Mycorrhizal preferences and fine spatial structure of the epiphytic orchid Epidendrum rhopalostele

• Premise of the study: The presence of compatible fungi is necessary for epiphytic orchid recruitment. Thus, identifying associated mycorrhizal fungi at the population level is essential for orchid conservation. Recruitment patterns may also be conditioned by factors such as seed dispersal range and specific environmental characteristics. • Methods: In a forest plot, all trees with a diameter at breast height >1 cm and all individuals of the epiphytic orchid Epidendrum rhopalostele were identified and mapped. Additionally, one flowering individual of E. rhopalostele per each host tree was randomly selected for root sampling and DNA extraction. • Key results: A total of 239 E. rhopalostele individuals were located in 25 of the 714 potential host trees. Light microscopy of sampled roots showed mycorrhizal fungi in 22 of the 25 sampled orchids. Phylogenetic analysis of ITS1-5.8S-ITS2 sequences yielded two Tulasnella clades. In four cases, plants were found to be associated with both clades. The difference between univariate and bivariate K functions was consistent with the random labeling null model at all spatial scales, indicating that trees hosting clades A and B of Tulasnella are not spatially segregated. The analysis of the inhomogenous K function showed that host trees are not clustered, suggesting no limitations to population-scale dispersal. χ2 analysis of contingency tables showed that E. rhopalostele is more frequent on dead trees than expected. • Conclusions: Epidendrum rhopalostele establishes mycorrhizal associations with at least two different Tulasnella species. The analysis of the distribution patterns of this orchid suggests a microsite preference for dead trees and no seed dispersal limitation.

Estudio de los factores que condicionan, a escala local, la presencia de Epidendrum rhopalostele (Orchidaceae): Implicaciones para su conservación

El análisis de los factores que determinan el establecimiento y supervivencia de orquídeas epífitas, incluyen: a) las condiciones microambientales de los bosques que las mantienen, b) preferencias por las características de los hospederos donde crecen, c) limitación en la dispersión de semillas, d) interacciones planta-planta, y e) asociaciones micorrízicas para la germinación y resultan esenciales para el desarrollo de estrategias para la conservación y manejo de este grupo de plantas. Este trabajo ha evaluado la importancia de estos factores en Epidendrum rhopalostele, orquídea epífita del bosque de niebla montano, a través de los análisis de los patrones espaciales de los árboles que la portan y de la propia orquídea, a escala de población, estudios de asociación y métodos moleculares. Estos últimos han consistido en el uso de marcadores AFLP para el análisis de la estructura genética de la orquídea y en la secuenciación-clonación de la región ITS para la identificación de los hongos micorrízicos asociados. El objetivo de esta tesis es, por tanto, una mejor comprensión de los factores que condicionan la presencia de orquídeas epífitas en los remanentes de bosque de niebla montano y una evaluación de las implicaciones para la conservación y mantenimiento de sus hábitats y la permanencia de sus poblaciones. El estudio fue realizado en un fragmento de bosque de niebla montano de sucesión secundaria situado al este de la Cordillera Real, en los Andes del sur de Ecuador, a 2250 m.s.n.m y caracterizado por una pendiente marcada, temperatura media anual de 20.8°C y precipitación anual de 2193 mm. En este fragmento se mapearon, identificaron y caracterizaron todos los árboles presentes con DBH > 1 cm y todos los individuos de Epidendrum rhopalostele. Así mismo se tomaron muestras de hoja para obtener ADN de todas las orquídeas registradas y muestras de raíces de individuos con flor de E. rhopalostele, uno por cada forófito, para el análisis filogenético de micorrizas. Análisis espaciales de patrones de puntos basados en la K de Ripley y la distancia al vecino más cercano fueron usados para los árboles, forófitos y la población de E. rhopalostele. Se observó que la distribución espacial de árboles y forófitos de E. rhopalostele no es aleatoria, ya que se ajusta a un proceso agregado de Poisson. De ahí se infiere una limitación en la dispersión de las semillas en el fragmento estudiado y en el establecimiento de la orquídea. El patrón de distribución de la población de E. rhopalostele en el fragmento muestra un agrupamiento a pequeña escala sugiriendo una preferencia por micro-sitios para el establecimiento de la orquídea con un kernel de dispersión de las semillas estimado de 0.4 m. Las características preferentes del micro-sitio como tipos de árboles (Clusia alata y árboles muertos), tolerancia a la sombra, corteza rugosa, distribución en los dos primeros metros sugieren una tendencia a distribuirse en el sotobosque. La existencia de una segregación espacial entre adultos y juveniles sugiere una competencia por recursos limitados condicionada por la preferencia de micro-sitio. La estructura genética de la población de E. rhopalostele analizada a través de Structure y PCoA evidencia la presencia de dos grupos genéticos coexistiendo en el fragmento y en los mismos forófitos, posiblemente por eventos de hibridización entre especies de Epidendrum simpátricas. Los resultados del análisis de autocorrelación espacial efectuados en GenAlex confirman una estructura genético-espacial a pequeña escala que es compatible con un mecanismo de dispersión de semillas a corta distancia ocasionada por gravedad o pequeñas escorrentías, frente a la dispersión a larga distancia promovida por el viento generalmente atribuida a las orquídeas. Para la identificación de los micobiontes se amplificó la región ITS1-5.8S-ITS2, y 47 secuencias fueron usadas para el análisis filogenético basado en neighborjoining, análisis bayesiano y máximum-likelihood que determinó que Epidendrum rhopalostele establece asociaciones micorrízicas con al menos dos especies diferentes de Tulasnella. Se registraron plantas que estaban asociadas con los dos clados de hongos encontrados, sugiriendo ausencia de limitación en la distribución del hongo. Con relación a las implicaciones para la conservación in situ resultado de este trabajo se recomienda la preservación de todo el fragmento de bosque así como de las interacciones existentes (polinizadores, micorrizas) a fin de conservar la diversidad genética de esta orquídea epífita. Si fuere necesaria una reintroducción se deben contemplar distancias entre los individuos en cada forófito dentro de un rango de 0.4 m. Para promover el reclutamiento y regeneración de E. rhopalostele, se recomienda que los forófitos correspondan preferentemente a árboles muertos o caídos y a especies, como Clusia alata, que posean además corteza rugosa, sean tolerantes a la sombra, y en el área del sotobosque con menor luminosidad. Además es conveniente que las orquídeas en su distribución vertical estén ubicadas en los primeros metros. En conclusión, la limitación en la dispersión, las características del micro-sitio, las interacciones intraespecíficas y con especies congenéricas simpátricas y las preferencias micorrízicas condicionan la presencia de esta orquídea epífita en este tipo de bosque. ABSTRACT The analysis of factors that determine the establishment and survival of epiphytic depends on factors such as a) microenvironmental conditions of forest, b) preference for host characteristics where orchids grow, c) seed dispersal limitation, d) plant-plant interaction, e) priority mycorrhizal associations for germination, are essential for the development of strategies for management and conservation. This work evaluated the importance of these factors in Epidendrum rhopalostele, an epiphytic orchid of montane cloud forest through the analysis of spatial patterns of host trees and the orchid, in a more specific scale, with association studies and molecular methods, including AFLPs for orchid population genetic structure and the sequencing of the ITS region for associated mycorrhizal fungi. The aim of this thesis is to understand the factors that condition the presence of epiphytic orchids in the remnants of montane cloud forest and to assess the implications for the conservation and preservation of their habitats and the persistence of the orchid populations. The study was carried out in a fragment of montane cloud forest of secondary succession on the eastern slope of Cordillera Real in the Andes of southern Ecuador, located at 2250 m a.s.l. characterized by a steep slope, mean annual temperature of 20.8°C and annual precipitation of 2193 mm. All trees with DBH > 1 cm were mapped, characterized and identified. All E. rhopalostele individuals present were counted, marked, characterized and mapped. Leaf samples of all orchid individuals were collected for DNA analysis. Root samples of flowering E. rhopalostele individuals were collected for phylogenetic analysis of mycorrhizae, one per phorophyte. Spatial point pattern analysis based on Ripley`s K function and nearest neighbor function was used for trees, phorophytes and orchid population. We observed that spatial distribution of trees and phorophytes is not random, as it adjusts to a Poisson cluster process. This suggests a limitation for seed dispersal in the study fragment that is affecting orchid establishment. Furthermore, the small-scale spatial pattern of E. rhopalostele evidences a clustering that suggests a microsite preference for orchid establishment with a dispersal kernel of 0.4 m. Microsite features such as types of trees (dead trees or Clusia alata), shade tolerance trees, rough bark, distribution in the first meters suggest a tendency to prefer the understory for their establishment. Regarding plant-plant interaction a spatial segregation between adults and juveniles was present suggesting competition for limited resources conditioned for a microsite preference. Analysis of genetic structure of E. rhopalostele population through Structure and PCoA shows two genetic groups coexisting in this fragment and in the same phorophyte, possibly as a result of hybridization between sympatric species of Epidendrum. Our results of spatial autocorrelation analysis develop in GenAlex confirm a small-scale spatial-genetic structure within the genetic groups that is compatible with a short-distance dispersal mechanism caused by gravity or water run-off, instead of the long-distance seed dispersal promoted by wind generally attributed to orchids. For mycobionts identification ITS1-5.8S-ITS2 rDNA region was amplified. Phylogenetic analysis was performed with neighborjoining, Bayesian likelihood and maximum-likelihood for 47 sequences yielded two Tulasnella clades. This orchid establishes mycorrhizal associations with at least two different Tulasnella species. In some cases both fungi clades were present in same root, suggesting no limitation in fungal distribution. Concerning the implications for in situ conservation resulting from this work, the preservation of all forest fragment and their interactions (pollinators, mycorrhiza) is recommended to conserve the genetic diversity of this species. If a reintroduction were necessary, distances between individuals in each phorophyte within a range of 0.4 m, are recommended. To promote recruitment and regeneration of E. rhopalostele it is recommended that phorophytes correspond to dead or fallen trees or species, such as Clusia alata. Trees that have rough bark and are shade tolerant are also recommended. Furthermore, regarding vertical distribution, it is also convenient that orchids are located in the first meter (in understory, area with less light). In conclusion, limitation on seed dispersal, microsite characteristics, plant-plant interactions or interaction with cogeneric sympatric species and mycorrhizal preferences conditioned the presence of this epiphytic orchid in this fragment forest.

Estudio de la diversidad genética de Botrytis sp en orquídeas y la resistencia al ataque del hongo

En la actualidad la mayoría de plantas sufren pérdidas debido a las enfermedades que les provocan los hongos. Uno de estos grupos amenazado por el ataque de los hongos son las especies de la familia Orchidaceae, especies que se encuentran amenazadas y con numerosas especies en peligro de extinción. Uno de los problemas sanitarios más destacados es Botrytis cinerea, hongo patógeno cosmopolita, causante de enfermedades importantes en muchas plantas tales como frutas, verduras, accesiones de viveros, plantas ornamentales y huertos cultivos (Jarvis 1977; Elad et al., 2007). Este género es uno de los grupos de hongos más ampliamente conocido y distribuido. Contiene 22 especies (Hennebert 1973; Yohalem et al., 2003) y un híbrido (B. allii) (Yohalem & Alabama, 2003) vinculado a las etapas sexuales y un amplio número de huéspedes específicos (Beever y Weds, 2000); infecta más de 200 especies vegetales distintas (Williamson et al., 2007). Dada la importancia de este patógeno se realiza un estudio de caracterización morfológica y molecular del hongo, aislado de plantas de orquídeas cultivadas en condiciones de invernadero, de hortalizas y plantas frutales, con síntomas de necrosis, atizonamientos y pudriciones. El análisis de las características morfológicas (presencia de esclerocios, tamaño de conidios, presencia de estructuras sexuales in vitro) y fenotípicas (crecimiento micelial a diferentes temperaturas, germinación de esporas), nos permitió determinar características importantes del comportamiento del hongo y establecer cuáles son las mejores condiciones para su patogenicidad. Se afianzo este trabajo con estudios moleculares a través del análisis de la región ribosomal ITS1-ITS4. Entre los aislados estudiados se identificaron dos especies diferentes, Botrytis cinerea y B. fabiopsis, esta última conocida como especifica de Vicia faba, se lo aisló de una planta de Pelargonium sp. Se hizo un análisis filogenético para comparar estas dos especies, encontrándose que B. fabiopsis está estrechamente relacionada con B. cinerea y B. elliptica, pero lejanamente relacionado con B. fabae. Además, se analizó las poblaciones de los aislados de Botrytis, para ello se seleccionaron tres parejas de cebadores microsatelites con altos porcentajes de polimorfismo. Al analizar la similaridad entre los aislados se determinaron tres grupos de poblaciones de B. cinerea entre los cuales Botrytis fabiopsis comparte un grupo grande con B. cinerea. La diferenciación genética no fue significativa entre la población de aislados de orquídeas y hortalizas, la diferencia génica que fue muy baja, lo que sugiere que la especificidad de Botrytis no está dada por los hospederos, aunque la posibilidad de la especificidad con algún cultivo no puede descartarse. ABSTRACT Most plants suffer diseases caused by fungi. Orchidaceae is one of the threatened groups with many endangered species. Included into the most important problems in plant health is Botrytis cinerea, a cosmopolitan pathogen which causes major diseases in many plants of agronomic interest such as fruits, vegetables, planthouses accessions and ornamental plants (Jarvis, 1977; Elad et al, 2007). The genus Botrytis is one of the most widely and disseminated fungi. The genus contains 22 species (Hennebert 1973; Yohalem et al, 2003) and a hybrid (B. allii) (Yohalem & Alabama, 2003) linked to the sexual stages of a large number of specific hosts (Beever & Weds, 2000); infects over 200 different plant species (Williamson et al., 2007). Due to the importance of this pathogen, a study of morphological and molecular characterization of the fungus was carried out. Fungi samples were isolated from orchid plants grown in greenhouse conditions, vegetables and fruits with signs of necrosis, blight and rottening. To establish the best conditions for pathogenicity, behavioral characteristics of the fungus were studied through the analysis of morphological characteristics (presence of sclerotia, conidia size, sexual structures in vitro) and mycelial growth at different temperatures. To complete the characterization of the fungi, a molecular study was performed via the analysis of ribosomal ITS1-ITS4 region. Two different species were identified: Botrytis cinerea and Botrytis fabiopsis (known by specificity to Vicia faba). B. fabiopsis was isolated from a plant of the genus Pelargonium. A phylogenetic analysis was carried out to compare these two species leading to the conclusion that B. fabiopsis is closely related to B. cinerea and B. elliptica, but distantly related to B. fabae. The populations of Botrytis isolates were also analyzed. Three pairs of microsatellite primers with high percentages of polymorphism were selected. A similarity analysis showed three groups of populations of B. cinerea, including Botrytis fabiopsis. The genetic differentiation was not significant among the populations of isolates from orchids and vegetables; genetic differences were very low, suggesting that the specificity of Botrytis species is not given by the hosts.