Academia.eduAcademia.edu
Reticulate evolution and species delimitation in Asian Spiranthes (Orchidaceae) Siddharthan Surveswaran and Mei Sun School of Biological Sciences The University of Hong Kong Introduction Molecular dating using secondary calibration Phylogeny based on ITS data S. sinensis S6 Kanchula, Uttarakhand, India S. sinensis S4 Mussurie, Uttarakhand, India S. sinensis S17 AFCD Hong Kong S. sinensis S16 Kyoto JAP 0.99/57 S. sinensis S15 Wakayama JAP S. australis S44 Australia S. sinensis S41 sinica pink, Taiwan S. sinensis S43 sinica white, Taiwan S. sinensis S40 white Hsinchu, Taiwan S. sinensis S12 Hwangson, Korea S. sinensis S3 Dhanaulti, Uttarakhand, India S. sinensis S5 Mussurie, Uttarakhand, India S. sinensis S7 Dhanaulti, Uttarakhand, India S. sinensis Si17 China S. sinensis 20 Ebay, China 1/99 1/57 S. sinensis S21 Ebay, China S. sinensis S22 Ebay, China 0.94/68 S. novae-zelandiae S50, New Zealand S. novae-zelandiae S51 New Zealand S. himalayensis CI1 Karnataka, India S. himalayensis CI2 Karnataka, India S. himalayensis CI3 Karnataka, India S. himalayensis S52 Yunnan, China S. himalayensis S1 Karnataka, India S. himalayensis S27 Karnataka, India 1/100 S. himalayensis MI1, Manipur, India S. himalayensis MI3 Manipur, India S. himalayensis S38 Manipur, India S. himalayensis MI2 Manipur, India 1/97 S. nivea S9 S. nivea S11 S. nivea S24 S. nivea S23 1/98 S. nivea S39 S. nivea S10 S. aestivalis Sa58 1/100 S. aestivalis Sa59 1/100 S. spiralis S49 S. spiralis Sp51 S. odorata 17y S. parksii 20a S. casei casei 02a S. ochroleuca 16a S. ochroleuca 16h -/58 S. cernua 04g 1/96 S. ovalis var. erostellata 19e S. ovalis var. ovalis 18b S. laciniata 12e S. vernalis 27b 0.95/66 S. odorata 17z S. longilabris 13f 1/92 S. cernua 4t S. cernua 04v S. cernua S29 -/59 S. cernua 04aa 1/99 S. magnicamporum 15f S. lacera gracilis 11f S. lacera lacera 10d S. torta 28g 1/88 S. torta 28a S. floridana 08d S. tuberosa 26c S. tuberosa 26b Calibration using secondary data3 * 2.82 * 4.22 7 * * 5.33 8 * 6 * 3.24 * * * * 4.43 * * 5.75 5 * * * S. nivea * * 5.95 4 * * * 6.14 North American Spiranthes 1/100 * 9 * Diversification of Asian Spiranthes S. himalayensis Asian Spiranthes 1/100 Spiranthes sinensis S6 Kanchula S. sinensis S5 Mussurie S. sinensis S3 Dhanaulti S. sinensis S22 Ebay S. sinensis S21 Ebay S. sinensis S15 Wakayama JAP S. sinensis S12 Hwangson KOR S. sinensis Si17 China S. sinensis var. amoena S26 SJLin M S. sinensis S16 Kyoto JAP S. australis S44 Australia S. novae-zelandiae S51 S. sinensis S43 sinica white S. sinensis S17 HK AFCD S. himalayensis S52 Yunnan S. himalayensis CI1 S. himalayensis MI1 S. nivea S11 S. nivea S9 S. nivea S10 S. aestivalis Sa59 S. aestivalis Sa58 S. spiralis Sp51 S. spiralis S49 S. ochroleuca 16a S. casei var. casei 02a S. ochroleuca 16h S. cernua 04g S. parksii 20a S. odorata 17y S. ovalis S30 Indiana S. ovalis var. ovalis 18b S. cernua 04v S. cernua 4t S. cernua 04aa S. cernua S29 Toronto S. magnicamporum 15f S. laciniata 12e S. odorata 17z S. longilabris 13f S. vernalis 27b S. torta 28g S. torta 28a S. floridana 08d S. lacera var. gracilis 11f S. lacera var. lacera 10d S. tuberosa 26b S. tuberosa 26c S. praecox var. albolabia 23a S. praecox 22f S. sylvatica 25d S. nebulorum S. romanzoffiana 24f S. romanzoffiana 24r S. delitescens 05a S. stellata 31d S. diluvialis 06a1 S. lucida 14d S. porrifolia 21o S. porrifolia 21v S. infernalis 09c Dichromanthus michuacanus Dichromanthus aurantiacus Dieregyne diaphana Schiedeella llaveana Mesadenus lucayanus Sacoila lanceolata var. lanceolata Spiranthinae Aa palacea Altensteinia fimbriata Cranichidinae Cranichis diphylla Cranichis ciliata Ponthieva brittoniae Erythrodes blumei Goodyera pubescens Goodyerinae Ludisia discolor Pachyplectron arifolium * S. sinensis Spiranthes is a terrestrial orchid genus with about 36 species1 mainly growing in North America but distributed globally. In Europe and Asia, there are about 10 species. They have tiny flowers arranged in a spiral manner on an inflorescence resembling ladies’ tresses. In Asia, S. hongkongensis had earlier been shown to be an allopolyploid. S. sinensis is widespread from Europe to New Zealand through Asia and shows a great deal of variation in flower colour and morphology. S. sinensis has so many varieties and synonymous species names such as S. australis and S. novae–zealandiae. * * * * * 7.34 31 * * * * * 11.58 * 16.66 2 * * * 0.006 * * 23.13 Spiranthes sinensis from various locations was found in one clade. A new species, S. himalayensis from various localities, formed a separate clade. (Left to Right): Spiranthes hongkongensis, S. nivea, S. himalayensis (new species), S. sinensis (glabrous form), S. sinensis Phylogeny based on cpDNA data * * S. sinensis S6 Kanchula, Uttarakhand, India S. sinensis S7 Dhanaulti, Uttarakhand, India S. sinensis S4 Mussurie, Uttarakhand, India S. sinensis S5 Mussurie, Uttarakhand, India S. sinensis S3 Dhanaulti, Uttarakhand, India S. sinensis Si17 China S. sinensis S13 Wandogun, Korea 0.94/94 S. sinensis S14 Munnae-myeon, Korea S. sinensis S21 Ebay, China S. sinensis S20 Ebay, China S. sinensis S22 Ebay, China S. sinensis S12 Hwangson Korea S. sinensis S15 Wakayama Japan S. sinensis S16 Kyoto Japan S. novae-zelandiae S50, New Zealand 1/91 S. novae-zelandiae S51, New Zealand 1/69 S. novae-zealandiae S53, New Zealand S. australis S44 Australia S. hongkongensis 1Pokfulam, Hong Kong S. sinensis S17 HKHerbarium, Hong Kong S. hongkongensis 3Pokfulam, Hong Kong S. hongkongensis 570 Parker Mt., Hong Kong 1/67 S. hongkongensis 560 Pat Seng Leng, Hong Kong S. sinensis S19 AFCD Hong Kong 1/93 S. sinensis S40 white Hsinchu, Taiwan S. sinensis S41 Acad.sinica pink, Taiwan 0.97/73 S. sinensis S18 AFCD, Hong Kong S. hongkongensis S28 Pokfulam, Hong Kong 1/70 S. sinensis S43 sinica white, Taiwan 1/100 S. sinensis var. amoenea S26 SJLin M Japan S. himalayensis CI1 Karnataka, India S. himalayensis CI3 Karnataka, India S. himalayensis CI2 Karnataka, India S. himalayensis MI2 Manipur, India 1/100 S. himalayensis MI3 Manipur, India S. himalayensis MI1 Manipur, India S. himalayensis S52 Yunnan, China 1/98 S. nivea S9 S. nivea S11 S. nivea S39 1/99 S. nivea S10 0.99/65 S. nivea S23 S. nivea S24 S.sunii S54 1/100 S. aestivalis Sa58 S. aestivalis Sa59 1/100 S. spiralis S49 S. spiralis Sp51 S. cernua 4t S. cernua 04aa S. parksii 20a 0.9/84 S. cernua 04v S. cernua S29 Toronto 0.95/61 S. ochroleuca 16h n=15 S. ochroleuca 16a 1/99 S. casei var. casei 02a S. cernua 04g 0.93/98 S. ovalis var. erostellata 19e 1/59 1/86 S. magnicamporum 15f 1/84 S. ovalis ovalis 18b 1/100 S. ovalis S30 Indiana S. odorata 17y 0.9/99 S. lacera gracilis 11f 1/100 1/96 1/98 S. lacera lacera 10d S. vernalis 27b 1/90 S. floridana 08d 1/99 S. laciniata 12e 0.95/81 1/100 S. torta 28g S. torta 28a 1/100 S. longilabris 13f S. odorata 17z 1/100 n=12 S. tuberosa 26c S. tuberosa 26b S. praecox f. albolabia 23a 1/95 S. praecox 22f 1/100 S. sylvatica 25d 1/100 n=22 S. nebulorum S. diluvialis 06a1 0.9/68 S. romanzoffiana 24f 1/100 S. romanzoffiana 24r 1/92 S. delitescens 05a 0.92/65 S. stellata 31d S. lucida 14d 1/87 S. infernalis 09c 1/100 S. porrifolia 21v S. porrifolia 21o Mesadenus lucayanus Sacoila lanceolata var. lanceolata NYBG Cranichis diphylla Altensteinia fimbriata -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Molecular dating using Spiranthinae fossil 1/89 S. sinensis + S. hongkongensis 1/100 1/100 1/100 3.02 9 Diversification of Asian Spiranthes * 4.74 6.23 7 * 3.33 6 8 * * * * 4.63 7.07 5 S. nivea ITS cloning dataset Spiranthes sinensis S22 Ebay S. sinensis S21 Ebay S. sinensis S43 sinica white S. sinensis S17 HK AFCD S. sinensis S6 Kanchula S. sinensis S5 Mussurie S. sinensis S3 Dhanaulti S. sinensis S15 Wakayama JAP S. sinensis S12 Hwangson KOR S. sinensis var. amoenea S26 SJLin M S. sinensis Si17 China S. sinensis S16 Kyoto JAP S. australis S44 Australia S. novae zelandiae S51 S. nivea S9 S. nivea S11 S. nivea S10 S. himalayensis MI1 S. himalayensis CI1 S. himalayensis S52 Yunnan S. aestivalis Sa59 S. aestivalis Sa58 S. spiralis S49 S. spiralis Sp51 S. ovalis var. ovalis 18b S. ovalis S30 Indiana S. ovalis var. erostellata 19e S. odorata 17y S. parksii 20a S. ochroleuca 16a S. casei var. casei 02a S. ochroleuca 16h S. cernua 04g S. vernalis 27b S. laciniata 12e S. longilabris 13f S. cernua 04aa S. cernua 04v S. cernua 4t S. cernua S29 Toronto S. magnicamporum 15f S. odorata 17z S. torta 28g S. torta 28a S. floridana 08d S. lacera var. gracilis 11f S. lacera var. lacera 10d S. tuberosa 26b S. tuberosa 26c S. praecox 22f S. praecox f. albolabia 23a S. sylvatica 25d S. nebulorum S. romanzoffiana 24f S. romanzoffiana 24r S. delitescens 05a S. diluvialis 06a1 S. stellata 31d S. lucida 14d S. porrifolia 21o S. porrifolia 21v S. infernalis 09c Dichromanthus aurantiacus Dichromanthus michuacanus Dieregyne diaphana Schiedeella llaveana Mesadenus lucayanus Sacoila lanceolata lanceolata NYBG Skeptrostachys balanophorostachya Lyroglossa grisebachii Mesadenella petenensis Eltroplectris calcarata Nothostele acianthiformis Stenorrhynchos speciosum Sarcoglottis acaulis Brachystele camporum Sauroglossum elatum Spiranthinae Goodyera pubescens Ludisia discolor Goodyerinae Pachyplectron arifolium Cranichis diphylla Cranichidinae Altensteinia fimbriata + S. himalayensis To answer these questions we built phylogenies using nuclear ITS and plastid trnL, trnS-G and matK regions Calibration using fossil orchid pollinarium, Cylindrocites brownii4 . S. hongkongensis What is the origin of the allopolyploid S. hongkongensis? What is phylogenetic species limits in Asian Spiranthes? Are the various varieties, forms etc. in S. sinensis complex distinct species? When did Spiranthes disperse to and diversify in Asia? Asian Spiranthes ◮ * * Calibration point -40 S. sinensis ◮ * 34.81 4.0 Some interesting questions ◮ 1 * * 7.67 * 9.7 4 8.18 3 * * 12.52 16.34 2 * Calibration point 22.61 1 0.02 Chloroplast sequence data was highly congruent to nuclear ITS dataset. S. sinensis from various locations was found in one clade. S. nivea S. hongkongensis S. himalayensis + * 16.53 3.0 -35 -20 -15 -10 -5 0 Conclusions ◮ ◮ North American species S. aestivalis S. tuberosa ◮ ◮ Cloning and sequencing of ITS region from S. hongkongensis: Earlier work2 using mitochondrial DNA has shown that the maternal progenitor of S. hongkongensis is the widespread Asian species S. sinensis. In our current work, five out of 50 clones of ITS sequences from S. hongkongensis fell in S. nivea and S. himalayensis (a new species) clades. Therefore, the paternal progenitor of S. hongkongensis might be either S. nivea or most likely S. himalayensis. -25 New species: S. himalayensis S. spiralis 0.006 -30 ◮ ◮ Asian Spiranthes are monophyletic The paternal progenitor or S. hongkongensis is most likely S. himalayensis Spiranthes himalayensis is newly described S. sinensis is a species complex Secondary and fossil calibration points yield similar dates for Spiranthes The dispersal of Spiranthes into Asia was around 5 MYA Spiranthes himalayensis Survesw., Kumar & Mei Sun sp. nov. S. himalayensis is widespread from South India through the foothills of Himalayas up to South China based on our sampling of DNA. S. himalayensis is the likely paternal progenitor of S. hongkongensis while S. sinensis is the maternal one. References 1. Dueck, L.A., Aygoren, D., Cameron, K.M., 2014. Am. J. Bot. 101, 1551–1571. 2. Chen, H., Sun, M., 1998. Mol. Ecol. 7, 1553–1556. 3. Givnish, T.J. et al., 2015. Proc. R. Soc. B 282, 20151553. 4. Poinar, G., 2016. Am. Entomol. 62(3): 172–177. Email: siddhus@gmail.com