Psilotum nudum es una planta vascular dispersora de esporas, con una organización estructural básica: ramificación dicótoma, sin raíces ni hojas, estela simple, eusporangios ter-minales, isosporeos y gametofito vascularizado; de apariencia macroscópica similar a la de los fósiles Siluro-Devónicos, las Rhyniophyta, que se piensa que fueron las prime-ras plantas vascularizadas terrestres. Por este motivo ha sido objeto de numerosas investi-gaciones evolutivas y abundante reflexión filogenética.
Además en esta obra se analizan y discuten los datos aportados por las contemporá-neas comparaciones de secuencias génicas, que emparentan a Psilotaceae con Ophioglossaceae, una familia con la que nunca se le había ligado por sus caracteres morfoló-gicos. Estos análisis las sitúan como basales del grupo monofilético de las Monilophytas (que serían los anteriormente llamados Pteridofitos sin los lycófitos) marcando una revolución en cuanto a su posición taxonómica y a sus relaciones filogenéticas. Y estas nuevas aportaciones implican la necesidad de explicar aquellas semejanzas morfoestructurales que hicieron sugerir las hipótesis de parentesco precedentes.
Índice
Palabras clave
Introducción:
Objetivos:
Material y métodos:
Resultados:
1- Descripción de Psilotum nudum:
- Morfoestructura y anatomía de la fase esporofítica.
- Estructuras reproductoras del esporofito.
- Morfoestructura y órganos reproductores del gametofito.
- Ciclo vital.
- Asociación micorrícica.
- Datos citogenéticos.
- Habitat: Distribución y localización.
- Nomenclatura.
2- Hipótesis formuladas relativas a las relaciones filogenéticas de P.nudum
1) Psilotaceae pertenece a Lycophyta.
2) Psilotaceae son descendientes directos de los Rhyniophyta del Devónico.
3) Psilotaceae pertenecen al Orden Filicales de la familia de las Gleichenaceae próximo a Stromatopteris.
4) Psilotaceae posee un rango taxonómico distinto de las actuales Lycopodiopsida y Filicopsida y las extintas Rhynipsida.
5) Psilotaceae forma un grupo monofilético con Ophioglossaceae.
3- Análisis cladísticos genético-moleculares:
4- Otroasnálisis…:
Discusión:
Conclusiones:
Bibliografía:
Palabras clave
Psilotaceae Filogenia y Evolución Vegetal Monilophyta Fósil Viviente Planta Vascular Rhyniophyta Progimnosperma
Introducción
Psilotum nudum es una planta vascular dispersora de esporas, con una organización estructural básica: ramificación dicótoma, sin raíces ni hojas, estela simple, eusporangios ter- minales, isosporeos y gametofito vascularizado; de apariencia macroscópica similar a la de los fósiles Siluro-Devónicos (400 M.a.), las Rhyniophyta, que se piensa que fueron las prime- ras plantas vascularizadas terrestres [37]. Por este motivo ha sido objeto de numerosas investi- gaciones evolutivas y abundante reflexión filogenética.
En esta revisión bibliográfica se expone una amplia descripción de Psilotum nudum, se analizan los fundamentos de las interpretaciones filogenéticas que se han propuesto y los pro- cesos evolutivos de algunos de sus caracteres. Se muestran sucintamente los resultados obte- nidos de los análisis cladísticos en los que se ha incluido a este género, a partir de datos gené- tico-moleculares, morfológicos, bioquímicos y de caracteres citológicos de espermiogénesis. Discutiendo posteriormente las contradicciones y disconformidades de cada propuesta, que refutan los argumentos y pruebas que defienden cada teoría.
La razón de este estudio era intentar desvelar el origen y filogenia de P.nudum, empí- ricamente difícil de esclarecer por la falta absoluta de registros que se consideren fósiles de este grupo. P.nudum al ser una de las plantas vasculares más sencillas, han llevado a muchos botánicos evolucionistas a considerarla [48,22] como un fósil viviente en estasis morfoestrctural desde hace 400 M.a., descendientes directos de los Rhyniophyta. En mi opinión esta idea pa- radójica de los fósiles vivientes choca con algún principio de la teoría sintética de la evolu- ción biológica, en la que cada generación se somete al filtro de la selección natural, en busca siempre de una mayor adaptabilidad (fitness), y es difícil de concebir que los organismos se mantengan inalterados e inalterables ante los ambientes cambiantes que han acontecido. Y en el supuesto de que esta apariencia primitiva no fuese debida a una invariabilidad perpetua con una ínfima evolución de caracteres, sino que fuese producto de sucesivos cambios adaptati- vos, entraría en conflicto con otro principio, el de la irreversibilidad de la evolución, ya que P.nudum posee un fenotipo extremadamente similar al de fósiles del Devónico Inferior (400 M.a.). Aunque se conocen varios ejemplos de reversión evolutiva, por procesos de simplificación de estructuras, en el mundo vegetal [22].
Esta oposición sustancial a ciertos conceptos evolutivos que genera este organismo es lo que despierta mi interés para realizar este estudio.
Pero P.nudum, además de las similitudes con los fósiles Devónicos, muestra caracteres peculiares, algunos únicos en su especie [45], y otros que comparte con distintos vegetales, que han provocado la proposición de hipótesis de afinidad filogenética de diverso ámbito, como las semejanzas interpretadas por Bierhorst [13] de caracteres y desarrollo del gametofito y el embrión de Psilotaceae con algunos géneros del Orden Filicales, que cambió la perspectiva filogenética y taxonómica, estimando que los caracteres aparentemente primitivos de Psilotaceae eran en realidad caracteres derivados desde Filicales hacia esa simplificación.
Además en esta obra se analizan y discuten los datos aportados por las contemporá- neas comparaciones de secuencias génicas [69,88], que emparentan a Psilotaceae con Ophioglossaceae, una familia con la que nunca se le había ligado por sus caracteres morfoló- gicos. Estos análisis las sitúan como basales del grupo monofilético de las Monilophytas (que serían los anteriormente llamados Pteridofitos sin los lycófitos) marcando una revolución en cuanto a su posición taxonómica y a sus relaciones filogenéticas. Y estas nuevas aportaciones implican la necesidad de explicar aquellas semejanzas morfoestructurales que hicieron sugerir las hipótesis de parentesco precedentes.
Como conclusiones se enumeran las principales hipótesis de relaciones filogenéticas que se han planteado para este género, infiriendo que es imposible en este momento la elaboración de una teoría unificada por las vigorosas incompatibilidades entre unas y otras. No pudiendo tampoco descartar tajantemente ninguna de las hipótesis expuestas. Opinar que no se deben aceptar unánimemente los resultados moleculares, excluyendo desconsideradamente las comparaciones de observaciones morfoanatómicas precedentes. Y planteando nuevas líneas de investigación para intentar esclarecer el significado de las similitudes de caracteres de P.nudum con los organismos con los que se ha hipotetizado su parentesco, así como indagar si los caracteres de Psilotaceae y Ophioglossaceae son homólogos respecto a su genética de desarrollo mediante estudios de la evolución de estos mecanismos genéticos.
Objetivos
- Elaborar una descripción completa del género Psilotum a partir de la revisión e integración de los datos morfoestructurales y anatómicos publicados.
- Analizar los fundamentos en los que se basan las propuestas sobre el origen y las presumibles relaciones filogenéticas de las Psilotaceae.
- En base a estos análisis y mediante la recapitulación de otros datos experimentales, intentar plantear una hipótesis y sus posibles vías de investigación.
Material y métodos
Para la realización de esta revisión bibliográfica se ha recurrido a las bases de datos electrónicas y físicas del catálogo de la biblioteca de la Universidad Autónoma de Madrid y de las bibliotecas del CSIC, especialmente la del Real Jardín Botánico de Madrid, así como a diversas páginas web de instituciones científicas internacionales de reconocida solvencia. Todo el material bibliográfico queda censado en el apartado de bibliografía utilizada.
A ) Obtención y ordenación de material bibliográfico: Los objetivos que se pretenden alcanzar requieren una indagación bibliográfica adecuada cuya prospección se planificó en cinco niveles o bloques temáticos, atendiendo al tipo de datos que se requieren para la elaboración del presente proyecto:
1º - Recopilación de materiales biblográficos botánicos básicos, referidos a los aspectos descriptivos clásicos: morfológicos y anatómicos, citogenéticos y corológicos.
2º - Selección de análisis cladísticos de datos moleculares de distintas secuencias genómicas plastidiales, mitocondriales y nucleares, así como análisis bioquímicos de enzimas, histonas y sustancias del metabolismo secundario propias de este grupo.
3º - Recapitulación de los datos nomenclaturales y taxonómicos.
4º - Búsqueda y recopilación de las interpretaciones evolutivas y los fundamentos de las hipótesis filogenéticas propuestas.
5º - Hallazgo de otros datos y cladogramas importantes para la discusión.
B ) Revisión y análisis de todos los datos obtenidos para el género.
C ) Síntesis y estructuración para la elaboración de posibles conclusiones.
Resultados
1- Descripción de Psilotum nudum
- Morfoestructura y anatomía de la fase esporofítica.
Presenta un sistema basal de rizomas bifurcados enterrado en el suelo o humus, del que parten erguidas las regiones aéreas verdes (10 cm a 1 m. de altura x 1,5-2 mm de anchura), que se ramifican dicotomicamente (figura 1-A pág. 5). Poseen apéndices de dos clases, unos simples estériles, y otros bífidos que sustentan los sinangios trisporangiados adaxialmente (fig. 2-D pág. 6). No posee raíces, el rizoma mantiene la planta en el substrato y los rizoides unicelulares asociados a micorrizas arbusculares intracelulares [97] sirven de estructuras de absorción.
El sistema vascular de P. nudum va cambiando a lo largo de la planta. El rizoma espo- rofítico desarrolla una haplostela de xilema exarco, el protoxilema consta de traqueidas ani- lladas y espiraladas, y el metaxilema de traqueidas escalariformes, todas lignificadas. En los ejes aéreos la haplostela se va lobulando, formando una actinostela exarca multipolar (hasta 10 polos protoxilemáticos), que en raras ocasiones es mesarca en la base de los ejes. Según se ramifica el tallo se aprecia una médula de esclerénquima dentro de la estela (fig. 2-E pág 6), por lo que se convierte en una sifonostela exarca (y ectofloica). En las partes más distales y pequeñas es una protostela (pierde la médula). El haz vascular que se bifurca hacia el sinangio trisporangiado se divide en tres haces mesarcos (uno por cada esporangio). La expansión bífida adaxial que sustenta los sinangios no está vascularizada. El cilindro xilemático está rodeado en toda la planta de un anillo floemático de células cribosas dispersas, con la pared engrosada y sin calosa [65]. En la base de los ejes, el leño primario está rodeado de traqueidas esparcidas que se interpretan como vestigio de un leño secundario ancestral [1,15,16].
Rodeando la estela hay un parénquima, las células están elongadas verticalmente, con paredes gruesas y pocos espacios intercelulares. Más externamente, las células aumentan los espacios intercelulares entre ellas, también tienen las paredes gruesas y poseen un gran número de gránulos de almidón.
La epidermis rodea toda la región aérea, con paredes celulares cutinizadas cubiertas de cutícula. La parte basal del tallo es cilíndrica, y a veces aplanada o de sección triangular, dependiendo de la variedad. Los estomas de estructura simple, no poseen ningún tipo de célula especial subsidiaria [64]. Los apéndices estériles (1-1,5 mm) tienen células pa- renquimáticas fotosintéticas, y demás tejidos idénticos a los ejes, salvo el tejido vascular. Sin embargo, se han visto trazas vasculares (expansiones de la protostela) que se dirigen hacia los apéndices, finalizando en la base de éstos sin llegar a alcanzarlos, en P.flaccidum y P.complanatum [74].
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- Estructuras reproductoras del esporofito.
Los esporangios son de tipo eusporangiado, sin indusio, que se presentan encapsulados en sinangios globosos en número de tres, y en raras ocasiones de dos o cuatro. La estructura sinangial mide 1-1,5 mm y está sustentada adaxialmente por un apéndice bifurcado (fig. 2-D pág 6). No hay verdadero tapete, es un tapete plasmodial, un fluido irregular nutritivo entre las capas del esporangio y los esporocitos [14]. Los esporangios se abren por fisuras lon- gitudinales. Las isósporas son monoletas, ovoides o reniformes, subapicales con perisporio rugulado, y superficie poco ornamentada. Hay más de mil por esporangio, y miden 50-80 μm.
- Morfoestructura y órganos reproductores del gametofito.
El protalo gametofítico mide 2-6 x 0,5 mm, es axial, fusiforme y con simetría radial, está formado por células isodiamétricas y rizoides. Es incoloro y subterráneo con nutrición heterótrofa de los productos de la simbiosis con hongos en su corteza. No suelen estar vascu- larizados, sin embargo Holloway [39], descubrió en Nueva Zelanda, protalos anormalmente grandes (>1 mm de ancho), provistos de una estela central de algunas traqueidas anilladas y escalariformes rodeadas de un poco de floema y un endodermo. A veces la estela se reduce a algunas células alargadas indiferenciadas. Estos protalos vascularizados eran diploides, y sus esporofitos correspondientes tetraploides.
Dioico, un mismo gametofito produce anteridios y arquegonios. Los arquegonios se forman después que los anteridios, tienen un cuello de 4 a 6 células caduco (carácter raro en el resto de Monilophyta, también lo tiene el briófito Anthocerota) [23]. Los espermatozoides son multiflagelados. El embrión es exóscopo sin suspensor.
- Ciclo vital.
Digenético heteromórfico, con alternancia de generaciones diplo-haplofásica con “dominanciae”sporofíticeancuantatlamaño , pero en cuanto al tiempo, es difícil de estudiar al ser los gametofitos subterráneos; se piensa que esta fase gametofítica es muy longeva comparada con las demás plantas vasculares actuales, de hasta tres años; y el esporofito al ser su hábitat térmica e hídricamente estable es perenne con yemas de renovación durante todo el año, caducando los ejes aéreos cada dos años. El esporofito produce isósporas de dispersión anemócora que germinan dando lugar al gametofito [5], que subterráneamente produce arquegonios y anteridios. La oosfera del arquegonio es fecundada por un anterozoide, y de la fecundación, el zigoto diploide desarrolla el esporofito. El desarrollo del embrión esporofítico hasta que emerge a la superficie dura varios años. También posee reproducción asexual por medio de gemas que produce el esporofito.
- Asociación micorrícica.
Ambas fases, esporo y gametofítica poseen asociaciones con micorrizas arbusculares intracelulares [97,8]; dispuestas en las células del parénquima cortical del rizoma esporofítico y de los gametófitos subterráneos de Psilotum y Tmesipteris. El hongo es de la División Glomeromycota d“etipoParis” [87], formando densas acumulaciones de hifas no septadas que se diferencian en vesículas multinucleadas que contienen bacterias y acumulan masas lipídi- cas que cristalizan a medida que envejecen [27].
- Datos citogenéticos.
Su citogenética es muy variable, caracterizada por un gran número de cromosomas (casos tetraploides, hexaploides y octoploides [20]) y un alto valor C (72,7 pg, el más grande de los hallados en Monilophyta [55].
2n = 96, c.100, 104, c.156, c.200, 210, c.307 y c.468 [87]; n = 52, c.100, 104, c. 210.
- Hábitat: Distribución y localización.
Su distribución es pantropical y subtropical [38], encontrándose en las Bermudas, Corea del Sur, E.E.U.U. (Florida y Hawái) y en Japón (norte de Okinawa). También se ha localizado (atribuido a la mano del hombre para ornamentación) en E.E.U.U. (Basutoland, Texas, Arizo- na), en Nigeria y en España, en el Parque Natural de los Alcornocales entre Cádiz y Málaga [3] (La variante de la península ibérica se ha descrito como molesworthae por Salvo, Iranzo y Prada en 1984 [83], la única población europea de esta especie relíctica paleotropical [5]).
Crecen como epífitas en lo alto de helechos arborescentes, palmeras o en la base de los árboles, y también en grietas, cavidades, acantilados de arenisca y depósitos volcánicos [39].
- Nomenclatura.
En los siguientes subapartados de nomenclatura y posición taxonómica de Psilotum re- ferenciaré autores citados de acuerdo con Flora Ibérica [32] y Flora Europaea [31] que no apare- cen reflejados directamente en la bibliografía de esta obra.
Esta planta fue descrita por Linneo [56] en 1753 como Lycopodium nudum. En 1801, Swartz describió el género Psilotum designando como especie tipo Psilotum triquetrum.
Palisot de Beauvois en 1805 al reconocer que el taxón linneano correspondía al nuevo género descrito por Swartz, subordina a éste su epíteto específico, quedando finalmente la nueva combinación como P. nudum (L.) P.Beauv., nombre científico correcto y admitido unánimemente hasta nuestros días. El basiónimo Lycopodium nudum y Psilotum triquetrum, son por tanto nombres científicos sinónimos, claros exponentes de los primeros avatares inter- pretativos.
- Posición de Psilotum en las clasificaciones taxonómicas.
En 1855 Griff & Henfr. instauraron la familia Psilotaceae que contiene dos géneros, Psilotum y Tmesipteris (Swartz). El Orden Psilotales se propone en 1883 por Prantl, y tiene una sola familia, Psilotaceae. Posteriormente se establece la Clase Psilotopsida, también mo- notípica, en 1909 por Scott. Y finalmente la División Psilophyta (=Psilotophyta) en 1927 por Heintze. Estas categorías taxonómicas manifiestan las singularidades del género y la dificul- tad para encontrar relaciones de afinidad con otros grupos de plantas vasculares dispersoras de esporas. Si bien la familia Psilotaceae está bien afianzada y aceptada con unanimidad por parte de los taxónomos, no ocurre lo mismo en lo referente a su posición sistemática de alto rango, como por ejemplo Abbayes [1] que propuso que el Orden Psilotales está dentro de la Clase Psilofitíneas junto con el Orden Rhyniales (fósiles del Devónico), o la propuesta de Bierhorst [11] de considerar Psilotaceae dentro de la clase de Filicopsida, o la propuesta más extendida [93,43] de considerar Clase Psilotopsida dentro de la División Pteridophyta junto con las clases Lycopodiopsida, Equisetopsida y Filicopsida.
Para establecer un consenso manejaremos la clasificación taxonómica publicada recientemente de Smith et al. 2006 [88], basada en los datos moleculares y morfológicos. Las plantas vasculares (División Tracheophyta) se dividen en dos grupos monofiléticos, (Subdivisión) Lycophytina y Euphylophytina. Dentro de Euphylophytina se divide en dos grupos (Infradivisiones), Espermatomorpha y Monilimorpha (coloquialmente espermatofita y monilofita). El grupo monofilético Monilophyta (=Moniliformopses, sensu Kendrick & Crane [48], procedente del latín, forma de collar de los lóbulos de protoxilema en un corte transversal del tallo), lo componen cuatro clases:
- Clase Psilotopsida: Compuesta de dos órdenes, Ophioglossales y Psilotales. Ophioglossales posee una familia, Ophioglossaceae, con cuatro géneros. Y Psilotales tiene una familia, Psilotaceae, con dos géneros, Psilotum y Tmesipteris.
- Clase Equisetopsida: Con el orden Equisetales.
- Clase Marattiopsida: Con el orden Marattiales.
- Clase Polypodiopsida (=Filicopsida). Con 6 órdenes y 33 familias.
Esta clasificación solo incluye organismos vivientes, los géneros y órdenes fósiles los nombraremos de acuerdo con la nomenclatura aplicada por Stewart & Rothwell [91]. También utilizaremos el término clásico que se empleaba para referirse a las plantas vasculares dispersoras de esporas, los Pteridófitos (Monilophyta más Lycophyta).
2- Hipótesis formuladas relativas a las relaciones filogenéticas de P. nudum
1) Psilotaceae pertenece a Lycophyta:
En 1753 Linneo [56] describió a la actual P.nudum como Lycopodium nudum. Las características comunes que sustentaban esta hipóte- sis eran las enaciones uninervadas típicas de Lycophyta, y la consideración de que el eusporangio se desarrolla en posición lateral sustentada por una enación microfílica, asemejándolo a las, a veces, uninervadas enaciones estériles (muy desarrolladas en Tmesiptesris (fig. 1-D pág. 7), el género hermano de Psilotum denro de Psilotaceae), y la posición adaxial de los sinángios en las enaciones bífidas fértiles de Psilotum.
Esta “teoría” fue unánime hasta principios del s.XIX cuando algunos taxónomos comienzan a considerarla distinta del género Lycopodium, y en una familia propia, Psilotaceae [33]. La “teoría”licopodiaslemant uvo vigente avalada por estudios de órganos reproductores [17], pero cada vez más datos refutaban estas observaciones. Se considera que a partir de 1902 con los estudios de Jeffrey [43] sobre el desarrollo del tallo de Pteridófitos, Psilotum y los licófitos son rotundamente diferentes, y así se refleja en la literatura botánica posterior.
2) Psilotaceae son descendientes directos de la flora del Devónico (≈400 M.a.), por sus semejanzas con los fósiles de Rhyniophyta: En 1917 se descubrieron en Rhynie Chert (Escocia) unos estratos Siluro-Devónicos con un excelente registro de flora fósil (fósiles des- critos por Kidston & Lang en 1917 [50]) de las que se consideran las plantas vasculares más simples y antecesoras de todas las Trachaeophyta (plantas vasculares), las Rhyniophyta.
A partir de estos descubrimientos se descartó completamente la interpretación licopo- dial, ya que estos fósiles riniófitos se subdividían claramente desde su inicio en dos Órdenes, los Rhyniales (con esporangios terminales) y los Zosterophyllales (con esporangios laterales con dehiscencia transversal y micrófilos) que se postulan manifiestamente como ancestros directos de las Lycophyta. En la actualidad Zosterophyllales se clasifican dentro de Lycophyta, no como un Orden dentro de Rhyniophyta.
Los Rhyniales (fig. 1-B pág 5) tienen una apariencia macroscópica extremadamente similar a la actual P. nudum. Los esporofitos también son tallos erectos fotosintéticos que se ramifican dicotómicamente que no poseen ni raíces ni hojas, con un sistema de rizomas subterráneos con rizoides unicelulares. Epidermis cutinizada, estomas de estructura simple y micorrizas arbusculares.
La estructura del tallo difiere levemente. En Rhynia (Rhyniales) el parénquima cortical de 3 capas de células clorofílicas y cutinizadas, separada de la zona interna por una capa invadida por hifas fúngicas con productos de digestión fagocitaria que revela una simbiosis con un hongo endófito. No hay endodermo; el córtex interno son células alargadas, con paredes oblicuas, que constituyen el líber rudimentario sin tubos cribosos. En el centro está la haplostela de traqueidas lignificadas con el protoxilema céntrico y metaxilema periférico. En Psilotum hay una epidermis fotosintética cutinizada, debajo células parenquimáticas elongadas con espacios intercelulares y gránulos de almidón, que se vuelve más compacto y sin almidón más internamente. Ocupando el centro del tallo, el cilindro vascular es también protostélico, pero con xilema primario exarco, no mesarco; que se reduce o desaparece en los ejes pequeños, y se convierte en un cilindro acanalado en los ejes aereos [7] que se va lobulando (en forma de actinostela) hasta 10 veces en polos exarcos.
Las Rhyniales poseían eusporangios claramente terminales en los ejes principales. Los sinangios de Psilotaceae han sido interpretados como eusporangios terminales sobre tres ra- mas extremadamente reducidas que son laterales o pseudolaterales con respecto a los ejes principales, que resultan de dos dicotomías sucesivas [29]. Las observaciones experimentales de Rouffa [80] corroboran esta interpretación. Ambos grupos poseen isosporas y carecen de anillo de dehiscencia.
Los gametofitos de Rhyniales se considera que eran monoicos, tan solo se ha encon- trado un anteridio esférico pedicelado emergiendo claramente sobre la epidermis. Los arque- gonios estaban hundidos en los tejidos, como en la mayoría de Pteridófitos. Estos gametófitos fósiles eran rastreros, la cara superior con estomas era muy probablemente clorofílica. Poseía una capa simbiótica y una estela central extraordinariamente semejantes a las del rizoma de la fase esporofítica. En Psilotum, el gametófito es un protalo cilíndrico dioico, que puede estar vascularizado [39,6,38], y en estos casos, la disposición y apariencia de los tejidos conductores es exactamente igual en ambas generaciones [27]; así como las estructuras de la relación fúngica endofítica también es exactamente igual en el gametofíto y esporofíto [27].
Esta interpretación filogenética se cuestiona fundamentalmente por la falta total de re- gistro fósil, los macrofósiles Rhyniofitos desaparecen completamente a partir del Carbonífero inferior (340 M.a.)[22].
3) Psilotaceae pertenecen al Orden Filicales (Filicopsida) de la familia de las Gleichenaceae próximas al género Stromatopteris: La primera sugerencia de que las Psilotaceae eran Helechos del tipo de Filicales se remonta a 1908, cuando Sykes [94] a partir del estudio de la forma de la masa xilemáticaenlbaasedeeljede“lfronde”de Tmesipteris, observó que esta masa tenía forma de C, como en la mayoría de los Filicales.
La“teoría”predominanteenla s publicaciones científicas era considerar a las Psilotaceae como descendientes directos sin apenas cambios desde rhyniófitos, por los datos aportados por el registro fósil y los gametofitos vascularizados; pero Bierhorst en 1954 [7] estudiando el origen de la ramificación de la parte aérea de Psilotum nudum, vio en la ontogenia de las bifurcaciones, que la célula madre apical no se dividía en dos células apicales hijas (tal y como se define una ramificación dicotómica), sino en una célula lateral y otra proximal de las cuales una cesa su función de célula apical, y la otra continúa dividiéndose como ocurre en las pseudodicotomías [77,96]. Proponía entonces que estas bifurcaciones no serían dicotomías, sino pseudodicotomías del tipo que poseen los Filicopsida. Este carácter ontogénico es imposible de vislumbrar en los restos fósiles, por lo que es plausible que suceda lo mismo con la interpretación de ramificación dicotómica de las plantas fósiles, que la apariencia macroscópica de dicotomías de Rhiniophyta, corresponda en realidad, si analizásemos su ontogenia, a pseudodicotomías isotomizadas como en P.nudum.
Bierhorst [13] también relacionó algunos caracteres del desarrollo y estructura del em- brión y del gametófito de Stromatopteris, Schizaea y Actinostachys (todos Filicopsida), con Psilotaceae. Afirmó que los gametófitos de estas especies eran subterráneos, heterótrofos, axiales, cilíndricos y con simetría radial, y el meristemo apical consistía en una sola célula con tres caras de división.
La estructura del gametofito se consideraba un carácter taxonómico significativo y estable, pero se ha comprobado que posee una gran variabilidad dentro de los grupos taxonómicos; por ejemplo también poseen este tipo de gametofitos algunos Lycopodialles, algunos Sphenophyllales y Ophioglossaceae [98]. Los gametofitos tienen la pared cutinizada (incluidos los rizoides) y todos poseen hifas fúngicas. También tienen en común los rizoides septados. Del mismo modo ve similitudes [13] en los arquegonios, con paredes celulares engrosadas, y anteridios revestidos superficialmente de una sola capa de células gruesas, que considera del tipo de los filicales. En cuanto a las similitudes en el embrión, argumenta que son exóscopos.
Psilotaceae y Stromatopteris poseen en los ejes subterráneos una protostela con la masa xilemática irregular, y un metaxilema con patrones de maduración temprano y tardío, en el cuál los polos iniciales de maduración están o en posición mesarca o exarca. En las partes más pequeñas de los ejes subterráneos, una pequeña protostela sin protoxilema ni patrón de maduración, afirma que son las únicas plantas vasculares en las que existe esta estructura histológica. También señala que es idéntica la estructura estelar en la transición del rizoma a los tallos aéreos en ambos géneros, si considerásemos homólogos los ejes aéreos de Psilotaceae con las megáfilas de Filicales. El córtex de eje subterráneo está compuesto por un parénquima con paredes gruesas e impregnadas de polifenoles oscuros, que es característico de los filicales.
Respecto a la presencia de raíces en Stromatopteris, afirma [13] que el embrión en sus primeras fases no tiene raíces, y considera que Psilotaceae posee raíces vestigiales que por reducción ahora no aparecen. En lo que atañe a que Psilotaceae posea eusporangios en vez de leptosporángios como los Filicales, interpreta que el esporangio de Psilotaceae es leptosporangiado, ya que considera que posee dos capas de células protectoras más las del tapete, no de cuatro a seis capas protectoras como corresponde a la estructura típica de un eusporangio. Considera las esporas de Psilotaceae como de Filicales por el perisporio igualmente rugulado, la forma de judía, la estructura monoleta y una superficie poco ornamentada (Lugardon [58] señaló que“lasesporasdePsil otaceaeeranabsolutamente idénticalasdaFeilicales”).
El número cromosómico de Psilotaceae es n=52 y a veces 104 y 208, mucho más que cualquier Filical, pero todos son múltiplos de 13, que es el número cromosómico caracterís- tico de los Filicales.
Así que concluye [13] que Psilotaceae pertenece a Filicales, muy próximo al género Stromatopteris (fig. 2-C pág. 6), de la familia Gleicheniaceae. Y basándose en estas similitu- des, infiere [11,13] otras homologías de caracteres morfoestructurales con los de Filicopsida, como que las partes aéreas bifurcadas de Psilotaceae son consideradas ejes de frondes megá- filas (hojas) y lo que denominan enaciones o apéndices serían pinnas de la megáfila (en Psilotum más reducido que en Tmesipteris), y los apéndices bifurcados que sustentan el sinangio serían esporófilos abaxiales como los de Filicopsida pero invertidos hacia arriba.
4) Psilotaceae posee un rango taxonómico independiente de las actuales Lycopodiopsida y Filicopsida y de las extintas Rhynipsida: El taxónomo W.H. Wagner [98] revisó la importancia taxonómica de los caracteres utilizados por Bierhorst, argumentando que los caracteres conservativos (sinapomorfías que se mantienen y definen a un grupo desde su origen) de Filicopsida (solo crecimiento primario, megáfilas, leptosporangios, soros, raíces, tricomas epidérmicos no rizoidales, etc.) no se encuentran en Psilotaceae. Y otros, que se consideraban caracteres muy estables, como el tipo de estela o caracteres del gametofito se han comprobado que poseen una gran variabilidad dentro de los grupos taxonómicos. Además comparó él mismo [98] los esporangios (la organización de la pared capsular, número de esporas, la posición y el tapete), las esporas, los gametófitos, la vernación y los apéndices subterráneos (tricomas, rizoides, etc) y concluyó que esos caracteres son de naturaleza morfogenética fundamentalmente distinta a los de Filicopsida, Lycopodiopsida y Rhyniopsida del Devónico. Sería un error situar las Psilotaceae (con sus caracteres distintivos como esporangióforos bífidos, sinangios de eusporangios, apéndices estériles simples, sin raices, y patrones propios de desarrollo del gametofito y el esporofito) en una de estas clases, posee un rango taxonómico distinto (Psilotophyta = Psilotopsida), cuyas relaciones taxonómicas con- tinúan siendo enigmáticas.
Duckett & Ligrone [27] afirman además que las Psilotaceae poseen características úni- cas dentro de Trachaeophyta en las células conductoras de ambas generaciones, como tilacoides dispersos en los plastos de los elementos del floema que contienen compuestos gra- nulares, esférulas refractarias y agregaciones de mitocondrias unidas mediante elementos fi- brilares opacos a los electrones, nunca descritos en otros organismos, que reafirma esta hipótesis.
5) Psilotaceae forma un grupo monofilético con Ophioglossaceae: Las Ophioglossaceae (fig. 2-A y 2-B pág. 6) han sido también asignadas y reasignadas en distintos grupos taxonómicos [90]. Actualmente, basado en los análisis moleculares, se sitúan Ophioglossaceae como grupo hermano de Psilotaceae dentro de las Psilotopsida, en el clado monofilético de Monilophyta [88].
Ambos, Psilotaceae y Ophioglossaceae poseen gametófitos subterráneos tuberosos o alargados, incoloros que poseen simbiosis con micorrizas arbusculares de Glomeromycetes que les sustentan. Son eusporangiados, y estos esporangios con varias capas de células están fusionados con otros formando sinangios con isosporas. Los rizoides en el gametofito son septados (al igual que en algunos Filicopsida). Las yemas subterráneas en el rizoma esporo- fitico y el tipo de ontogenia de los estomas son idénticas [22].
Ambos poseen sifonostela. Ophioglossaceae poseen traqueidas con punteaduras espiraladas al igual que Psilotum. Se ha descrito la presencia de cambium vascular y xilema secundario en Ophioglossaceae, es el único dispersor de esporas viviente que posee xilema secundario. En Psilotum encontramos referencias de traqueidas secundarias [15,16,1] (cf. pág. 5). En ambos, la calosa no está presente en los elementos conductores del floema en ningún mo- mento del desarrollo [30,65].
La hoja de Ophioglossaceae ha representado también grandes dificultades para interpretar su filogenia y afinidades con otros grupos [90]; está dividida en dos partes, una con lámina especializada en la fotosíntesis (trofóforo), y otra lámina reducida que nace en la base del pecíolo, portadora de esporangios (esporóforo) (fig. 2-A y 2-B, pág. 6). No tiene vernación circinada, a diferencia de los demás helechos con megáfilos conspicuos.
3- Análisis cladísticos genético-moleculares
La revisión de los datos referidos a Psilotum en los estudios moleculares, nos muestra que este género ha sido incluido en análisis de muy distinto alcance, probablemente por la controversia interpretativa que generaba, y aún así hoy sigue generando. Su posición en los cladogramas basados únicamente en caracteres moleculares, como pruebas independientes de los realizados con caracteres morfológicos, debería por tanto clarificar esta antigua controversia.
Los primeros análisis en los que se incluye a Psilotum, estaban orientados principal- mente a dilucidar los nodos evolutivos de alto rango en el reino Plantae (Algas verdes s.l. + Embriofita), por tanto ofrecen poca información relacionada con nuestro objetivo. Utilizaban taxa representativos de los grandes grupos, no obstante la posición de Psilotum en estos pri- meros cladogramas sirve en líneas generales para entender su ubicación entre las plantas vas- culares.
En 1985 Hori y colaboradores [41] obtienen un árbol filogenético con secuencias del 5s rRNA citoplasmático de 28 taxa (7 algas verdes, 4 Briófitos, 13 Spermatofitas y 4 Pteridofitas [ Psilotum, Lycopodium, Equisetum y Dryopteris ]). Entre sus resultados se muestra que en el grupo de las plantas terrestres hay una primera separación entre la línea de plantas con semi- llas y la de plantas dispersoras de esporas (pteridófitos + briófitos). Dentro de la rama pteridofítica, la posición basal corresponde a Psilotum, seguido de Lycopodium. Estos resulta- dos les permiten establecer entre otras conclusiones que Psilotum es la planta vascular más antigua, y que su simplicidad morfológica es debida a su antigüedad filogenética . Las interpretaciones filogenéticas utilizando el 5S rRNA han sido criticadas [18,19,76] por la homoplasia producida por la estructura secundaria que adquiere este RNA.
En la década de los 90 se secuenciaban numerosos genomas plastidiales. Manhart [59] secuenció el rbcL plastidial de 35 géneros (12 algas verdes, 6 briófitos, 3 licófitas, 7 esper- matofitasy7“helechosyafines”: Angiopteris, Equisetum, Lygodium, Marsilea, Psilotum, Botrychium y Ophioglossum); uno de sus objetivos era esclarecer las relaciones filogenéticas entrleapslantatserrestresp,articularmentdeleo“shelechoyasfinesR”e. alizva arios análisis dando distinto pesaje a la posición de nucleotidos. Los resultados son distintos dependiendo de cada análisis, y en los árboles consenso que obtiene se aprecian muchas policotomías, que no resuelven las relaciones de parentesco entre los grandes grupos; como el propio autor con- cluye“, egl enderbcLproveepocaresolu ción de las relaciones filogenéticas de todas las plantas terrestres, ya que tiene altos niveles de homoplasia por el RNA editing, posibilidad de pseudogenes, tasas de evolución distintas, etc.”.
A pesar de las dificultades interpretativas de los cladogramas consenso que presentan abundantes policotomías, cabe destacar que en la mayoría de sus cladogramas, aparece Psilotum como grupo hermano de Ophioglossaceae (Ophioglossum + Botrychium), y avan- zamos que esta pauta de emparejamiento será la tónica general en los posteriores análisis moleculares.
Posteriormente Manhart [60] acumuló secuencias del 16S rDNA plastidial de 25 espe- cies de algas charofíceas y plantas terrestres (2 charofíceas como grupo externo, 2 briófitos, 8 espermatófitos, 3 licófitos, 4 leptosporangiados, 2 ophioglossaceas, Equisetum, Angiopteris, y las psilotáceas Tmesipteris y Psilotum). En sus resultados también aparecen Psilotaceae (Ps) y Ophioglossaceae (Op) como grupo hermano, y este clado (Ps+Op) como grupo hermano de Lycophytina + Espermatophytina, y este conjunto parafilético al resto de Pteridophytina.
Pryer y colaboradores [69,70] recopilaron secuencias de 5000 bp de genoma plastidial [rbcL [68], atpB [100], rps4] y nuclear 18S rDNA [53] de 62 taxa (3 licófitos, 6 espermatófitas, 2 psilotáceas, 2 ophioglossáceas, 2 esfenópsidos, 3 marattiaceas y 44 leptosporangiados), utili- zando como grupo externo a los licófitos. Su objetivo era resolver las relaciones filogenéticas y evolutivas de los Monilophyta, con especial atención a las divergencias de leptosporangia- dos. Obtiene tres cladogramas similares con distintos métodos, y presenta el consenso (fig. 3 pág. 16) en el que las Psilotaceae Psilotum y Tmesipteris son grupo hermano de Ophioglossa- ceae; y este clado es basal a los Equisetopsida, Marattiales y helechos leptosporangiados; este clado monofilético está bien definido con un sólido apoyo del índice de consistencia.
Yin-Long Qiu [72] analizó las relaciones filogenéticas de una gran cantidad de plantas terrestres mediante la comparación de tres bases de datos: una supermatriz de multigenes, una matriz de caracteres estructurales genómicos y una matriz de las secuencias genómicas plasti- diales; obteniendo resultados semejantes a los anteriormente expuestos por Pryer [70].
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Figura 3. Cladograma molecular. basado en secuencias genomicas de 3 y rps4) y uno nuclear (18S rONA) analizados genes plastidiales (1·bcL, atpB con el metodo de maxima verosimilitud. Los numeros de los nodos X I Y indican, X:porcentaje de aparici6n de ese nodo en los distintos cladogramas resultantes por maxima verosimilitud (ML): Y:por maxima parsimonia (MP). Si aparece un signo - significa que aparece menos del 50% de los cladogramas. Enraizado en Briophyta. Lineas zig-zagueantes indican conflicto enhe los analisis de ML y MP. La longitud de los brazos es proporcional al numero de sustituciones nuclaotidicas. Psilotaceae indicadas mediante flecha. Modificado de Pryer et al. (2001).
4- Otros análisis
Rothwell [79] realizó un análisis cladístico usando 101 caracteres morfológicos de 52 taxa de plantas vasculares, tanto vivientes como extintas. Obtu- vieron el siguiente cladograma (fig. 4 pág. 17) enraizado en Aglaophyton major (Rhynia major): Estos resultados se opo- nen a las interpretación de Bier- horst [11,13] de similaridades mor- fológicas y anatómicas entre Psilotaceae y el filical Stroma- topteris, retorna a la tradicional interpretación de que Psilotum y Tmesipteris son más cercanos a Rhyniófitos y son basales a to- dos los demás grupos de traqueófitos vivientes. En estos análisis tampoco resultan cercanos a las Ophioglossaceae.
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Figura 4: Análisis cladístico basado en 101 caracteres morfológicos de plantas vasculares vivientes y fósiles (indicados mediante †). Grupo externo Aglaophyton major (Rhyniophyta). Psilotaceae señalada con flecha. Indicado entre paréntesis el número de géneros analizados. Modificado de Rothwell 1999.
En un estudio sobre el valor C de las plantas terrestres [55], se analizaron 63 especies de Monilophyta de las 11.000 reconocidas; aunque el número es bajo, consideran que son sufi- cientemente representativas (fig. 5 pág. 18). Se aprecia que P.nudum posee el genoma más grande (72,7 pg) de los Monilophyta, seguido de Ophioglossum petiolatum (65,6 pg), ambos muy superiores a todos los demás Monilophyta (13,6 pg de media). Infieren que Psilotum y Ophyoglossum son un grupo que se separó muy tempranamente de las demás Monilophyta, produciéndose en ellas una expansión genómica masiva. Según la experiencia citogenética de Jaime Gonsálvez (comunicación personal), los organismos con más cantidad de DNA, tienen menos capacidad de cambio (evolutivo), con respecto a los organismos con menos DNA.
Existen otros estudios, fundamental- mente bioquímicos que buscan trazar las rela- ciones filogenéticas de Psilotum, y muestran cada uno afinidades de parentesco diversas. Como los estudios bioquímicos [24] sobre flavonoides sintetizados en Pteridophyta, señalan que Psilotum presenta distintos al resto de los Filicales. Mientras Psi- lotum posee exclusiva- mente amentoflavona y algunos biflavonoides, todos los afines a helechos y todos los Filicales, tienen las mismas proantocianidinas y flavonoides. O la comparación de histonas vegetales [89] que determina que todas las proteínas histónicas son iguales en todas las plantas terrestres, menos un tipo de histona, que es común en Psilotum y en el briófito Polytrichum juniperinum. O las secuenciaciones y estudios comparados de algunas superfamilias de genes, como el del fito- cromo [51] que determinan que Lycopodium y Equisetum son ancestrales a todas las demás Traqueophyta, y ancestral también a Psilotum; o genes de la familia de las chalcone-synthase [4] que separan a Psilotum y Equisetum de las demás Traqueophyta.
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Figura 5: Cladograma de filogénia molecular (a la izquierda) a partir de Pryer et al. 2001 (entre paréntesis el número de especies que se ha analizado su valor C). A la derecha los datos del valor C en picogramos de cada grupo (indicada la media, y entre paréntesis el intervalo). Extraído de Leitch et al. 2005.
Renzaglia y Garbary [76], en un exhaustivo trabajo de análisis de caracteres de esper- matogénesis de pteridófitos, no encuentra evidencias de la relación entre Psilotum y los eus- porangiados ni con Stromatopteris. Renzaglia analiza detalladamente la organización celular, el número, la estructura y la posición de los orgánulos. Hace una revisión comparada de es- permatogénesis y la evalúa en un contexto filogenético. Afirma que los datos de esperma- togénesis no sugieren la relación de Psilotum con los helechos eusporangiados, aunque en el cladograma basado en sus observaciones encontramos a Psilotum entre Equisetum y Botrychium, dentro del clado de los helechos. Sin embargo, reconoce que existen especies que difieren en el desarrollo y ultraestructura del espermatozoide en especies dentro del mismo género, como por ejemplo ocurre en Sellaginella y Huperzia.
Discusión
Todas las hipótesis enunciadas cuentan con argumentos a favor e incongruencias in- terpretativas; por este motivo es prácticamente imposible formular una hipótesis unificada a partir de ellas.
- Comenzando por la hipótesis 1ª de que las Psilotaceae forman parte de Lycophyta, consideramos errónea la interpretación de que los esporangios sean laterales con un micrófilo sustentándolos, como ha quedado demostrado con los estudios del desarrollo del tallo en Pteridófitos [43]. Además Lycophyta posee hojas de tipo microfílico o licófilas, de origen diferente a los megáfilos de Euphylophyta; que se desarrollan exclusivamente por crecimiento intercalar, o sea por una actividad meristemática de organización difusa en torno a la base de la licófila, no apical como ocurre en las megáfilas [71]. En Psilotaceae, los apéndices desarrollan crecimiento apical, al igual que en las pinnas de megáfilas filicales (según Bierhorst [9] los apéndices y las pinnas serían estructuras homólogas).
Tmesiptesis (Sw.) (fig. 1-D pág. 5) es el género hermano de Psilotum dentro de las Psilotaceae. No se han hallado referencias bibliográficas que pongan en duda esta conjunción, y los análisis moleculares así lo confirman (c.f. pág. 14). Pryer [70] mediante sincronización cronológica molecular, infirió que la separación evolutiva de Psilotum – Tmesipteris se pro- dujo hace 88 M.a.. Tmesipteris ostenta enaciones de hasta 4 cm con un único haz vascular, y enaciones bífidas fértiles también uninervadas de similar tamaño sustentando a los sinangios adaxialmente (fig. 1-E pág. 5). La reconstrucción filogenética de las estructuras de Lycophyta es factiblemente trazable por la relativa abundancia de fósiles Zosterophyllales y prelycófitos. Sin embargo por la ausencia de fósiles de Psilotaceae, se desconoce el origen y filogenia de las estructuras de Tmesipteris, y de Psilotum, no pudiendo saber empíricamente cuál es el estado de carácter plesiomórfico (ancestral), si las enaciones reducidas y anervadas de Psilotum o las más desarrolladas y uninervadas de Tmesipteris.
Asimismo nos percatamos del error en la interpretación de que Psilotaceae tenga los esporangios de inserción lateral en la cara adaxial de la micrófila, como ocurre en Lycophyta, tal como demuestran los experimentos de Rouffa [80,81] con especímenes cultivados excepcionales de P.nudum, que sometiéndolos a un fotoperiodo largo, inducía la elongación exagerada de los tallos portadores de sinangios, apareciendo éstos, tangible e indudablemente terminales, y a veces más de 3 fusionados en sinangio, y también obtuvo variantes sin apéndices bífidos sustentadores de sinangios. La interpretación de Rouffa [82] es que los ejes fértiles (presumiblemente condensados) con sinangios terminales, derivaron desde formas ancestrales de Rhyniophyta, como se aprecia en los cambios acontecidos en el género fósil Renalia [35] (fig. 1-C pág. 5), del Devónico inferior, donde se observa una tendencia a la condensación de esporangios como resultado de una reducción en las ramas laterales fértiles.
Rouffa [82] sostiene que existen suficientes evidencias para afirmar que los esporangios de Psilotum forman un sinangio que procede de un sistema condensado de ramas fértiles con esporangios terminales,asociadosconunaunidad“ foliar”dicótoma,porprocesosde reducción, condensación y fusión lateral de los telomas fértiles.
Cabe decir que esta teoría no obtiene apoyo por parte de ningún análisis molecular (cf. pág. 14), bioquímico, ni posee un desarrollo espermiogénico afín [76] (cf. pág. 18).
- En cuanto a la 2ª suposición de que Psilotum es descendiente directo de Rhyniophy- ta, la carencia absoluta de fósiles en un intervalo de 300 M.a. desde el Carbonífero Inferior (cuando se consideran extintas las Rhyniophyta) hasta el Eoceno Inferior (cuando aparecen los primeros fósiles de Psilotaceae, desde entonces en estasis morfoestructural), es un obstáculo substancial y hace considerar esta teoría difícil de defender.
Tmesipteris genera otra importante dificultas a la hora de mantener esta hipótesis, que surge al intentar interpretar los apéndices desarrollados y aplanados de vascularización uninervada que miden de 1 a 4 cm (fig. 1-D pág. 5). Como el registro fósil de Tmesipteris es también nulo (solo desde el Eoceno [21]) no se puede evidenciar si estos apéndices surgen del extradesarrollo de los apéndices estériles del tipo de Psilotum, o si los de Psilotum son una reducción desde un organismo con los apéndices más desarrollados del tipo de Tmesipteris. Algunos Rhyniophyta poseían expansiones epidérmicas sin vascularizar en los ejes aéreos, que desaparecieron progresivamente con la aparición de estructuras telomáticas (megáfilas) más eficientes para la fotosíntesis [91].
Sin embargo constan otras evidencias que sustentan esta hipótesis, como el arquegonio con cuello de 4 a 6 células caduco (carácter raro en el resto de Monilophyta, que también está presente en los briófito de la Clase Anthocerotopsida [23]) o las micorrizas de tipo arbuscular, que es el más antiguo del registro fósil, existen esporas fúngicas de la División Glomeromycota desde el Ordovícico (460 M.a.)[73], y macrofósiles arbusculares desde la flora de Rhynie Chert (400 M.a.)[75] que avalan este postulado.
- Respecto a la 3ª interpretación de que Psilotum sea filical propuesta por Bierhorst [13] (c.f. pág. 11), los análisis cladísticos de caracteres morfológicos [79] (c.f. pág. 17), así como los moleculares (c.f. pág. 14) no relacionan de ningún modo las Psilotopsida con estos Filicopsida. No obstante existen pruebas moleculares que apoyan esta hipótesis, por ejemplo ambos poseen una proteína relacionada con un fitocromo idéntica [84].
Bierhorst [10] propone que el fronde de algunos géneros de Hymenophyllales (Filicopsida), como Gleichenia, Stromatopteris y Actinostachys no tienen las“hojasno apendiculares” diferenciadas en tallos por completo, sino que poseen una capacidad pluripotencial para desarrollar otras estructuras que no sean tallos. Además de esta propuesta (no compartida por muchos descriptores botánicos [85]), Bierhorst [12] concibe que los apéndices estériles de P.nudum también poseen el carácter pluripotencial de dar ramas modificadas, y estima que la ontogenia de las pinnas del fronde de Stromatopteris es homóloga a la de las enaciones de P.nudum. Basándose en esto argumenta que cada eje aéreo de P.nudum que parte del rizoma es por tanto homólogo a una megáfila Filical. Criticamos esta interpretación de homología de Bierhorst, ya que ésta no explicaría la posición adaxial del sinangio de P.nudum. Las descripciones de Bierhorst han sido profusamente criticadas por su carácter simplificador, ambiguo y de consideración subjetiva; como por ejemplo calificar al eusporangio de Psilotum como un leptosporangio con varias capas de células externas, cuando poseen un desarrollo ontogenético distinto [85]. El eusporangio se desarrolla a partir de un cúmulo de células meristemáticas internas, tiene varias capas de células protectoras y produce más de 2000 meiosporas, mientras que el leptosporangio se desarrolla a partir de una única célula superficial del esporófilo, tiene una o dos capas de células protectoras y produce casi siempre 64 meiosporas. Y como hemos mencionado, los esporangios de Psilotaceae están en la cara adaxial de la enación fértil, mientras que en filicales, los leptosporangios están en el borde o en la cara abaxial de las pinnas de la megáfila fértil [92,22]. Kaplan [45] tampoco está conforme con que el fronde de Stromatopteris sea un órgano homólogo a los segmentos ramificados aéreos de Psilotum y Tmesipteris. Critica la interpretación de las fotografías de Bierhorst sobre la organogénesis de Stromatopteris, tachando la descripción de demasiado simple, y afirmando que sus interpretaciones del desarrollo del tallo tienen bases erróneas e inadecuadas que no concuerdan con las extensas descripciones realizadas por otros botánicos [85]. Y concluye que la hoja de Stromatopteris es apendicular y con idéntico desarrollo a la del resto de Filicales, mientras que los ejes aéreos de Psilotaceae no tienen el mismo desarrollo.
También es tachable de simplista su descripción aportada en cuanto a la peculiaridad del patrón de maduración del tejido vascular [13](c.f. pág 12) que considera idéntico y único en los géneros Psilotum y Stromatopteris, al referirse a él, como“masxailemá ticiarregular” , sin especificanradma ás“,patronedsme adurac ióntempranoytardío”o“,enposiciónmesa rca o exarca”e;staesxpresioneesmncionsideraciópn resentaun alto grado de indefinición.
Consultando el registro fósil, no figuran evidencias directas del ancestro de Psilotaceae, sin embargo aceptando esta interpretación de Bierhorst [12] de la morfología del fronde de Hymenophyllales y Psilotaceae se pueden encontrar [36] patrones parecidos en fósi- les de helechos carboníferos del tipo de los Coenopteridales, incluyendo Psalixochlaena cilindrica [40], Ankyropteris grayi [28,67] y Botryopteris [33,66,67], en los cuales el tallo produce una ramificación lateral, y esta ramificación se divide para producir, un tallo y una hoja, o dos tallos, o un tallo y una yema, o una hoja y una yema. Esta pluripotencialidad es similar a la descrita por Bierhorst [12]. Se debe investigar este carácter ontogénico, y afinar más en las ob- servaciones de estos grupos fósiles para intentar encauzar nuevas hipótesis sobre alguna línea evolutiva escurridiza que se nos escapa.
Las propuestas de Bierhorst marcaron la tendencia taxonómica de considerar a la familia Psilotaceae dentro de Filicopsida, pero en la actualidad los tratados de botánica omiten esta hipótesis por las incongruencias interpretativas mencionadas. Sin embargo son admira- bles las nuevas perspectivas que aportó a las observaciones y la valiente contribución de su hipótesis. Y aún hoy, algunas de sus aportaciones generan controvertidos enigmas para refutar las demás hipótesis, como que la dicotomía en realidad es una pseudodicotomía isotomizada (c.f. pág. 11), las esporas idénticas en Psilotaceae y Filicales, o las semejanzas observadas en el desarrollo de embriones y gametofitos, que aunque actualmente se consideren esos carac- teres con una significación taxonómica relativamente baja (por la homoplasia y variabilidad dentro de los mismos grupos) continúan siendo certezas a tener en cuenta.
- El parentesco con Ophioglossaceae se corrobora rotundamente con los datos mole- culares (posee 100% de soporte de las medidas cladistico-probabilísticas características: Bayesian posterior probability, maximum likelihood bootstrap y maximum parsimony bootstrap [70]) pero manifiestan pocas afinidades estructurales aparentes. Se debe profundizar e indagar más mediante estudios de genética del desarrollo (Evo-Devo) por ejemplo, para intentar esclarecer correlaciones de los caracteres morfoestructurales, como los esporangióforos, sinangios, estela, yemas, rizoides, esporas, o el tipo de simbiosis que posiblemente por su alta homoplasia ocultan las homologías. En el caso de ser homólogas, tendrán rutas y roles genético-funcionales equivalentes dentro del interactoma, y podríamos concluir que estas similitudes macroscópicas simplificadas, u otras estructuras que no tengan una manifiesta semejanza, sean debidas a unos mecanismos evolutivos moleculares comunes. Y si no poseen mecanismos ontogénicos en común, concluiríamos que son órganos análogos.
Pero no se deben tener en exclusiva consideración los recientes datos moleculares (desde 1994 [59]), como está acaeciendo en las modernas clasificaciones taxonómicas, olvi- dando por completo los datos de las observaciones morfológicas acumulados desde las prime- ras clasificaciones taxonómicas del s.XVIII. La afinidad de Psilotaceae con Ophioglossaceae nunca se había propuesto por compartición de caracteres morfológicos; fue a raíz de los re- sultados de los análisis moleculares cuando Wolf [100] propuso caracteres sinapomórficos compartidos del grupo monofilético Psilotaceae + Ophioglossaceae (c.f. pág. 13-14), que eran crípticos debido a su simplicidad morfológica, y además estas sinapomorfías no son únicas (autopomorfías) de estos grupos, las poseen otros dispersores de esporas, como Lycophyta y Filicopsida como hemos apuntado en resultados.
También es de nuestro interés por su implicación para diseñar otra posible vía de evolución de las Psilotaceae, la interpretación del sistema vascular de Ophioglossaceae realizada por Kato [46], que describe la estela de Ophioglossum comouna“eustela”osistema vascular primario simpodial, al igual que el que poseían algunas Progimnospermas (Devónico-Carbonífero), pero la mayoría de los autores la describen como una sifonostela ectofloica [42,92]. Kato propone la hipótesis de que Ophioglossaceae sean Progimnospermas supervivientes por la presencia de cambium vascular, peridermo, traqueidas con punteaduras anilladas, la anatomía de las ramificaciones auxiliares, los eusporangios solitarios y la vernación no circinada de Ophioglossaceae y progimnospermas. Con los nuevos datos moleculares podemos reconsiderar esta hipótesis y ensamblar que el clado Ophioglossaceae+Psilotaceae sean Progimnospermas supervivientes, ya que las Psilotaceae igualmente poseen traqueidas con punteaduras anilladas, sinangios de eusporangios, vernación no circinada y vestigios de cambium vascular [1,15,16](c.f. pág. 5).
- La hipótesis de Wagner [98] de considerar las Psilotaceae con un rango taxonómico independiente de los demás grupos dispersores de esporas, es la que de momento, dadas las expuestas incongruencias de las otras hipótesis, opino que deberíamos considerar como la más apropiada y coherente. Wagner, en su época refutó la afinidad de Psilotaceae con Filicales, Rhyniophyta y Lycophyta, pero todavía no tenía el conocimiento de que su grupo hermano molecularmente hablando eran las Ophioglossaceae; en la actualidad se considera clado monofilético Ophioglossaceae+Psilotaceae aunque las evidencias morfológicas no sean robustas.
- Mi hipótesis, intentando ser lo más adecuada y congruente, está basada en el postu- lado de Wagner [98], de considerar a Psilotaceae con un rango taxonómico independiente, por sus caracteres únicos y distintivos (c.f. pág. 13), pero también tratando de trazar una historia evolutiva conjunta con Ophioglossaceae a la luz de la contundencia de los datos moleculares, siendo esta labor empíricamente difícil por la carencia también absoluta de fósiles de Ophioglossaceae (tan solo desde el Paleoceno [78], igualmente en estasis morfoestructural en todo su escaso registro fósil). Pryer [70] obteniendo una sincronización cronológica de eviden- cias fósiles y cambios moleculares de Monilophyta plasmados en la escala cronoestratigráfica, calculó que la divergencia del grupo Psilotaceae+Ophioglossaceae del resto de Monilophyta se produjo en el Devónico Superior (364 M.a.), y la separación de Ophioglossaceae y Psilotaceae en el Carbonífero Superior (306 M.a.). Estos datos darían apoyo a esta teoría, las Ophioglossaceae y Psilotaceae son descendientes directos de la gran diversidad de especies que tuvieron lugar desde Trimerófitos (descendientes de Rhyniophyta) en el Devónico Supe- rior, cercanas a las Progimnospermas (también supuestamente descendientes de Trimerófitos). Por la inexistencia total de fósiles es imposible establecer los precursores anatómicos de las estructuras de Psilotaceae y Ophioglossaceae. Las hipótesis evolutivas y filogenéticas son in- minentemente ciegas, manteniéndonos expectantes ante nuevos hallazgos de fósiles de estos grupos.
Existen muchas incógnitas intrigantes en este enigma, como la asombrosa evolución genómica de estas dos familias. Los análisis de la cantidad de DNA [55] en este grupo son difí- ciles de interpretar. Psilotaceae y Ophioglossaceae tienen 72,7 pg y 65,6 pg respectivamente, ambos muy superiores a todos los demás Monilophyta (13,6 pg de media). Además, el alto valor C de estas dos especies se ha producido por procesos citogenéticos diferentes, poliploi- dización en Ophioglossum (con pequeños y numerosos cromosomas, 2n>1440, de 1,5-4,5 μm [44]), y un incremento en el tamaño de los cromosomas en Psilotum (2n= 52, 104, 156, 208 de 4,5-18 μm) [2,49]. Las plantas con semilla descendientes (supuestamente) de Progimnospermas, tienen cargas genéticas de 6,75 pg de media (de 2,3 a 32,2 pg, y alguna excepción de Liliaceae que llega a 127 pg).
Si Ophioglossaceae y Psilotaceae son Progimnospermas supervivientes, han tenido una evolución a nivel citogenético extraordinario y dilemático, que no se corresponde con su relativa simplicidad estructural.
- Apoyándome en la proposición de Kato [46] y prestando atención a las estruc- turas reproductoras de algunas Progimnosper- mas (fig 6 B-F pág. 24), hojas fértiles portadoras de esporangios (ya habían innovado en la heterosporia por lo que eran microsporangios y megasporangios pre- ovulíferos), y a las hojas divididas de Ophioglossacae en esporóforo y trofóforo (fig 6-A pág 24), pro- pongo la posibilidad de que estas estructuras posean algún mecanismo de regulación (creación) ontogénica homólogo al de los esporangió- foros (enaciones) bífidos que sustentan los sinangios de Psilotaceae. Para indagar la verifi- cación de esta hipótesis planteo estudios de la interacción entre los mecanismos genéticos y proteicos que desarrollan estas estructuras.
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- Por último cabe mencionar que esta ingente trama de coincidencias morfoestructu- rales, bioquímicas y genéticas de Psilotaceae con otros grupos, que hace difícil establecer sus afinidades y filogenia, no solo se pueden explicar por el alto grado de homoplasia debido a su simplicidad estructural, sino también por el mecanismo de la Transferencia Horizontal de Ge- nes (THG) que está cobrando un profundo auge con el descubrimiento de cada vez más genes xenólogos (genes homólogos supuestamente transferidos de un taxón a otro de forma no ver- tical) también en plantas (de hongos a plantas (Cytochome-C) [47], de procariotas a plantas [93,63,103], y entre distintas plantas: helecho y angiosperma [25], entre Gnetum (gimnosperma) y Asteraceae (angiosperma) [101]), considerándose un fenómeno impetuosamente común en la naturaleza [57,61,54,102,34,52,95,26,62].
Conclusiones
- PRIMERA: Las propuestas para explicar la historia evolutiva de Psilotaceae son:
1 – Pertenecen al grupo microfílico de Lycophyta.
2 – Ancestros directos sin apenas cambios morfológicos desde Rhyniófitos (ausencia total de fósiles Rhyniófitos desde el Devónico medio (360 Ma).
3 – Descendientes muy modificados desde algún grupo de Filicopsida del secundario (hacia caracteres casualmente similares a los de las primeras plantas vasculares).
4 – Separadas taxonómica y evolutivamente de los demás grupos de plantas vasculares vivientes y fósiles, mostrando características comunes a otros grupos, pero poseyendo muchos otros caracteres únicos, que las distinguen como grupo taxonómico independiente.
5 – Formando, junto a Ophioglossaceae, un grupo basal del clado monofilético de las Monilophyta. Con una evolución poco clara de los caracteres morfoanatómicos por su simpli- cidad estructural. Y con la posibilidad, a partir de las interpretaciones de Kato [46] de ser Pro- gimnospermas supervivientes (o grupo cercano) desde el Devónico superior (350 Ma) o desde las Progimnospermas más tardías del Triásico superior (205 Ma) con diversos cambios evolu- tivos (incluso regresiones) y sin dejar ningún registro fósil hasta la fecha.
Analizando estas hipótesis, concluyo que:
- SEGUNDA: No se puede proponer una hipótesis unificada a la luz del estado actual de los conocimientos.
- TERCERA: No existen suficientes evidencias como para descartar ninguna hipótesis tajante- mente.
- CUARTA: Las hipótesis con más datos rebatibles y susceptibles de ser criticadas son:
- La interpretación licopodial.
- La hipótesis Filical: Considerando las observaciones de Bierhosrt con posibilidad de subjetividad criticadas por muchos botánicos.
- La hipótesis de fósiles vivientes (descendientes de Rhyniofitos).
- QUINTA: La interpretación planteada por Kato [46] sobre la afinidad de Ophioglossaceae con Progimnospermas a partir de la estela, permite sugerir otra vía evolutiva, con la que hipote- tizar la homología de algunos caracteres morfológicos.
- SEXTA: En mi opinión no se puede aceptar unánimemente los resultados moleculares (como se está haciendo en la vanguardia científica), prescindiendo desacatadamente de la recopila- ción y comparación de datos morfológicos llevada a cabo desde 1753.
- SÉPTIMA: Dada la conformidad obtenida de los últimos datos genéticos moleculares [69,70,88,72] que infieren que la máxima relación de parentesco de Psilotaceae es para con Ophioglossaceae, planteo como nuevas vías de investigación estudios profundos en genética del desarrollo y su evolución (Evo-Devo) de Psilotum y los organismos con los que se ha hipotetizado su parentesco por sus similitudes morfoestructurales, para tratar de esclarecer el significado y las posibles correlaciones de los caracteres moleculares genéticos con los morfoestructurales; y de esta forma poder comprobar si las supuestas y aparentes estructuras homoplásicamente idénticas eran homologías o analogías. En el caso de ser homólogas, tendrán rutas y roles genético-funcionales equivalentes dentro del interactoma; y verificar si éstas son también equivalentes en Ophioglossaceae.
- OCTAVA: No se puede descartar la Transferencia Horizontal de Genes (THG) como posible explicativo de alguna disconformidad en las hipótesis.
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- Quote paper
- Eduardo Garcia-Prieto Fronce (Author), 2008, Psilotum nudum. Descripción, taxonomía y filogenia, Munich, GRIN Verlag, https://www.hausarbeiten.de/document/507865
