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Master's Dissertation
DOI
https://doi.org/10.11606/D.11.2020.tde-05052020-103150
Document
Author
Full name
Igor Araujo Santos de Carvalho
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
Piracicaba, 2020
Supervisor
Committee
Oliveira, Giancarlo Conde Xavier (President)
Bressan, Eduardo de Andrade
Catharino, Eduardo Luis Martins
Cavallari, Marcelo Mattos
Title in English
Climatic niches and geographical ranges of sugarcane wild relatives: a comparative and evolutionary approach
Keywords in English
Climatic niches
Geographical ranges
Sugarcane wild relatives
Abstract in English
Species distributions are the result of the interplay between ecological requirements and evolutionary mechanisms, which are studied by ecological and historical biogeography, respectively. Although these fields have been historically separate, the concept of ecological niche has allowed their integration. The modelling of ecological niches and species distributions in light of the evolutionary processes has allowed the filling of considerable gaps of scientific knowledge about biodiversity. These gaps are especially relevant for a group of plants known as crop wild relatives (CWR), which are a valuable genetic resource with a crucial role in guaranteeing food security. In this dissertation, we used available occurrence data and bioclimatic variables to model the potential geographic distribution of 15 species of the sugarcane relatives and to characterize their niches in a bidimensional environmental space. We also reconstructed a recently published phylogeny and used it to investigate the predominant mechanism of speciation and the mechanisms shaping niche evolution in the group. The results showed that sugarcane relatives are potentially distributed worldwide and that range models can be used to inform future collection expeditions, considering that the relatives of this crop is one of the most underrepresented in genebanks. Closely related species show a high degree of sympatry with asymmetrical ranges, whilst species from different clades occur in total allopatry. We found a significant negative correlation between age of divergence between clades and pairwise level of sympatry, which suggests that the current geographical distribution may be a result of long-distance dispersion followed by recent events of sympatric speciation. Characterization of niches showed that climatic variables related to minimum temperatures and aridity were the ones that most contributed to variation among climatic niches of theses species. Whilst most species show narrow climatic niches, two show a very broad niche. In general, sugarcane relatives' climatic niches are not identical and are just similar as expected by chance, even though closely related species showed the highest levels of niche overlap. Additionally, models of evolution suggests that different processes acted to shape the climatic tolerances of sugarcane wild relatives, the first dimension of climatic niches related to minimum temperature was best modelled by a Ornstein-Uhlenbeck model with two optima and the dimension related to aridity is best modelled by a Brownian Motion model. Therefore, our study shows the importance of using already available data to analyse the ecological attributes and evolutionary aspects of CWR, which can be used to foment conservation initiatives and a more efficient use of these species in breeding.
Title in Portuguese
Nichos climáticos e amplitudes geográficas de parentes selvagens de cana-de-açúcar: um enfoque comparativo e evolutivo
Keywords in Portuguese
Distribuição geográfica
Nicho climático
Parentes selvagens da cana-de-açúcar
Abstract in Portuguese
A distribuição das espécies é resultado da interação entre seus atributos ecológicos e forças evolutivas, aspectos que são estudados pelas biogeografia ecológica e histórica, respectivamente. Apesar de haver uma separação histórica entre essas duas áreas, a aplicação do conceito de nicho ecológico na modelagem de nichos ecológicos e distribuição de espécies tem permitido uma maior integração entre ambas. Os resultados dessa integração têm permitido o preenchimento de diversas lacunas no conhecimento científico sobre a biodiversidade. Essas lacunas são especialmente relevantes para um grupo de plantas conhecido como parentes selvagens de plantas cultivadas (PSPCs), que são um recurso genético valioso com um papel crucial na garantia da segurança alimentar. Nesta dissertação, nós usamos dados de ocorrência e variáveis bioclimáticas para modelar a distribuição geográfica potencial de 15 espécies de parentes selvagens da cana-de-açúcar, assim como para caracterizar seus nichos climáticos em um espaço ambiental bidimensional. Uma filogenia, recentemente publicada, foi reconstruída e utilizada para investigar os mecanismos evolutivos que moldaram a geografia da especiação e a evolução dos nichos climáticos nesse grupo. A modelagem da distribuição potencial das espécies mostrou que os parentes selvagens da cana-de-açúcar são potencialmente distribuídos pelo globo. Adicionalmente, os modelos produzidos podem ser utilizados para informar futuras expedições de coleta, já que os parentes da cana são um dos menos representados em bancos de germoplasma. Espécies mais próximas filogeneticamente exibiram um alto grau de simpatria e assimetria de distribuições, enquanto espécies mais distantes ocorrem em total alopatria. Além disso, foi encontrada uma correlação negativa, e estatisticamente significante, entre o tempo de divergência dos clados e o nível de simpatria, sugerindo que a atual distribuição geográfica dessas espécies pode ter resultado de dispersão de longa distância seguido por eventos de especiação simpátrica recentes. A caracterização dos nichos mostrou que variáveis relacionadas a temperatura mínima e aridez são aquelas que mais contribuem para a variação entre os nichos climáticos das espécies. A maioria das espécies possuem nichos climáticos restritos, enquanto duas apresentam nichos climáticos amplos. Em geral, os nichos climáticos de parentes selvagens da cana-de-açúcar não são idênticos e o nível de similaridade entre eles é o mesmo que o esperado ao acaso, apesar de espécies mais próximas apresentarem os maiores níveis de sobreposição de nicho. Adicionalmente, os modelos evolutivos sugerem que diferentes processos atuaram para moldar as tolerâncias climáticas dessas espécies, a dimensão do nicho climático relacionado à temperatura foi melhor modelada pelo modelo Ornstein-Uhlenbeck com dois ótimos e a dimensão relacionada à aridez foi melhor modelada por um modelo de movimento Browniano. Portanto, nosso estudo mostra a importância de utilizar dados já disponíveis para analisar os atributos ecológicos e aspectos da evolução de PSPCs, que podem ser utilizados para fomentar iniciativas de conservação e para o uso mais eficiente destas espécies no melhoramento de plantas.
 
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Release Date
2022-05-05
Publishing Date
2020-05-05
 
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