Phylogeny and biogeography of Campanula L. section Quinqueloculares (Boiss.) Phitos (Campanuloideae, Campanulaceae)
Authors: Λιβέρη Ελένη 
Published: November 2021

Το γένος Campanula (Campanuloideae, Campanulaceae) αποτελεί μία από τις πιο πολυάριθμες και πολύμορφες ομάδες των Σπερματοφύτων, καθώς περιλαμβάνει περίπου 400 είδη, τα οποία εξαπλώνονται στις βόρειες εύκρατες περιοχές και ιδιαιτέρως στις μεσογειακές χώρες. Πρόκειται για ένα μεγάλο γένος με μακρά και περίπλοκη ταξινομική ιστορία. Οι παραδοσιακές ταξινομήσεις βασίστηκαν σε μορφολογικούς χαρακτήρες που συχνά οδήγησαν σε τεχνητή ομαδοποίηση. Στις τελευταίες δύο δεκαετίες, ωστόσο, εκτεταμένες φυλογενετικές μελέτες των Campanuloideae, στις οποίες χρησιμοποιήθηκαν μοριακά δεδομένα και σύγχρονες αναλυτικές μέθοδοι, έχουν παρουσιασθεί. Αυτές οι μελέτες έχουν αποκαλύψει πολλά ενδιαφέροντα πρότυπα και πτυχές για την εξέλιξη των Campanuloideae ενώ παρείχαν εντυπωσιακά στοιχεία για την πολυφυλετικότητα του γένους Campanula. Μεσογειακά “θερμά σημεία” όπως η Μέση Ανατολή, η Ελλάδα και η Βαλκανική χερσόνησος είναι ιδιαίτερα πλούσια σε είδη του γένους και έχουν προσελκύσει το ιδιαίτερο ενδιαφέρον των επιστημόνων.Η section Quinqueloculares υπάγεται στο υπογένος Campanula του γένους Campanula. Περιλαμβάνει συνολικά ca. 39 είδη που εξαπλώνονται κυρίως σε Ελλάδα και Δυτική Τουρκία, ενώ ένα είδος εμφανίζεται σε Γαλλία και Ιταλία. Επιπλέον, έχουν καταγραφεί αναφορές εξάπλωσης δυο ειδών σε χώρες του Καυκάσου κα της Μέσης Ανατολής. Η sect. Quinqueloculares είναι μία από τις πιο ποικίλες μορφολογικά και πλούσιες σε ενδημικά είδη ταξινομικές ομάδες του γένους. Πρόκειται για διετή (μονοκαρπικά) ή πιο σπάνια, πολυετή χασμόφυτα (υποχρεωτικά ή ευκαιριακά), τα οποία χαρακτηρίζονται από πενταμερή ωοθήκη, στύλο με πέντε στίγματα, χαρακτηριστικούς λοβούς μεταξύ των σεπάλων, οι οποίοι καλύπτουν λίγο ή πολύ την ωοθήκη και κάψα με πέντε πόρους. Κοινό και βασικό ταξινομικό γνώρισμα των ειδών είναι η πενταμερής ωοθήκη τους, αν και είχε αναφερθεί μια μικρή ομάδα ειδών με τριμερή ωοθήκη. Οι λίγες πρώιμες εξελικτικές υποθέσεις για την sect. Quinqueloculares βασίστηκαν σε μορφολογικά, κυτταρολογικά και βιογεωγραφικά δεδομένα που είχαν ως αποτέλεσμα τη συσχέτιση της εξέλιξης των ειδών, σε συνδυασμό με παλαιογεωγραφικά γεγονότα στην περιοχή του Αιγαίου. Από φυλογενετική άποψη, σχεδόν τα μισά είδη της sect. Quinqueloculares έχουν συμπεριληφθεί σε εργασίες ευρύτερης μελέτης του γένους Campanula και συναφών γενών. Στην πιο εμπεριστατωμένη εξ αυτών, τα είδη της sect. Quinqueloculares βρέθηκαν σε έναν μεγάλο κλάδο (CAM17), ο οποίος περιλαμβάνει είδη που φύονται κυρίως στην Ελλάδα, την Τουρκία και τον Καύκασο. Αν κι ο CAM17 υποστηρίζεται πολύ καλά ως κλάδος, οι φυλογενετικές σχέσεις εντός αυτού χρήζουν πιο εμπεριστατωμένης μελέτης. Η δομή “χτένας” του CAM17 σε μεγάλο βαθμό δεν επιτρέπει τη δημιουργία σαφών υποθέσεων σχετικά με την εξέλιξη της sect. Quinqueloculares. Βασικά προβλήματα σε αυτές τις μελέτες αποτελούν η ελλιπής δειγματοληψία και ο μικρός αριθμός χλωροπλαστικών ή/και πυρηνικών περιοχών σε συνδυασμό με την επιλογή μη πληροφοριακών περιοχών. Παρ’όλα αυτά, οι πρόσφατες ευρείας κλίμακας αναλύσεις έχουν εντοπίσει πολλούς κλάδους πλούσιους σε είδη, αλλά με ασαφείς φυλογενετικές σχέσεις μεταξύ τους και έχουν τονίσει ιδιαιτέρως την ανάγκη για περισσότερο εστιασμένες μελέτες. Η sect. Quinqueloculares αποτελεί ένα εξαιρετικό παράδειγμα ομάδας που χρήζει εμπεριστατωμένης μελέτης, καθώς ανήκει στον πιο πολυπληθέστερο κλάδο (CAM17) των Campanuloideae με τις πιο ασαφείς μεταξύ τους σχέσεις. Επιπροσθέτως, οι διαθέσιμες εξελικτικές υποθέσεις για την ομάδα είναι ελάχιστες και διατυπωμένες σχεδόν μισό αιώνα πριν.Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή επικεντρώνεται στη μελέτη των ειδών της sect. Quinqueloculares χρησιμοποιώντας διαφορετικές μεθόδους και αξιολογώντας διάφορες προοπτικές για την διαλεύκανση της εξελικτικής της ιστορίας. Μια πλήρης δειγματοληψία όλων των ειδών και υποειδών που έχουν περιγραφεί έως σήμερα επετεύχθη μέσω εργασίας πεδίου σε όλη την Ελλάδα και συνεργασιών με Πανεπιστήμια και Herbaria του εξωτερικού. Οι κύριοι στόχοι της μελέτης περιλαμβάνουν τον έλεγχο της μονοφυλετικότητας και την ανασυγκρότηση της φυλογένεσης της sect. Quinqueloculares. Σε αυτό το πλαίσιο εντάσσονται η διερεύνηση των ιστορικών βιογεωγραφικών προτύπων και σημαντικών βιολογικών και γεωλογικών διεργασιών, που μπορεί να έχουν διαμορφώσει την εξέλιξη αυτής της ομάδας. Προκειμένου να επιτευχθούν αυτοί οι στόχοι, τα μοριακά δεδομένα για κάθε taxon της sect. Quinqueloculares έχουν χρησιμοποιηθεί και έχουν επίσης ληφθεί υπόψη μορφολογικά, παλυνολογικά και κυτταρολογικά δεδομένα ώστε να πραγματοποιηθεί μια όσο το δυνατόν ολιστική προσέγγιση του θέματος. Επιπρόσθετα, αξιολογούνται φωτοσυνθετικά χαρακτηριστικά μερικών taxa της sect. Quinqueloculares.Η συγκριτική μορφολογική μελέτη sect. Quinqueloculares βασίζεται στο υλικό που συλλέχθηκε στα πλαίσια της Διατριβής, καθώς και απεξηραμένα δείγματα από διάφορα Herbariα, για όλα τα περιγραφέντα έως σήμερα taxa. Τα κύρια διαγνωστικά μορφολογικά γνωρίσματα παρουσιάζονται σε μορφή πίνακα. Η μορφολογική ποικιλομορφία της ομάδας είναι ιδιαίτερα υψηλή και τα αποτελέσματα μας ενισχύουν τις ήδη διατυπωμένες απόψεις περί “ακραίου πολυμορφισμού”. Παρ’ όλα αυτά, μερικά είδη είναι ιδιαιτέρως διακριτά από μορφολογικής απόψεως, όπως τα είδη C. kamariana, C. merxmuelleri και C. laciniata. Ορισμένα όμως είδη εμφανίζουν εξαιρετική ποικιλομορφία, η οποία δημιουργεί ιδιαίτερα προβλήματα στην ταυτοποίησή τους. Τέτοια είδη σχηματίζουν ομάδες μαζί με άλλα άμεσα σχετιζόμενα μορφολογικώς taxa. Οι ομάδες των C. lyrata, C. rupestris και C. topaliana διακρίνονται ως οι πιο ποικιλόμορφες ομάδες εντός της section, οι οποίες μάλιστα απαιτούν περαιτέρω ταξινομική επαναθεώρηση. Η επανατοποθέτηση της C. nisyria ως ξεχωριστό είδος και όχι ως συνώνυμο κάποιου άλλου είδους της ομάδας C. lyrata στην οποία ανήκει, αποδεικνύεται από τα διακριτά μορφολογικά χαρακτηριστικά της σε σχέση με τα άλλα είδη της ομάδας και ενισχύεται από τα μοριακά αποτέλεσματα. Όσον αφορά την ομάδα της C. topaliana, τα μορφολογικά και μοριακά ευρήματά μας συνηγορούν στην συγχώνευση του τυπικού υποείδους με το subsp. cordifolia. Η μελέτη της ομάδας C. rupestris, η οποία χαρακτηριζόταν από την τριμερή ωοθήκη, αποκάλυψε μεγάλη ποικιλότητα ως προς τον αριθμό των μερών ωοθήκης, γεγονός που αμφισβητεί την ταξινομική αξία του χαρακτηριστικού αυτού εντός της sect. Quinqueloculares.Η μορφολογία των σπερμάτων και των γυρεοκόκκων ειδών και υποειδών της sect. Quinqueloculares μελετάται χρησιμοποιώντας ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης και αξιολογείται η ταξινομική τους αξία. Η μελέτη της μορφολογίας των σπερμάτων πραγματοποιήθηκε σε 16 taxa από ελληνικούς πληθυσμούς. Δίνονται δεδομένα σχετικά με το μέγεθος, το σχήμα, το χρώμα και την επιφάνεια των σπερμάτων. Η μορφολογία τους βρέθηκε σχετικά ομοιόμορφη ως προς όλα τα μελετηθέντα γνωρίσματα, εκτός της επιφάνειας των σπερμάτων. Τα σπέρματα χαρακτηρίζονται από μικρό μέγεθος, επιμήκες έως ελλειπτικό / αντιστρόφως ελλειπτικό σχήμα και ανοιχτό έως σκούρο καστανό χρώμα. Ωστόσο, διακρίνονται και περιγράφονται δύο διαφορετικοί τύποι επιφάνειας των σπερμάτων με βάση την εγγύτητα των ραβδώσεων: α) ομαλώς ραβδωτός και β) στενώς ραβδωτός τύπος. Όλα τα δεδομένα για τη μορφολογία των σπερμάτων των μελετηθέντων taxa της sect. Quinqueloculares παρουσιάζονται για πρώτη φορά.Η μορφολογία των γυρεοκόκκων που πραγματοποιήθηκε για 12 taxa της sect. Quinqueloculares αποκαλύπτει ότι οι γυρεόκοκκοι είναι σφαιρικοί / σφαιροειδείς, ακτινωτά συμμετρικοί, ισοπολικοί με τρεις πόρους για όλα τα taxa. Το μέγεθος των γυρεοκόκκων είναι μικρό, με εξαίρεση το είδος C. laciniata, του οποίου οι γυρεόκοκκοι και από τους τρεις πληθυσμούς που μελετήθηκαν είναι μεσαίου μεγέθους. Το ανάγλυφο των γυρεοκόκκων δείχνει σημαντική ποικιλότητα, η οποία οδηγεί σε δύο διαφορετικούς τύπους: α) ραβδωτός-δικτυωτός και μικροακανθώδης τύπος, στα περισσότερα μελετηθέντα taxa και β) μικρο-ρυτιδώδης και ακανθώδης, στα νοτιοαιγαιακά είδη C. laciniata και C. pelviformis. Τα παλυνολογικά δεδομένα για τα 10 από τα 12 μελετηθέντα taxa είναι νέα. Αν και χρειάζονται δεδομένα για περισσότερα taxa, οι δύο τύποι αναγλύφου των γυρεοκόκκων φαίνεται να υποστηρίζουν φυλογενετικές συγγένειες σε ορισμένες περιπτώσεις. Τα αποτελέσματα της εν λόγω μελέτης αποδεικνύουν πως ο ρόλος της μορφολογίας σπερμάτων και γυρεοκόκκων μπορεί να συμβάλλει σημαντικά στην ταξινόμηση και τη συστηματική της sect. Quinqueloculares, κυρίως σε επίπεδο είδους. Δεδομένου ότι η μορφολογία σπερμάτων και γυρεοκόκκων έχει μελετηθεί ελάχιστα στα Campanula-taxa της Ελλάδας, η μελέτη αυτών των χαρακτήρων σε taxa της sect. Quinqueloculares αποτελεί τη βάση για περαιτέρω έρευνα.Ο προσδιορισμός του αριθμού χρωμοσωμάτων και του επιπέδου πολυπλοειδίας, καρυομορφομετρική ανάλυση και εικόνες καρυοτύπων παρουσιάζονται για 12 taxa της sect. Quinqueloculares χρησιμοποιώντας την κλασική τεχνική σύνθλιψης και συνδυασμό χρώσεων. Ο διπλοειδής χρωμοσωματικός αριθμός 2n = 2x = 34 κυριαρχεί σε όλα τα μελετηθέντα taxa με εξαίρεση το είδος C. laciniata, για το οποίο βρέθηκε για πρώτη φορά και ένας νέος τετραπλοειδής χρωμοσωματικός αριθμός (2n = 4x = 68) σε πληθυσμό από την Κρήτη. Οι καρυότυποι όλων των μελετηθέντων taxa είναι συμμετρικοί, αποτελούμενοι κυρίως από μετακεντρικά (m) και υπομετακεντρικά (sm) χρωμοσώματα, μικρού μεγέθους. Διαφέρουν όμως ως προς την παρουσία, τον αριθμό και το μέγεθος των δορυφόρων. Ο αριθμός χρωμοσωμάτων (2n = 34) και η μορφολογία καρυότυπου δίνεται για πρώτη φορά για το C. topaliana subsp. delphica. Νέοι πληθυσμοί των C. cymaea, C. kamariana, C. pelviformis και C. topaliana subsp. cordifolia εξετάστηκαν κυτταρολογικά επιβεβαιώνοντας προηγούμενες αναφορές. Η μορφολογία του καρυοτύπου των taxa: C. anchusiflora, C. andrewsii subsp. hirsutula, C. kamariana, C. lavrensis, C. merxmuelleri, C. nisyria και C. rupestris δίνεται για πρώτη φορά. Αν και χρωμοσωματικοί αριθμοί έχουν δοθεί για τα περισσότερα taxa της sect. Quinqueloculares, όμως υπήρχαν μόνο σχεδιαγράμματα των καρυοτύπων τους στην βιβλιογραφία και ως εκ τούτου οι φωτογραφίες που παρέχονται είναι πρωτότυπες για όλα τα taxa. Η συμβολή των χρωμοσωματικών δεδομένων στην ταξινόμηση και συστηματική της sect. Quinqueloculares κρίνεται περιορισμένη, κυρίως λόγω του σχεδόν σταθερού αριθμού χρωμοσωμάτων (2n = 34), της παρόμοιας μορφολογίας χρωμοσωμάτων και του μικρού μεγέθους χρωμοσωμάτων, γεγονός που καθιστά την καρυομορφομετρική ανάλυση εξαιρετικά δύσκολη. Παρ’όλα αυτά η κυτταρολογική μελέτη νέων πληθυσμών είναι αναγκαία καθώς δύναται να αποκαλύψει σημαντικά φαινόμενα για την εξέλιξη των ειδών, π.χ. πολυπλοειδίες, όπως έγινε στην περίπτωση του είδους C. laciniata.Στα πλαίσια της μοριακής μελέτης χρησιμοποιήθηκαν έξι χλωροπλαστικοί (NADHS-2, rpoC1-1, rpoC2-1, rpoC2-2, rpoC2-3, trnT-trnL) και τέσσερις πυρηνικοί (2017561, ITS, PPR11, PPR70) μοριακοί δείκτες για 121 taxa συνολικά. Οι μοριακές αναλύσεις όλων των μοριακών δεικτών συμφωνούν στην πολυφυλετικότητα της sect. Quinqueloculares. Η τοπολογία των φυλογενετικών δέντρων των χλωροπλαστικών δεικτών, των ITS και 2017561, αλλά και του συνολικού φυλογενετικού δέντρου είναι παρόμοια. Οι πυρηνικοί δείκτες της οικογένειας των PPR γονιδίων που χρησιμοποιήθηκαν (PPR11, PPR70) παρουσιάζουν ελαφρώς διαφορετική τοπολογία στα αντίστοιχα φυλογενετικά τους δέντρα με τα είδη της section, όμως, να κατανέμονται ομοίως σε διαφορετικούς κλάδους. Στο φυλογενετικό δέντρο που προκύπτει από τη συνένωση των μοριακών δεδομένων, δηλ. χλωροπλαστικών και πυρηνικών μοριακών δεικτών, τα Quinqueloculares taxa απεικονίζονται σε δυο κλάδους, ενώ τρία είδη εξ’ αυτών εντοπίζονται εκτός αυτών. Ο πρώτος κλάδος (Ελληνικός κλάδος) περιλαμβάνει 24 Quinqueloculares taxa και ένα είδος που ανήκει στην ομάδα των Isophylloids (C. sartorii), τα οποία εξαπλώνονται στην ηπειρωτική Ελλάδα, την Εύβοια, τις Βόρειες Σποράδες και τις Κυκλάδες. Εξαίρεση αυτής της εξάπλωσης αποτελούν το είδος C. merxmuelleri, που απαντάται σε Σκύρο (Βόρειες Σποράδες), αλλά και Ψαρά (ΒΑ Αιγαίο), καθώς και το κρητικό ενδημικό υποείδος C. saxatilis subsp. saxatilis, που φύεται στην Δ Κρήτη. Το ενδημικό είδος C. sartorii, που απαντάται στην Άνδρο και την Τήνο (Κυκλάδες), δεν ανήκει στην sect. Quinqueloculares, αλλά βάσει των μοριακών δεδομένων τοποθετείται στον Ελληνικό κλάδο μαζί με είδη της section. Ο δεύτερος κλάδος (ΝΑ Αιγαιακός-Τουρκικός κλάδος) περιλαμβάνει 23 taxa, που εξαπλώνονται κυρίως στις περιοχές του Α Αιγαίου, των νήσων Κρήτη, Κάρπαθο, Σαρία, καθώς και στην Δ Τουρκία. Σε αυτόν τον κλάδο περιλαμβάνονται 20 Quinqueloculares taxa και τρία είδη από την sect. Rupestres. Πρόκειται για τα είδη C. isaurica, C. teucrioides και C. koyuncui, εξαπλούμενα στην Δ. Τουρκία. Τα τρία Quinqueloculares είδη, τα οποία εντοπίζονται εκτός των δύο προαναφερόμενων κλάδων, είναι τα: C. medium, C. crispa και C. pelia. Οι εκτιμήσεις του χρόνου απόκλισης υποδηλώνουν ότι αυτοί οι κλάδοι προήλθαν από το Ύστερο Μειόκαινο. Τα χρονικά και γεωγραφικά πρότυπα που προκύπτουν από τις φυλογενετικές αναλύσεις υποστηρίζουν ότι η εξελικτική πορεία της sect. Quinqueloculares επηρεάστηκε από τα γεωλογικά γεγονότα κατά τη διάρκεια του Μειοκαίνου, όπως ο σχηματισμός της Μεσο-αιγαιακής τάφρου και της Μεσσηνιακής Κρίσης Αλατότητας.Η απόκριση διαφόρων δεικτών που σχετίζονται με την αποδοτικότητα της φωτοσυνθετικής συσκευής σε μεταβολές της θερμοκρασίας, εξετάστηκε σε είδη της sect. Quinqueloculares τόσο πειραματικά στο εργαστήριο (15 °C, 24 °C, 35 °C) όσο και στο πεδίο εποχιακά (χειμώνας, άνοιξη, καλοκαίρι). Χρησιμοποιήθηκαν οι τεχνικές του φθορισμού της χλωροφύλλης και της φασματομετρίας ανακλαστικότητας των φύλλων. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι στα μελετηθέντα taxa της sect. Quinqueloculares η φωτοσυνθετική συσκευή είναι γενικώς πιο ευαίσθητη στις υψηλές θερμοκρασίες στο εργαστήριο και αντιστοίχως το καλοκαίρι στο πεδίο. Το αποτέλεσμα είναι εμφανέστερο στα είδη C. pelviformis και C. merxmuelleri. Η χαμηλή θερμοκρασία του χειμώνα που είναι γεινικώς μία δεύτερη καταπονητική παράμετρος στα μεσογειακά φυτά δεν φαίνεται να καταπονεί ιδιαιτέρως τα μελετηθέντα είδη.Συμπερασματικά, μετά από δεκαετίες προσπαθειών για την αποσαφήνιση της εξελικτικής ιστορίας του γένους Campanula υπό ευρεία αλλά και στενή κλίμακα, φαίνεται ότι απέχουμε πολύ από μια ολοκληρωμένη κατανόηση αυτής της αινιγματικής ομάδας. Προκειμένου να επιλυθεί η ταξινομική πολυπλοκότητα και να αποσαφηνιστεί η ιστορική εξέλιξη του γένους Campanula στην περιοχή της Μεσογείου και όχι μόνο, απαιτούνται πιο εστιασμένες μελέτες με εκτεταμένα γονιδιακά δεδομένα και πλήρη δειγματοληψία όλων των ταξινομικών βαθμίδων.Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή αντιπροσωπεύει την πρώτη φυλογενετική μελέτη που επικεντρώνεται στην sect. Quinqueloculares και βασίζεται σε πλήρη δειγματοληψία όλων των περιγραφέντων έως τώρα taxa, σε ανάλυση 10 μοριακών δεικτών από το χλωροπλαστικό και πυρηνικό γονιδίωμα, καθώς και σε δεδομένα από την μορφολογία, την παλυνολογία, την κυτταρολογία και την οικοφυσιολογία ειδών και υποειδών της section εξεταζόμενα σε ένα ταξινομικό πλαίσιο. Τα αποτελέσματα αυτής της Διατριβής υποστηρίζουν την πολυφυλετική προέλευση της sect. Quinqueloculares και αποκαλύπτουν ενδιαφέρουσες πτυχές της εξέλιξης αυτής της ομάδας, η οποία αποτελεί ένα σημαντικό κομμάτι της εξελικτικής ιστορίας του γένους Campanula. Τέλος, συνιστά την βάση για μια νέα ταξινόμηση της ομάδας με φυλογενετική προσέγγιση.