Spatial Patterns of Haplotype Variation in the Epiphytic Bromeliad Catopsis nutans

Identifying factors governing the origin, distribution, and maintenance of Neotropical plant diversity is an enduring challenge. To explore the complex and dynamic historical processes that shaped contemporary genetic patterns for a Central American plant species, we investigated the spatial distribution of chloroplast haplotypes of a geographically and environmentally widespread epiphytic bromeliad with wind-dispersed seeds, Catopsis nutans, in Costa Rica. We hypothesized that genetic discontinuities occur between northwestern and southwestern Pacific slope populations, resembling patterns reported for other plant taxa in the region. Using non-coding chloroplast DNA from 469 individuals and 23 populations, we assessed the influences of geographic and environmental distance as well as historical climatic variation on the genetic structure of populations spanning >1200 m in elevation. Catopsis nutans revealed seven haplotypes with low within-population diversity (mean haplotype richness = 1.2) and moderate genetic structure (FST = 0.699). Pairwise FST was significantly correlated with both geographic and environmental distance. The frequency of dominant haplotypes was significantly correlated with elevation. A cluster of nine Pacific lowland populations exhibited a distinct haplotype profile and contained five of the seven haplotypes, suggesting historical isolation and limited seed-mediated gene flow with other populations. Paleodistribution models indicated lowland and upland habitats in this region were contiguous through past climatic oscillations. Based on our paleodistribution analysis and comparable prior phylogeographic studies, the genetic signature of recent climatic oscillations are likely superimposed upon the distribution of anciently divergent lineages. Our study highlights the unique phylogeographic history of a Neotropical plant species spanning an elevation gradient. Resumen Identificar factores que goviernan el origen, distribucion y mantenimiento de la diversidad de plantas Neotropicales es un reto continuo. Para explorar los complejos y dinamicos procesos historicos que le han dado forma a los patrones geneticos contemporanes en una especie de planta en Centro America, investigamos la distribucion espacial de haplotipos del cloroplasto de Catopsis nutans en Costa Rica, una especie ampliamente distribuida geografica y ambientalmente con semillas dispersadas por el viento. Nosotros hipotetizamos que discontinuidades geneticas en las poblacions de la vertiente Pacifica occurren entre el noroeste y el sudeste, reflejando el patron reportado en otras especies de plantas en la region. Utilizando ADN no codificante del cloroplasto de 469 individuos en 23 poblaciones, evaluamos la influencia de la distancia geografica y ambiental, asi como la variacion climatica historica sobre la estructura genetica de las poblacions situadas a > 1200 m de elevacion. Catopsis nutans revelo siete haplotipos con baja diversidad intra-poblacional (riqueza de haplotipos promedio = 1.2) y moderada estructura genetica (FST = 0.699). El FST pareado mostro una correlacion significante tanto con geografia como con distancia ambiental. La frecuencia de haplotipos dominantes resulto significativamente correlacionada con elevacion. Un grupo de nueve poblaciones de las zonas bajas del Pacifico mostro un distinctivo perfile de haplotipos asi como cinco de los siete haplotipos, sugiriendo aislamiento historico y limitado flujo genetico mediado por semillas con las otras poblaciones. Modelos de distribucion paleogeograficos indicant que los habitats de zonas bajas a zonas altas se encontraban unidos durante oscilaciones climaticas pasadas. Basado en nuestro analisis de paleodistribucion y comparable con previos estudios filogeograficos, la firma genetica de las oscilaciones climaticas recientes esta probablemente superimpuesta sobre la distribucion de lineajes con divergencia antigua. Nuestro estudio resalta la particular historia filogeografica de una especie de planta Neotropical distribuida a traves de un gradiente altitudinal.