíficos de primeira geração entre as espécies Petunia axillaris, P. exserta e P. secreta que apresentam síndromes florais distintas. Para atingir nossos objetivos utilizamos diversas metodologias para avaliar diferentes traços florais atrativos aos polinizadores. Nos capítulos 1 e 2 realizamos análises in sílico utilizando sequências genômicas de genes relacionados à determinação da cor visível, resposta sob luz ultravioleta, produção de aroma e néctar. A comparação filogenética de múltiplas espécies da família Solanaceae recuperou as relações filogenéticas das espécies dentro de cada gênero. A análise das regiões regulatórias demonstrou forte atuação do componente filogenético na distinção dos cis-elementos entre os clados de tubo longo e tubo curto de Petunia. No capítulo 3, analisamos os traços florais dos híbridos F1 e das espécies canônicas mediante medições, morfologia, análise de coloração, resposta à luz UV, caracterização do néctar, contagem de pólen e receptividade estigmática. Chegamos a síndromes diferentes para os híbridos envolvendo P. axillaris e os híbridos entre P. exserta e P. secreta. No capítulo 4, analisamos a expressão dos genes relacionados aos fenótipos atrativos tanto nos híbridos quanto nas espécies canônicas e concluímos que a presença de polimorfismos naturais nos indivíduos parentais promoveu elevada variabilidade na expressão dos genes dificultando a associação aos fenótipos. No capítulo 5, realizamos análises in sílico de aprendizado de máquina e árvores de decisão a partir de dados fenotípicos. Os resultados obtidos foram semelhantes aos encontrados no capítulo 3, comprovando a utilidade das análises in sílico para a identificação das síndromes florais, norteando novos experimentos na natureza. Em conjunto, nossos dados mostraram a complexidade da interação planta-polinizador sobre os processos de especiação no gênero Petunia, destacando a importância da investigação interdisciplinar para elucidar os mecanismos de evolução das síndromes florais.