Esporogénesis, esporodermo y ornamentaciónde esporas maduras en Lycopodiaceae / Sporogenesis, sporoderm and mature spore ornamentation in Lycopodiaceae

ABSTRACT

Studies on reproductive aspects, spore morphology and ultrastructure of Lycopodiaceae are not very common in the scientific literature, and constitute essential information to support taxonomic and systematic relationships among the group. In order to complete existing information, adding new and broader contributions on these topics, a comparative analysis of the sporogenesis ultrastructure, with emphasis on cytological aspects of the sporocyte coat development, tapetum, monoplastidic and polyplastidic meiosis, sporoderm ontogeny and ornamentation of the mature spores, was carried out in 43 taxa of eight genera of the Lycopodiaceae Austrolycopodium, Diphasium, Diphasiastrum, Huperzia (including Phlegmariurus), Lycopodium, Lycopodiella, Palhinhaea and Pseudolycopodiella growing in the Andes of Colombia and the Neotropics. For this study, the transmission electron microscopy (TEM) samples were collected in Cauca and Valle del Cauca Departments, while most of the spores for scanning electron microscopy (SEM) analysis were obtained from herbarium samples. We followed standard preparation procedures for spore observation by TEM and SEM. Results showed that the sporocyte coat is largely composed by primary wall components; the sporocyte develop much of their metabolic activity in the production of their coat, which is retained until the spores release; protective functions for the diploid cells undergoing meiosis is postulated here for this layer. The abundance of dictyosomes in the sporocyte cytoplasm was related to the formation and development of the sporocyte coat. Besides microtubule activity, the membrane of sporocyte folds, associated with electrodense material, and would early determine the final patterns of spore ornamentation. Monoplastidic condition is common in Lycopodium s.l., whereas polyplastidic condition was observed in species of Huperzia and Lycopodiella s. l.. In monoplastidic species, the tapetum presents abundant multivesicular bodies, while in polyplastidic species, the secretory activity of the tapetum is less intense. Sporoderm development is centripetal, exospore is the first formed layer, then the endospore and, if present, perispore is the final deposited layer. Adult spores of the Lycopodiaceae showed two patterns of ornamentation negative or caviform (foveolate spores) and positive or muriform ornamentation, the latter with two subtypes (rugate and reticulate spores). The spores of Huperzia are characteristically foveolate, the rugate spores were found in a few species of Huperzia and in all of the Lycopodiella s. l. taxa studied, while Lycopodium s.l. spores bear reticulate ornamentation. Numerous ornamentation traits are diagnostic at the specific level. The types of ornamentation found do not support the recent extreme fragmentation of the family in several genera, but could match, a priori, with the idea of three subfamilies. The findings of sporogenesis, extremely similar in all taxa studied, point more to consider fewer genera, more comprehensive, than the recent, markedsplitting of the family. Rev. Biol. Trop. 62 (3) 1161-1195. Epub 2014 September 01.

RESUMEN

Estudios sobre aspectos reproductivos, morfología y ultraestructura de las esporas de Lycopodiaceae no son abundantes en la literatura científica y constituyen información esencial para apoyar las relaciones taxonómicas y sistemáticas en el grupo. Con el fin de completar la información existente, añadiendo contribuciones nuevas y más amplias sobre estos temas, se realizó un análisis comparado de la ultraestructura de la esporogénesis, con énfasis en aspectos citológicos que tienen que ver con la formación de la cubierta de los esporocitos, el tapete, las meiosis monoplastidial y poliplastidial, la ontogenia del esporodermo y la ornamentación de las esporas maduras en 43 táxones de ocho géneros de Lycopodiaceae Austrolycopodium, Diphasium, Diphasiastrum, Huperzia (incluyendo Phlegmariurus), Lycopodium, Lycopodiella, Palhinhaea y Pseudolycopodiella que crecen en los Andes de Colombia y el Neotrópico. Para estudios con microscopía electrónica de trasmisión (MET) las muestras se recolectaron en los departamentos de Cauca y Valle del Cauca, mientras que la mayoría de las muestras para microscopía electrónica de barrido (MEB) provienen de material herborizado de colecciones. Para la observación de las muestras con MET y MEB se utilizaron protocolos estándar para el procesamiento de esporas. La cubierta de los esporocitos está formada por pared primaria; los esporocitos invierten gran parte de su actividad metabólica en la producción de esa cubierta, que es mantenida hasta la liberación de las esporas y tiene funciones de protección de las células que harán meiosis. La abundancia de dictiosomas en los esporocitos se relacionó con la formación y desarrollo de la cubierta. Además de la actividad de los microtúbulos, la presencia de sinuosidades y plegamientos asociados con material electro denso en la membrana de los esporocitos determinarían tempranamente los patrones de ornamentación de las esporas. La condición monoplastidial es común en Lycopodium s.l.y la poliplastidial se observó en Huperzia y Lycopodiella s. l. En especies monoplastidiales el tapete presenta abundantes cuerpos plurivesiculares, en las poliplastidiales la actividad secretora del tapete es menos intensa. El desarrollo del esporodermo es centrípeto, el exosporio se forma primero, seguido del endosporio y el perisporio, si está presente, se deposita de último. En las esporas adultas de Lycopodiaceae se encontraron dos patrones de ornamentación negativo o caviforme (esporas foveoladas) y positivo o muriforme (esporas rugadas y reticuladas). Las esporas foveoladas son características de Huperzia; las rugadas de unas pocas especies de Huperzia y las especies de Lycopodiella s. l., mientras que las reticulada son típicas de Lycopodium s. l.. Numerosos caracteres de la ornamentación resultan diagnósticos en el nivel específico. Los tipos principales no apoyan la extrema fragmentación reciente de la familia en varios géneros, aunque podría coincidir, a priori, con la idea de tres subfamilias. Los hallazgos de la esporogénesis, extremadamente similar en todos los táxones estudiados, apuntan más a la unificación de los géneros en la familia que a su segregación.