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¿ES GNETALES GRUPO HERMANO DE ANGIOSPERMAS?: ANÁLISIS
FILOGENÉTICO DE GNETALES
Félix A. Álvarez-Torres, Jessica T. Calderón-Patiño, Oscar Y. Hernández-Lagos,
Catalina L. Rivera-Giraldo
Universidad Industrial de Santander, Facultad de Ciencias, Escuela de Biología
RESUMEN
Se realizó la filogenia de las plantas con semilla en busca de la posición del orden
Gnetales, representado por tres géneros Ephedra, Welwitschia y Gnetum, con
caracteres morfológicos y genes nucleares (18s, 26s), mitocondriales (atp1, cox1)
y cloroplásticos (rbcl, atpB), mediante análisis de máxima parsimonia (MP),
máxima verosimilitud (ML) e Inferencia Bayesiana (IB). En el análisis de MP
Gnetales está más relacionado con coníferas que con angiospermas, en IB es
grupo hermano de coníferas (sin incluir Pinaceae) y en ML se muestran diferentes
topologías, la mayoría lo relacionan más con coníferas que con angiospermas.
INTRODUCCIÓN
El orden gnetales está conformado por 70 especies distribuidas en tres géneros,
Ephedra, Welwitschia y Gnetum [1]. Estudios morfológicos sugieren que Gnetales
es grupo hermano de angiospermas (hipótesis antophyta) [2,3], soportado por
caracteres como estructuras reproductivas similares a flores, vasos en el leño,
química de la lignina, características del polen y la megaspora, entre otros, aunque
algunos autores rechazan ésta hipótesis [8,9] sugiriendo que los caracteres han
evolucionado en paralelo. Pocos análisis moleculares han apoyado esta hipótesis
con bajo soporte estadístico [4], pruebas de ML y otros métodos sugieren que
puede ser un resultado de atracción de ramas largas [4–6]. Algunos posicionan a
Gnetales en la base de las plantas con semillas [4,6,7] y la mayoría, con evidencia
total, como grupo hermano de coníferas (hipótesis gnetifera) [6–10,13] o dentro de
ellas como hermano de Pinaceae (hipótesis gnepines) [6,8,9,11–14] (asumiendo
que algunos caracteres de coníferas se han perdido en Gnetales [5,6]). Aunque
hoy día algunos caracteres morfológicos (traqueidas con punteaduras
escalariformes, hojas lineares, esporofilos reducidos, entre otros) [2] apoyan la
asociación con coníferas [15,16], es evidente que la posición de Gnetales en la
filogenia de plantas con semillas es controversial y por eso es importante resolver
esta incógnita mediante diferentes análisis (MP, ML e IB) y utilizando datos
morfológicos y moleculares.
MATERIALES Y MÉTODOS
La matriz morfológica [15] se modificó basándose en publicaciones anteriores
[2,17], se eliminaron los fósiles y se obtuvo un total de 29 taxa (outgroups:
cycadales y ginkgoales) y 117 caracteres (anexo1). Para los datos moleculares se
usaron seis genes: dos cloroplasticos (atpB, rbcL) [4,18], dos mitocondriales (cox1,
atp1) [8,18] y dos nucleares (18S [8,18], 26S) [4]. Los códigos de acceso y los
FASTA (anexos2,3) se obtuvieron mediante búsqueda en la base de datos del
GenBank.
Se realizó un análisis de sensibilidad con evidencia total mediante el software POY
v4.1.2.1 [19], con 3 costos diferentes de ts:tv:gap-morfo (1:1:1-1, 1:2:2-2, 1:2:4-4)
para el cálculo del Índice de Incongruencia de Longitudes (I.L.D.) [20], con el fin de
encontrar el mejor costo (anexo4), una vez hallado se realizó un análisis de
máxima parsimonia con una mejor búsqueda de Wagner (build=100), swap
TBR+SPR y bootstrap=100 con build=45. El alineamiento de las secuencias
nucleotídicas se realizó mediante el software Seaview v4.3.3 [21], bajo los
parámetros de Muscle, posteriormente se analizaron mediante el software
JmodelTest v0.1.1 [22] para obtener el modelo evolutivo de cada gen bajo el
criterio de información Akaike (AIC). El análisis de máxima verosimilitud se hizo
para cada gen con el software PhyML v.3.0 [23] con árbol inicial BioNJ, la mejor
búsqueda entre NNI y SPR, test jerárquico de longitud de ramas S-H y
optimización de topología, longitud de las ramas y tasas de parámetros.
Finalmente se realizó un análisis de inferencia bayesiana con evidencia total
utilizando el software MrBayes v.3.2 [24], con 12.000.000 de generaciones,
frecuencia de muestreo de 10.000, dos cadenas de Markov Montecarlo bajo el
algoritmo de Metropolis-Hastings (MCMC) y burn-in de 0.25.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
El resultado del análisis de sensibilidad muestra que el costo óptimo fue
ts1:tv1:g1-morf1 con un I.L.D=0,1453 (anexo4), la topología obtenida en el análisis
de MP (figura1) con evidencia total, con dicho costo, muestra que Gnetales está
más relacionado con coníferas que con angiospermas [8,10,18], como grupo
hermano de coníferas excluyendo a Pinaceae, congruente con un estudio poco
soportado del gen cox1 [8], esto difiere de varios estudios de MP que posicionan a
Gnetales en la base de las plantas con semilla [4-7] y otros dentro de coníferas
como grupo hermano de Pinaceae [11,12]. Una fuerte contradicción de este
análisis con otros es la no monofilia de Gnetales, la cual está muy poco
documentada [25] y pudo ser resultado de asumir que todos los genes tenían los
mismos costos de ts:tv:g o de la calidad de las secuencias obtenidas del Genbank,
ya que el análisis de MP con solo morfología (anexo5) soporta fuertemente (0.94)
la monofilia de Gnetales mientras que el análisis de datos moleculares (anexo6)
muestra no monofilia, indicando que posiblemente son las secuencias de genes
las que generan este resultado.
Figura 1. Análisis de Máxima Parsimonia con evidencia total. Los números sobre las
ramas corresponden al soporte de bootstrap.
El modelo evolutivo obtenido según AIC para los genes atpB, atp1, cox1 y 26s fue
GTR+Γ, y el de los genes rbcL y 18s fue GTR+I+Γ, estos dos últimos congruentes
con [7,12], quienes utilizan GTR+I+Γ para todos los genes. Con base en estos
modelos se obtuvieron las topologías individuales para cada gen mediante análisis
de ML y se resumieron tres topologías en la figura2 (las seis topologías en
anexo7). La topología del gen mitocondrial atp1 (figura2) posiciona a Gnetales
dentro de las coníferas como grupo hermano de Pinaceae [8,9], mostrando que la
hipótesis gnepine está soportada por ADNmitocondrial, sin embargo para el gen
cox1 (anexo7) Gnetales está relacionado con coníferas pero no es hermano de
Pinaceae. La topología del gen nuclear 26s (figura2) soporta la hipótesis antophyta
al igual que [4], quien lo demostró con bajo soporte estadístico y análisis de MP,
esto indica que ésta hipótesis no puede ser totalmente descartada y que no sólo
los estudios morfológicos la soportan; el gen nuclear 18s (anexo7) relaciona a
Gnetales con coníferas al igual que [8,9,18], quienes trabajaron con este gen y lo
situaron como grupo hermano de coníferas. Con el gen cloroplástico rbcL (anexo7)
Gnetales está en la base de las plantas con semillas, esta hipótesis también ha
sido soportada en estudios anteriores [4,6,7,18]; en la topología del gen atpB
(figura2) es grupo hermano de coníferas exceptuando Pinacea, esto es
congruente con los resultados obtenidos en IB. Las diferencias de estas topologías
pueden ser resultado de los tipos de genes utilizados (nucleares, mitocondriales y
cloroplasticos) que tienen distintas tasas mutacionales.
Figura 2. Resumen de las topologías de tres genes: atp1 (mitocondrial), 26s (nuclear) y
atpB (cloroplástico), obtenidas mediante el análisis de Máxima Verosimilitud.
En el resultado de inferencia Bayesiana con evidencia total (figura3) Gnetales es
grupo hermano de coníferas (sin incluir Pinaceae), similar a estudios anteriores
realizados con datos moleculares [7,18], y a los resultados obtenidos en este
estudio de ML para el gen atpB (figura2).
Figura 3. Análisis de Inferencia Bayesiana de evidencia total. Los números sobre las
ramas corresponden a la probabilidad posteriori.
La ambigua posición de Gnetales es conocida por varios estudios que muestran
topologías contradictorias, esto depende de la escogencia de los taxa, los datos
analizados y los métodos analíticos. Además se debe tener en cuenta que no hay
información molecular de los fósiles de gimnospermas y hay sesgo en sus datos
morfológicos, por eso, al realizar estudios como éste se está dejando a un lado
taxa que podrían ser realmente el grupo hermano de Gnetales o de las
angiospermas.
CONCLUSIONES
Es difícil posicionar a Gnetales en la filogenia de las plantas con semillas, está
claro que con análisis de evidencia total se encuentra más relacionado con
coníferas que con angiospermas, pero su posición exacta está aún sin resolver,
todo esto depende de la escogencia de los taxa, los genes y los caracteres
morfológicos. Para estudios futuros se podría reevaluar los taxa y genes utilizados
con el fin de llegar a una sola respuesta y conocer cuál es el verdadero grupo
hermano de Gnetales.
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