Fósiles Perdidos, Relojes Moleculares y el Origen de las Melastomataceae

Fósiles Perdidos, Relojes Moleculares y el Origen de las Melastomataceae
                                   Edwin Gerardo Duarte Santana - 2041689.
              Universidad Industrial de Santander, Facultad de Ciencias, Escuela de Biología.

Introducción
Recientemente, se han propuesto dos posibles áreas de origen para la familia Melastomataceae [1, 2].
Estas macro-áreas (o bloques continentales) se delimitan a lo que se conoció como Laurasia y
Gondwana (posterior a la desintegración de Pangea, hace 200 Ma) [4]. El origen Laurásico fue propuesto
por Renner et al. (2001) basándose en registro fósil de semillas y hojas encontradas en Eurasia y Norte
América, ubicando el mismo hace 55 Ma en el Paleoceno/Eoceno. Por otra parte, Morley & Dick (2003)
discutieron lo propuesto por Renner et al. (2001) y postularon el origen en el bloque continental de
Gondwana (enfocándose en la tribu Melastomeae) hace 76 Ma, partiendo de registros de polen fósil del
Cretácico tardío. Melastomataceae exhibe su mayor diversidad en los neotrópicos, seguido por el SE de
Asia y con diversidad moderada en África y Madagascar [1, 2]. Esta distribución pantropical también es
compartida por su familia hermana Memecylaceae [2]. Partiendo de la distribución presentada por la
familia se apoya lo postulado por Morley & Dick (2003) donde se propone que la familia Melastomataceae
es un linaje derivado de Gondwana. El siguiente trabajo tiene como objetivo aclarar los patrones de
diversificación de la familia Melastomataceae y su centro de radiación u origen por medio del uso de
relojes moleculares, secuencias cloroplásticas (gen ndhF) y registro fósil (hojas, semillas y polen).

Métodos
Se realizó una revisión bibliográfica de las publicaciones de Renner et al. (2001) y Morley & Dick (2003)
referentes al origen de las Melastomataceae. Los métodos serán consignados en este trabajo según lo
propuesto por los autores antes mencionados para cuestiones de presentación de resultados y discusión.
Renner et al. (2001): se secuenció la subunidad F deshidrogenasa NADH ó gen ndhF de 91 especies de la familia
Melastomataceae y Memecylaceae. Se realizó un análisis de Máxima Verosimilitud usando el modelo GTR. Todas
las búsquedas fueron de tipo heurístico (usando TBR) y se calcularon frecuencias de bootstrap no paramétrico.
Todos estos procedimientos fueron establecidos usando el software PAUP* versión de prueba – 4.0b.4a [3].
Posteriormente, se realizó un test de radio de verosimilitud (LRT) para evaluar si las tasas de sustitución en grupos
hermanos pueden justificadamente ser modeladas como-reloj. De igual forma se realizó una prueba de t-student
comparando el árbol con-reloj contra el árbol sin-reloj; dado que había pocas diferencias entre las dos topologías, las
distancias genéticas (longitud de las ramas) del árbol con-reloj se calibraron asignando fósiles a dos puntos de
calibración. La hipótesis que sustentan los autores, restringe el origen de la familia Melastomataceae a Laurasia
(partiendo del registro fósil hallado y del análisis realizado). Morley & Dick (2003): se elaboró un modelo de
dispersión Gondwánico usando los nodos claves de Renner et al. (2001) y los eventos de separación de placas
tectónicas, enfocándose en la tribu Melastomeae (de igual forma se tuvieron en cuenta fósiles para la calibración de
la topología presentada). Se usaron las secuencias del GenBank de 27 especies de la tribu Melastomeae [2]. Se
enfocó el análisis en tasas de sustitución sinónimas, diferenciándose de las tasas trabajadas por Renner et al. (2001).
Se compararon las tasas sinónimas de sustitución con un rango de estimaciones publicadas, para así proveer una
hipótesis biogeográfica alternativa para la distribución pantrópica de Melastomataceae (origen Gondwánico).

Resultados-Discusión
Origen en Laurasia [1] - En análisis filogenético mostró 140 sitios variables autapomórficos y 358 sitios
informativos-parsimoniosos para los 91 taxa. La proporción de sitios invariantes (0.34) y α (1.30),
indicaron que la mayoría de sitios tuvieron tasas intermedias de sustitución, mientras que pocos sitios
tuvieron tasas altas o bajas. La prueba del radio de verosimiltud (LRT) [Tabla 1], rechazó el supuesto de
la sustitución como-reloj entre grupos hermanos. Así, las relaciones dentro de Memecylaceae y
Melastomeae neotropicales difirieron. El LRT es “extremadamente poderoso” detectando diferencias en
las tasas y, en grandes set de datos, usualmente rechazan la hipótesis nula de la tasa de constancia
entre familias hermanas. La prueba de t-student [Tabla 1], mostró que el 15% de las ramas (entre el árbol
con-reloj y sin-reloj [Figuras 1 y 2]) significativamente cambiaban sus longitudes. Ya que la mayoría de
longitudes de las ramas se mantuvieron sin cambio, el uso de la longitud como una aproximación de edad
es justificado. Las ramas de las topologías obtenidas se calibraron usando dos tipos de fósiles: el nodo A
[Figura 2] se calibró con registro fósil (hoja o folíolo) encontrado en Norte América, que mostraba el
patrón característico de venación de la familia Melastomatacae. De esta forma, se fijó el nodo A a 53 Ma
arrojando una tasa de sustitución de 0.0011 sustituciones*sitio-1*Ma-1; por otra parte, el nodo B [Figura 2]
se calibró con registro fósil (semillas) encontradas en Alemania, representando la tribu Melastomae en la
antigua Eurasia. De esta forma, se fijó el nodo B a 23 Ma arrojando una tasa de sustitución de 0.0012
sustituciones*sitio-1*Ma-1. La hipótesis de un origen Gondwánico para la familia Melastomataceae fue
rechazada por las estimaciones de edad con el gen ndhF (escenario de “fosiles perdidos”). Desde el
Eoceno a través del Mioceno Melastomataceae y Memecylaceae ocurrieron en Laurasia tropical (trazos
negros en la Figura 2 simbolizan esta región). Desde que las Melastomataceae basales y todas las
Memecylaceae son árboles o arbolitos de la selva tropical y desde que sus primeros fósiles son del
Eoceno y Oligoceno de Laurasia tropical, su ancestro común preferiblemente vivió bajo condiciones
húmedas tropicales. En combinación, tres líneas de evidencia así apuntan a un origen de
Melastomataceae en el cinturón tropical que bordea el margen Norte del Tetis: (1) primeros registros
fósiles restringidos a Laurasia; (2) ocurrencia en el SE de Asia de linajes antiguos que sobrevivieron y (3)
preferiblemente, linajes con hábitat del tallo hacia bosques húmedos. Si las melastomatáceas de hecho
se originaron en algún lugar del Norte del Tetis, ellas pudieron haberse dispersado hacia Norte América
(explicando su presencia en el Eoceno temprano en Dakota) así como hacia el tectónicamente más lábil
SE de Asia [7]. Siguiendo la radiación inicial, Melastomataceas mayores se extendieron hacia Eurasia y
Norte América como lo documentado por los fósiles.

Origen en Gondwana [2] - La hipótesis filogenética planteada para las Melastomataceae [Figura 3],
demuestra aquellos eventos geológicos determinantes en la distribución de la familia y grupos hermanos
(no necesariamente los tiempos geológicos de separación de continentes indican eventos de dispersión
interplacas). Teniendo en cuenta el registro fósil de Myrtaceae (88 Ma) y la separación de Madagascar y
la placa India (68 Ma), se estimó el origen de la tribu Melastomeae hace 76 Ma. Las estimaciones de
tasas de sustitución silenciosas bajo el escenario Gondwana (76 Ma) son aproximadamente tres veces

más lentas que aquellas propuestas por Renner et al. (2001) [Tabla 2]; dichas tasas se sitúan cerca de la
mayoría de las estimaciones publicadas para tasas sinónimas en genes cloroplásticos. Se hace el
enfoque en tasas sinónimas (en vez de tasas de sustitución nucleotídicas totales) debido a que las
mismas no son limitadas por selección natural para mantener la función proteínica y así, por tanto, ser
comparable con diferentes genes cloroplásticos codificadores de proteínas [5]. El análisis de distancias
sinónimas muestra que los datos ndhF no pueden rechazar la hipótesis de “fósiles perdidos” o del origen
en Gondwana; de hecho los datos soportan modelos de diversificación hacia el Cretáceo tardío
(Maastrichtiano). Para las Melastomataceae y familias hermanas se apoya el origen en África [Figura 4];
bajo este escenario se ubica el ancestro de las familias hermanas en África hacia el Cretáceo tardío (84-
68 Ma), con una dispersión hacia la placa India (antes de 68 Ma) y subsecuentemente hacia el SE de
Asia después de 45 Ma (vía el “Arca India”). También se tienen registros de ancestros africanos que
dispersaron desde África hacia Sur América antes de 65 Ma [6]. De esta forma, se puede afirmar que
Melastomataceae y sus familias hermanas probablemente tengan un origen en África. Por otro lado, se
plantea para la familia Memecylacae una distribución Africana-Sur Americana en el Maastrichtiano (aprox.
74 Ma) [Figura 4], pero subsecuentemente su género representativo Memecylon dispersó vía la placa
India hacia el SE de Asia. El registro del Eoceno tardío de Memecylon de Alemania posterior a la colisión
de la placa India con Asia, y para aquellas ocurrencias en Eurasia, demuestra que la dispersión desde la
placa India es la explicación más simple. La presencia de polen tricolpado en Alzateacae puede ser
testimonio de una etapa inicial de diferenciación, anterior a la aparición de polen heterocolpado del
Maastrichtiano en el registro fósil. La fuerte representación de familias hermanas en Sur África sugiere a
África como un área temprana de diferenciación con subsecuente dispersión hacia Asia vía India, y hacia
Sur América. Este origen ajusta perfectamente a la historia de la familia relacionada Myrtaceae, la cual
tiene sus fósiles más antiguos (polen) en África.

Conclusiones
Confrontando las hipótesis planteadas por Renner et al. (2001) y Morley & Dick (2003), se opta por la
propuesta de un origen Gondwánico. Atendiendo a la gran distribución actual presentada por las
Melastomataceae en Sur América, al registro fósil hallado (hojas, semillas y polen) y a la calibración de
un reloj molecular, se afirma que es una familia que se encuentra entre la zona ecuatorial con episodios
de dispersión hacia el Hemisferio Norte (o distribución boreotropical), basándose en cambio climáticos
presentados hacia el Pleoceno tardío/Eoceno temprano. Por esta razón, las rutas de dispersión (viento o
aves) y la escasez de registro fósil para Gondwana, se deben tener en cuenta para plantear una historia
biogeográfica de taxa con distribución pantropical. El registro fósil de polen, aunque no de manera
concluyente indica la presencia de Melastomataceae, es consistente con un origen al Oeste de
Gondwana seguido por una dispersión en el Eoceno hacia el SE de Asia vía el “Arca India”.

Bibliografía

[1] Renner, S. S.; Clausing, G.; Meyer, K. 2001. Historical Biogeography of Melastomataceae: The Roles
of Tertiary Migration and Long-Distance Dispersal. American Journal of Botany 88 (7): 1290-1300.

[2] Morley, R. J. & Dick, C. W. 2003. Missing Fossils, Molecular Clocks, and the Origin of the
Melastomataceae. American Journal of Botany 90 (11): 1638-1644.

[3] Swofford, D. L. 2000. PAUP*. Phylogenetic Analysis using Parsimony (*and other methods). Version 4.
Sinauer, Sunderland, Massachusetts, USA.

[4] Dorling, C. & Kindersley, P. 2004. TIERRA. Clima, Bosques, Glaciares, Desiertos, Montañas, Ríos,
Océanos, Volcanes. Periódicos Asociados Ltda., Colombia. Edición en Español. 414 p.

[5] Muse, S. V. & Gaut, B. S. 1997. Interlocus comparisons of the nucleotide substitution process in the
chloroplast genome. Genetics 146: 393–399.

[6] Conti, E.; Eriksson, T.; Schönenberger, J.; Sytsma, K. J.; Baum, D. 2002. Early Tertiary out-of-India
dispersal of Crypteroniaceae: evidence from phylogeny and molecular dating. Evolution 56: 1931–1942.

[7] Hall, R. 1996. Reconstructing cenozoic SE Asia. Tectonic evolution of Southeast Asia. Geological
Society Special Publications 106: 153–184.

ANEXOS

                     Tabla 1. Valores obtenidos para las pruebas estadísticas realizadas. Tomado de Renner et al. (2001).

                               PRUEBA                          PRUEBA ALTERNATIVA                        VALOR DE PROBABILIDAD
                                  LRT                            X2 = 371.28 (89 gl)                            p < 0.001
                               t-Student                                 ---                                    p < 0.05

Tabla 2. Tasas de sustitución sinónimas obtenidas bajo el modelo Gondwánico y el basado en semillas fosiles*. Tomado de Morley & Dick (2003).

                       TASA DE SUSTITUCIÓN                      MODELO GONDWANA                        MODELO SEMILLAS FÓSILES
                            SINÓNIMA                                 (76 Ma)                                   (23 Ma)
                        Rhexia – Melastomeae                          0.9±0.014x10-9                            2.978±0.0457x10-9
                       Nepsera/Aciotis/Comolia –
                                                                      1.03±0.14x10-9                            3.391±0.457x10-9
                             Melatomeae

                                  *Las tasas de sustitución se dan en unidades de sustituciones sinónimas*sitio sinónimo*año.

Figura 1. Filogenia obtenida a partir de secuencias del gen ndhF de Melastomataceae y familias
relacionadas bajo el modelo GTR+I+G. Los valores sobre las ramas indican bootstrap no paramétrico.
                                   Tomado de Renner et al. (2001).

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                                                                    14

    Figura 2. Filogenia obtenida a partir de secuencias del gen ndhF de Melastomataceae y familias
 relacionadas bajo el modelo GTR+I+G y reloj molecular. El negro indica distribución Laurasica, gris N.
América, naranja Neotrópicos, azul África tropical, púrpura Madagascar y verde Asia tropical. Tomado de
                                           Renner et al. (2001).

Figura 3. Hipótesis filogenética para Melastomataceae. Los patrones de las ramas se basan en la Figura 1 [Renner et al. (2001)], pero los
tiempos de divergencia son basados en corredores de dispersión conocidos entre masas de tierra post-Gondwana y son indicados por líneas
                                           gruesas horizontales. Tomado de Morley & Dick (2003).

Figura 4. Origen de las Melastomataceae. Se destacan las posibles rutas de dispersión y los dos grandes sitios de divergencia (o radiación)
                          señalados en círculos negros (Sur América y África). Tomado de Morley & Dick (2003).