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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES ZARAGOZA Morfología del androceo de Salvia subgénero Calosphace (Lamiaceae) con relación a su filogenia T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: BIÓLOGA P R E S E N T A : GIOVANNA BERENICE BARRERA AVELEIDA DIRECTORA DE TESIS: M. en C. ITZI FRAGOSO MARTÍNEZ UNAM-DGAPA-PAPIIT IG200316 Ciudad de México, 2017 UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. AGRADECIMIENTOS A la Universidad Nacional Autónoma de México y a la Facultad de Estudios Superiores Zaragoza, por permitirme realizar mis estudios profesionales en una institución de excelencia académica. Al Instituto de Biología (IB-UNAM) por permitirme desarrollar esta investigación en sus instalaciones y por los recursos brindados. Al programa UNAM-DGAPA-PAPIIT por el apoyo recibido a través del proyecto IG200316 (Titular: Susana Aurora Magallón Puebla), para la realización del presente trabajo. Especialmente agradezco a mi directora de tesis, M. en C. Itzi Fragoso Martínez, del Instituto de Biología, UNAM, por haber aceptado dirigir esta tesis y ser una gran guía durante el desarrollo de esta investigación, por todo el apoyo, asesorías y conocimientos compartidos, sobre todo por su paciencia y tiempo otorgado en todo momento. A la Dra. Martha Martínez Gordillo, de la Facultad de Ciencias (UNAM) por su gran ayuda y enseñanza brindada, por sus comentarios, sugerencias y disponibilidad, así como su apoyo en el herbario FCME y en el trabajo presentado en el XX Congreso Méxicano de Botánica. Al Dr. Carlos Castillejos Cruz, por ser un gran profesor e influencia en mi formación en el área de botánica y por sus sugerencias que contribuyeron a enriquecer más esta investigación. A la M. en C. Sonia Rojas Chávez, por su apoyo en las revisiones y por sus valiosos comentarios que contribuyeron a mejorar este manuscrito. Al Dr. Ezequiel Hernández Pérez, por sus aportaciones y correcciones que ayudaron a enriquecer el escrito de esta investigación. A la M. en C. Rocío Espitia Licea, por la revisión y sugerencias realizadas que ayudaron a mejorar este escrito. Al Dr. Gerardo Salazar Chávez, del Instituto de Biología, UNAM, por las enseñanzas compartidas y por darme la oportunidad de realizar parte de este estudio en el laboratorio de Sistemática Molecular del departamento de Botánica del IB-UNAM. A la Dra. Susana Aurora Magallón Puebla, por haberme dado la oportunidad de participar en el proyecto UNAM-DGAPA-PAPIIT IG200316. A la Dra. Carolina Granados y la Dra. Lidia Irene Cabrera Martínez, por su apoyo y asesoría en el laboratorio de Sistemática Molecular del IB-UNAM. A la M. en C. María del Rosario Peña, por su disposición y apoyo durante el muestreo de ejemplares herborizados en la sala Salvia del herbario nacional (MEXU). A la M. en C. Laura Margarita Márquez Valdemar, por la ayuda brindada en el Laboratorio de Secuenciación del IB-UNAM. Al laboratorio de Microcine de la Facultad de Ciencias, UNAM, por el apoyo en la obtención de las fotomacrografías digitales, en particular al M. en C. Alejandro Martínez Mena, por su gran apoyo en la toma de fotografías y por compartirme sus experiencias en el ámbito de la fotografía científica, por los consejos, pláticas y el valioso tiempo brindado a lo largo de la elaboración de este proyecto, a la M. en F. Ana Isabel Bieler Antolín, por su ayuda, amabilidad y disposición en la toma de fotografías y al P. de B. José Antonio Hernández Gómez, por su asesoría en el procesamiento de las fotografías y por el excelente trabajo realizado en la edición de las mismas. A los herbarios MEXU y FCME de la UNAM, por la proporción del material para el desarrollo de este trabajo. A la M. en C. Patricia Rivera Pérez, por su asesoría en los análisis de método comparativo, que fue de suma importancia en la culminación de este estudio. Del herbario FEZA: al Dr. Eloy Solano Camacho, por sus conocimientos compartidos y por ser un gran ejemplo en el ámbito académico. A mis compañeros y amigos con quienes compartí momentos muy agradables y salidas a campo durante la etapa final de la carrera: Brenda, Fanny, Leslie, Miguel, Alejandro y Kristopher. A mis compañeros del herbario FCME y del cubículo B-201 del IB-UNAM: Emmanuel, Ana, Xochitl, Sebastián, Aline, Rubí y Hector, por haber hecho mi estancia agradable durante la realización de este proyecto. A quienes han convivido conmigo antes y durante esta travesía, y siguen brindándome su amistad, David, Fernando, Jesus y Manuel, gracias por escucharme, aconsejarme y estar siempre ahí. DEDICATORIA A la memoria de mi abuela Isabel Noguez Dominguez, t quien siempre me inculcó buenos valores, me brindó en todo momento su cariño y grandes consejos. A mi madre Juana Aveleida Noguez, por ser un ejemplo de responsabilidad, dedicación y esfuerzo. Por todo lo que me has dado a lo largo de mi vida, por apoyarme siempre, por todo tu amor y comprensión. Muchas gracias por confíar en mi y darme la oportunidad de culminar con mis estudios, porque con tu apoyo incondicional hemos logrado la meta. A mis hermanos Osvaldo Barrera Aveleida y Arturo Barrera Aveleida, por su cariño y gran amistad, espero que este logro los motive a siempre esforzarse y seguir alcanzando sus sueños. i ÍNDICE Página ÍNDICE DE FIGURAS .................................................................................................. iii ÍNDICE DE CUADROS ................................................................................................ iv RESUMEN ................................................................................................................... 1 1. INTRODUCCIÓN ...................................................................................................... 2 2. OBJETIVOS ............................................................................................................. 5 3. ANTECEDENTES .................................................................................................... 6 3.1 Posición y relaciones filogenéticas de la familia Lamiaceae ................................ 6 3.2 Tratamientos taxonómicos de Lamiaceae ........................................................... 7 3.3 Distribución y diversidad de Lamiaceae .............................................................. 9 3.4 Importancia económica de Lamiaceae ................................................................ 9 3.5 El género Salvia ................................................................................................ 10 3.5.1 Características morfológicas del género Salvia .......................................... 11 3.5.2 Tratamientos taxonómicos del género Salvia.............................................. 12 3.5.3 Relaciones filogenéticas dentro de Salvia ................................................... 14 3.6 Salvia subgénero Calosphace ........................................................................... 18 3.6.1 El clado Uliginosae ..................................................................................... 18 3.7 Características generales del androceo y el androceo en Salvia ...................... 19 3.7.1 El androceo de Salvia subgénero Calosphace ............................................ 20 a) Diversidad estaminal en Salvia .................................................................... 20 b) Morfología de los estambres encontrados en Salvia clado II ........................ 23 3.7.2 El mecanismo de palanca estaminal en Salvia ........................................... 24 3.7.3 El mecanismo de palanca estaminal en especies ornitófilas ....................... 26 3.8 Polinización y síndromes de polinización en Salvia ........................................... 28 4. MÉTODO ................................................................................................................ 34 4.1 Diseño de muestreo .......................................................................................... 34 4.1.1 Selección de taxa y delimitación del grupo interno y externo ...................... 34 4.2 Selección de caracteres moleculares ................................................................ 34 4.2.1 Extracción de ADN ...................................................................................... 34 4.2.2 Amplificación de ADN ................................................................................. 36 4.2.3 Secuenciación, edición y alineamiento de secuencias ................................ 37 4.2.4 Análisis filogenético .................................................................................... 38 4.3 Selección de caracteres morfológicos ............................................................... 39 4.3.1 Muestreo taxonómico y selección del material de estudio .......................... 39 4.3.2 Preparación de muestras para la obtención de caracteres cualitativos y cuantitativos ......................................................................................................... 40 4.3.3 Obtención de caracteres morfológicos cualitativos ..................................... 40 a) Descripción morfológica del androceo .......................................................... 40 b) Selección y codificación de caracteres morfológicos .................................... 40 ii c) Optimización de caracteres cualitativos y exploración de posibles sinapomorfías ................................................................................................... 46 4.3.4 Obtención de caracteres morfológicos cuantitativos y morfometría de distancias ............................................................................................................. 46 a) Digitalización del material ............................................................................. 46 b) Obtención de las longitudes de las estructuras del androceo ....................... 47 c) Análisis de datos: PCA y CVA ...................................................................... 48 4.4 Pruebas de señal filogenética y contrastes independientes de la filogenia ....... 50 5. RESULTADOS ....................................................................................................... 51 5.1 Análisis filogenéticos ......................................................................................... 51 5.2 Morfología del androceo .................................................................................... 53 5.3 Optimización de caracteres cualitativos ............................................................ 76 5.4 Análisis estadísticos multivariados .................................................................... 78 5.4.1 Análisis de Componentes Principales (PCA) .............................................. 78 a) Clado Uliginosae .......................................................................................... 78 b) Grupo externo .............................................................................................. 80 5.4.2 Análisis discriminante o de variables canónicas (CVA) ............................... 81 a) Clado Uliginosae .......................................................................................... 81 b) Grupo externo .............................................................................................. 82 5.5 Señal filogenética y contrastes independientes de la filogenia .......................... 84 6. DISCUSIÓN ........................................................................................................... 85 6.1 Características morfológicas del androceo de especies del subgénero Calosphace ............................................................................................................. 85 6.1.1 Los polinatorios del subgénero Calosphace................................................ 86 6.1.2 Los vecciarios del subgénero Calosphace .................................................. 86 6.1.3 Los vecciarios del clado Uliginosae ............................................................ 87 6.1.4 Los vecciarios de las especies del grupo externo ....................................... 87 6.2 Sinapomorfías morfológicas del androceo del clado Uliginosae ........................ 89 6.3 Análisis multivariados de los caracteres cuantitativos del androceo en relación a los síndromes de polinización .............................................................................. 91 6.3.1 Variación en el tamaño de las estructuras del androceo del clado Uliginosae ............................................................................................................ 91 6.3.2 Variación en el tamaño de las estructuras del androceo del grupo externo ................................................................................................................. 92 6.3.3 Diferenciación del tamaño del androceo en relación con los síndromes de polinización presentes en el subgénero Calosphace ........................................... 93 6.4 Señal filogenética y contrastes independientes de la filogenia para los caracteres del androceo de Calosphace ................................................................ 99 7. CONCLUSIONES ................................................................................................. 102 8. LITERATURA CITADA ........................................................................................ 103 9. APÉNDICES ........................................................................................................ 111 iii ÍNDICE DE FIGURAS No. Pág. 1 Morfología del androceo de Salvia y mecanismo de palanca estaminal. 3 2 Clasificación subgenérica de Bentham para Salvia, basada en la morfología y diversidad de las estructuras estaminales. 13 3 Relaciones filogenéticas resumidas entre los linajes de Salvia y géneros afines, donde se muestra la morfología del androceo para cada linaje. 17 4 Brazos conectivos y ubicación de las tecas vestigiales en Salvia subg. Calosphace. 23 5 Representación de los tipos de estambres encontrados en el clado II de Walker et al., (2004), mostrando el alargamiento del tejido conectivo y la variación morfológica. 24 6 Origen de la morfología estaminal de Salvia subgénero Calosphace. 25 7 Fusión del vecciario y articulación del filamento en Salvia fulgens. 27 8 Interacción entre las flores de Salvia y sus polinizadores. 31 9 Diversidad morfológica de las flores de Salvia subgénero Calosphace. 32 10 Estambres típicos encontrados dentro del clado Uliginosae. 45 11 Posición de las tecas vestigiales en el vecciario del subg. Calosphace. 45 12 Terminación del haz vascular en la parte media del vecciario de S. lasiocephala. 45 13 Forma de las anteras y de los filamentos presentes en las especies muestreadas. 46 14 Protocolos de las coordenadas de los puntos que delimitan cada una de las estructuras del androceo del subgénero Calosphace. 47 15 Árbol de máxima verosimilitud de las regiones combinadas ITS, trnL- trnF y trnH-psbA para las 41 especies muestreadas del subgénero Calosphace. 52 16 Androceos del clado Uliginosae y sus principales características. 57 17 Androceos del clado Uliginosae y sus principales características, incluidas las especies ornitófilas. 64 18 Androceos del clado Uliginosae y sus principales características. 66 19 Estambres de las especies del grupo externo con las tecas vestigiales ubicadas en el extremo posterior del vecciario. 72 20 Estambres del grupo externo y sus principales características. 75 21 Sinapomorfías sugeridas para el clado Uliginosae. 76 22 Sinapomorfía morfológica sugerida para el clado Uliginosae y origen independiente de los sistemas de polinización en el subg. Calosphace. 77 23 Análisis de componentes principales (PCA) para las especies del clado Uliginosae, coloreado por polinizador. 79 24 Análisis de componentes principales (PCA) correspondiente a las especies del grupo externo, coloreado por polinizador. 81 25 Gráficos de dispersión del análisis de variables canónicas (CVA), tomando como variable categórica el tipo de polinizador. 83 iv ÍNDICE DE CUADROS No. Pág. 1 Comparación de los tratamientos taxonómicos de Bentham (1878), Briquet (1895-1897), Erdtman (1945) y Wunderlich (1967). 8 2 Componentes y cantidades utilizadas para la amplificación de las regiones ITS, trnL-F y psbA-trnH para una reacción de 15 µL. 37 3 Primers utilizados en la amplificación de las regiones ITS, trnL-F y psbA-trnH. 37 4 Matriz con los caracteres cualitativos y sus estados codificados. 44 5 Protocolo de puntos utilizado para realizar las medidas de las estructuras del androceo del subg. Calosphace. 48 6 Agrupación de las estructuras del androceo para los análisis multivariados con base en la morfología general presente en el grupo interno y externo. 49 7 Variación explicada por los dos primeros componentes principales para cada agrupación de datos y las cargas de cada una de las variables. 79 8 Parámetros de las variables canónicas obtenidas. 83 9 Coeficientes estandarizados de las funciones canónicas discriminantes para las especies estudiadas del subgénero Calosphace. 83 10 Coeficientes de determinación (r2) para las variables cuantitativas de los análisis de contrastes independientes de la filogenia. 84 1 RESUMEN Se evaluaron los caracteres morfológicos del androceo de 35 especies del subgénero Calosphace, tomando como grupo interno el clado Uliginosae y como grupo externo especies representativas de los distintos linajes del subgénero, para identificar si existe una relación entre la morfología del androceo y el síndrome de polinización. Para ello, se exploraron caracteres morfológicos cuantitativos (morfometría de distancias) que fueron analizados con métodos multivariados y caracteres cualitativos que fueron explorados en busca posibles sinapomorfías, empleando una filogenia basada en datos moleculares de las regiones ITS, trnL-F y trnH-psbA. Ambos tipos de caracteres fueron explorados mediante un análisis de contrastes independientes de la filogenia, para identificar aquellos con señal filogenética. Los análisis multivariados de los caracteres del androceo del clado Uliginosae permitieron identificar patrones de variación que sugieren una diferencia de tamaños entre especies ornitófilas y melitófilas, y pusieron a prueba las hipótesis de pertenencia de las especies a un síndrome de polinización, donde la variable que contribuyó en mayor medida a diferenciar entre grupos fue la longitud del vecciario, lográndose distinguir dos grupos estadísticamente distintos que corresponden a los síndromes de polinización: melitofilia y ornitofilia. La optimización de caracteres cualitativos del androceo en la filogenia del grupo sugiere tres sinapomorfías que podrían sustentar la monofilia del clado: la posición de la teca vestigial sobre el genículo, la extensión del extremo posterior del conectivo y el haz vascular inflexo. En la evaluación la influencia de la filogenia en la evolución de los caracteres del androceo, las longitudes del conectivo, los polinatorios y anteras presentaron señal filogenética, por lo que la filogenia predice correctamente los patrones de similitud observados en el tamaño de estas estructuras. 2 1. INTRODUCCIÓN Lamiaceae Martinov o Labiatae Juss. (nom. cons.) es una familia muy diversa con 236 géneros y alrededor de 7 173 especies, su distribución es casi cosmopolita (Harley et al., 2004). En México, Lamiaceae ocupa el octavo lugar en diversidad entre las familias de angiospermas (Villaseñor, 2003; Martínez-Gordillo et al., 2013; Villaseñor, 2016). Algunos miembros de la familia son particularmente importantes debido a su amplio rango de usos médicos, ceremoniales, ornamentales e industriales (El-Gazzar y Watson, 1970; Lawrence, 1992; Rivera-Nuñez y Obón, 1992; Ramamoorthy y Elliot, 1998). Lamiaceae es considerada como una de las familias de plantas más derivadas evolutivamente con respecto a sus estructuras florales (Kaufmann y Wink, 1994). Dentro de ella destaca el género Salvia L. (tribu Mentheae), como el más diverso dentro de la familia, con cerca de 1000 especies que se distribuyen en todo el mundo. Dichas especies están agrupadas en cinco subgéneros: Calosphace (Benth.) Benth., Sclarea Mill, Leonia Benth., Salviastrum Scheele y Audibertia (Benth.) Walker, Drew y Sytsma (Walker et al., 2004; Walker y Sytsma, 2007; Jenks, 2009; Walker et al., 2015). En México Salvia es el género más diverso con 328 especies (Villaseñor, 2016), de las cuales 237 son endémicas (Martínez-Gordillo et al., in. prep.). Cerca del 99% de las especies mexicanas de Salvia pertenecen al subgénero Calosphace, el cual es un grupo monofilético (Ramamoorthy y Lorence, 1987; Walker et al., 2004; Walker, 2006; Walker y Sytsma, 2007; Jenks, 2009; Jenks et al., 2013; Walker et al., 2015). Además, constituye el linaje más diverso dentro de Salvia pues comprende cerca de 600 especies (Santos, 1995), que se encuentran distribuidas en el Nuevo Mundo, con centros de diversidad en México, la región Andina, sur de Brasil, sur de Argentina y las Antillas (Walker et al., 2004; Walker y Sytsma, 2007; Jenks et al., 2013). El género Salvia presenta estructuras florales altamente especializadas, sus flores se caracterizan por tener únicamente dos estambres. Generalmente cada uno con dos tecas, una funcional y la otra vestigial, que se encuentran separadas por el alargamiento del tejido conectivo, formando una estructura semejante a una palanca, constituida por un brazo de palanca anterior o polinatorio que es fértil y uno posterior o vecciario que es 3 el que lleva las tecas vestigiales y usualmente forma un apéndice estéril, que en algunos miembros del subgénero Calosphace da origen a una estructura llamada vecciario (Figura 1A) (Espejo y Ramamoorthy, 1993; Claßen-Bockoff et al., 2003; Harley et al., 2004; Wester y Claßen-Bockhoff, 2007). Este generalmente se encuentra bloqueando la entrada de la corola de modo que restringe el acceso al néctar, lo que da lugar a uno de los mecanismos de polinización más especializados y mejor conocidos dentro de Lamiaceae. En el mecanismo de palanca estaminal un polinizador en busca de néctar, tiene que empujar hacia atrás el brazo estéril de la palanca y como consecuencia hace descender el brazo fértil de ésta, de modo que presiona los sacos de polen sobre un lugar específico de su cuerpo (Figura 1B, C). Cuando el polinizador visita otra flor de la misma especie, el polen puede ser transferido al estigma (Claßen-Bockhoff et al., 2003). Algunos insectos visitantes son excluidos de las flores, impidiendo su acceso al néctar por el tamaño y forma de la flor y no por la fuerza física necesaria para accionar la palanca estaminal (Claßen-Bockoff et al., 2004a). Figura 1. Morfología del androceo de Salvia y mecanismo de palanca estaminal. A) Androceo característico del subgénero Calosphace, mostrando el conectivo diferenciado en polinatorio y vecciario. B) Corte longitudinal de la flor de Salvia pratensis (Sclarea) que muestra uno de los dos estambres modificados, las flechas indican el movimiento de las palancas estaminales, iniciado por el contacto con el brazo inferior de la palanca. C) Un insecto en busca de néctar presiona el brazo inferior de la palanca hacia atrás haciendo descender el brazo superior y presionando de esta forma los sacos de polen en la parte dorsal de su cuerpo (modificado de Claßen-Bockoff et al., 2004a). 4 Las flores del género Salvia han sido clasificadas de acuerdo al tipo de polinizador involucrado. Para el subgénero Calosphace los polinizadores principales son abejas y colibríes (Ramamoorthy y Elliot, 1998). Las especies polinizadas por abejas son clasificadas como melitófilas y una característica particular de estas especies es la presencia de distintos dientes ventrales o barreras en los conectivos, que pueden obstruir la entrada al polinizador. Por otro lado, las salvias polinizadas por aves son clasificadas como ornitófilas, la mayoría de estas especies son del Nuevo Mundo y pertenecen al subgénero Calosphace. En estas los conectivos estaminales con frecuencia forman estructuras parecidas a un diente cerca del lado abaxial de sus articulaciones, estas estructuras pueden encontrarse relativamente largas, pequeñas o incluso ausentes. Sin embargo, existen especies que están adaptadas a más de un tipo polinizador debido a que sus características florales son atractivas al mismo tiempo para diferentes grupos de polinizadores, por lo que son denominadas especies intermedias (Wester y Claßen- Bockoff, 2011). Análisis filogenéticos basados en datos moleculares identifican cuatro grandes linajes dentro del subgénero (S. axillaris Moc. & Sessé ex Benth., clado Hastatae, clado Uliginosae y core Calosphace) (Jenks, 2009; Jenks et al., 2013). En el clado Uliginosae se encuentran los dos síndromes de polinización descritos para el subgénero, presenta una sinapomorfía estaminal y contiene especies pertenecientes a más de una sección (Jenks, 2009), aunque la mayoría de las especies que conforman este clado son miembros de la sección Uliginosae, una sección no monofilética (Jenks et al., 2013). Es por ello que el presente estudio está centrado en las especies del clado Uliginosae como grupo focal e incluye especies representativas de los distintos linajes del subgénero. Con ello se prentende contribuir al conocimiento de la variación morfológica del androceo dentro del subgénero Calosphace, mediante la exploración de caracteres morfológicos cualitativos, que permitan encontrar patrones de variación y uniformidad en las estructuras del androceo y caracteres cuantitativos, poniendo a prueba la utilidad de la longitud de las estructuras que conforman el androceo para probar la pertenencia de las especies a un síndrome de polinización. Así mismo, se explora la forma en que se encuentran asociados los caracteres del androceo con la filogenia del 5 grupo. Dada la gran diversidad táxica y fenotípica en Salvia subgénero Calosphace, así como el papel preponderante del vecciario en su reproducción, mismo que muestra amplia variación de formas y estructuras, se plantean las siguientes preguntas: ¿Existe una relación entre la morfología del androceo y el síndrome de polinización de las especies del clado Uliginosae? ¿Es posible asociar la morfología del androceo del subgénero Calosphace a un síndrome de polinización? ¿Existen diferencias morfológicas entre los androceos de especies ornitófilas y melitófilas? 2. OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Determinar si existen diferencias morfológicas en el androceo de especies ornitófilas y melitófilas, empleando un clado del subgénero Calosphace, e identificar si estas diferencias están dadas por las relaciones filogenéticas. OBJETIVOS PARTICULARES • Caracterizar morfológicamente el androceo de 35 especies del subgénero Calosphace, enfocando el muestreo de especies en el clado Uliginosae. • Explorar si existe relación entre la morfología del androceo con los síndromes de polinización de las especies muestreadas, mediante análisis multivariados. • Optimizar los caracteres cualitativos del androceo en una filogenia basada en datos moleculares del subgénero Calosphace, explorando posibles sinapomorfías morfológicas para el clado Uliginosae. • Realizar un análisis exploratorio de señal filogenética para los caracteres obtenidos. 6 3. ANTECEDENTES 3.1 Posición y relaciones filogenéticas de la familia Lamiaceae Lamiaceae es la sexta familia más grande de plantas con flores y una de las más importantes económicamente (Drew y Sytsma, 2012). En México la familia es una de las más diversas, solo después de Asteraceae, Fabaceae, Orchidaceae, Poaceae, Euphorbiaceae, Rubiaceae y Cactaceae. Está representada por 32 géneros nativos, los cuales pertenecen a las subfamilias Viticoideae, Ajugoideae, Scutellaroideae, Lamioideae y Nepetoideae e incluyen 600 especies, representando a nivel mundial 13.55% de los géneros y 8.23% de las especies (Martínez-Gordillo et al., 2013). La familia Lamiaceae se encuentra dentro del orden Lamiales (APG III, 2009) formando un clado junto con Orobanchaceae, Rehmanniaceae, Paulowniaceae, Phyrmaceae y Mazaceae (Schäferhoff et al. 2010; Refulio-Rodriguez y Olmstead, 2014), al interior de un grupo más inclusivo nombrado “higher core Lamiales” por Schäferhoff et al. (2010). A pesar de que Lamiaceae fue considerada durante mucho tiempo cercanamente relacionada a Verbenaceae por la presencia de algunos caracteres morfológicos comunes (Cronquist, 1981; Cantino, 1992; Hedge, 1992; Harley et al., 2004), las filogenias actuales (aunque ubican a Verbenaceae en “higher core Lamiales”) no recuperan una relación cercana entre ambas familias (Schäferhoff et al., 2010; Refulio- Rodriguez y Olmstead, 2014). Con base en estudios filogenéticos algunos géneros que anteriormente se encontraban incluidos en Verbenaceae han sido transferidos a Lamiaceae (Cantino et al., 1992). De estos, en México se encuentran: Cornutia, Vitex, Aegiphylla y Callicarpa (Martínez-Gordillo et al., 2013). El carácter más distintivo de Lamiaceae es la presencia de glándulas en las células epidérmicas que contienen terpenos y por esto los miembros de esta familia se utilizan en distintas partes del mundo en la medicina y la alimentación tradicionales (Ramamoorthy y Elliot, 1998). La mayoría de las especies son arbustivas o herbáceas y son raros los árboles, como en las especies sudamericanas del género Hyptis, con algunas especies que alcanzan 12 m de altura. En Lamiaceae el cáliz y la corola por lo general son bilabiados, con estilo ginobásico, los tallos con frecuencia son 7 cuadrangulares; las hojas generalmente simples, opuestas y decusadas, sin estípulas; a menudo toda la planta se encuentra cubierta de tricomas y glándulas que emiten fragancias aromáticas (Heywood et al., 1985). 3.2 Tratamientos taxonómicos de Lamiaceae El tratamiento taxonómico más completo de la familia Lamiaceae es el de Bentham (1832-1836) “Labiatarum Genera et Species”, en el que hace una división de la familia en 11 tribus basándose en caracteres florales, principalmente del androceo donde describió los estambres de cada tribu y colocó a Salvia cerca del género Rosmarinus en la tribu Monardeae. Sin embargo, su último tratamiento para la familia (1876) es de gran interés por su exhaustividad a nivel genérico (Reisfield, 1987; Cuadro 1). Posteriormente, Briquet propuso un sistema de clasificación para Lamiaceae (1895-1897) basado en el estudio de Bentham (1832-1836; 1876). En éste subdividió algunos de los taxa de Bentham, elevó el rango de otros, y reclasificó algunos géneros. En este párrafo el nombramiento que hizo Bentham para subfamilia y tribus se encuentran entre paréntesis, después del nombre dado por Briquet. La única diferencia fundamental entre las dos clasificaciones es que Briquet reconoce una gran subfamilia: Lamioideae (“Stachyoideae”) que incluye las tribus de Bentham Nepeteae, Salvieae (“Monardeae”), Mentheae (“Satureineae”) y la mayoría de sus Lamiae (“Stachydeae”) (Cantino y Sanders, 1986; Cantino, 1992; Cuadro 1). Una clasificación alternativa de Lamiaceae fue propuesta por Erdtman (1945) quien basándose en características palinológicas reconoció dos subfamilias: Lamioideae, con polen tricolpado y binucleado y Nepetoideae con polen hexacolpado y trinucleado (Cantino y Sanders, 1986; Harley et al., 2004). La clasificación de las subfamilias de Erdtman (1945) corresponde con el sistema establecido por Bentham (1876), ya que cuatro de sus tribus (Ajugeae ("Ajugoideae"), Prostanthereae, Prasieae y Lamieae ("Stachydeae")) coinciden con la subfamilia Lamioideae de Erdtman y las otras cuatro tribus de Bentham, Nepeteae, Salvieae (“Monardeae”), Mentheae (“Satureineae”) y Ocimeae (“Ocimoideae”) corresponden con la subfamilia Nepetoideae. Sin embargo, Erdtman (1945) no reconoció taxa por debajo del nivel de subfamilia (Cantino y Sanders 1986; Cuadro 1). Otra clasificación fue propuesta por Wunderlich (1967) con base en un 8 extensivo estudio de polen, óvulos, sacos embrionarios y morfología de la semilla. Wunderlich rechazó la circunscripción de Lamioideae de Briquet y reconoció a la subfamilia Nepetoideae. La única diferencia entre las circunscripciones de Wunderlich y Erdtman es la segregación de Catoferia (Benth.) Benth. como subfamilia Catoferioideae por Wunderlich (Cantino, 1992; Cuadro 1). Cuadro 1. Comparación de los tratamientos taxonómicos de Bentham (1878), Briquet (1895-1897), Erdtman (1945) y Wunderlich (1967) (Cantino y Sanders 1986; Cantino, 1992). Bentham (1876) Briquet (1895-1897) Erdtman (1945) Wunderlich (1967) Tribu Ajugeae (“Ajugoideae”) Subfamilia Ajugoideae (incluye Rosmarinus de Salviae de Bentham Subfamilia Lamioideae Subfamilia Ajugoideae Tribu Prostanthereae Subfamilia Prostantheroideae Subfamilia Prostantheroideae Tribu Prasieae Subfamilia Prasioiseae Tribu Prasieae (o subfamilia Lamioideae) Tribu Lamieae (“Stachydeae”) Subfamilia Scutellarioideae Subfamilia Scutellarioideae no incluida Subfamilia Lamioideae Tribu Nepeteae Subfamilia Lamioideae (“Stachyoideae”) Subfamilia Nepetoideae Subfamilia Nepetoideae Tribu Nepeteae Tribu Salvieae (“Monardeae”) Tribu Mentheae (“Satureineae”) Tribu Ocimeae (“Ocimoideae”) Subfamilia Ocimoideae Subfamilia Lavanduloideae Subfamilia Catopherioideae Subfamilia Catopherioideae Sin embargo, Harley et al. (2004) definió siete subfamilias de Lamiaceae, donde Nepetoideae es la más grande, contiene numerosos géneros de plantas conocidas y se encuentra dividida en tres tribus: Mentheae (a la cual pertenece el género Salvia), Elsholtzieae y Ocimeae. 9 3.3 Distribución y diversidad de Lamiaceae Las áreas de gran diversidad de Lamiaceae abarcan la región que se extiende desde el Mediterráneo hasta el centro de Asia central, América, las islas del Pacífico, África tropical y China; de éstas destaca la primera por su diversidad tanto táxica como filogenética. En México la combinación de la biología de la polinización, el sistema de poblaciones pequeñas, la compleja historia geológica, la disociación de una flora ancestral y la evolución de desiertos y montañas han conducido a la actual diversidad de la familia (Ramamoorthy y Elliot, 1998). Las labiadas en México se encuentran predominantemente en las zonas montañosas, son muy numerosas en los tipos de vegetación de afinidad árida, y escasas en las tierras bajas tropicales. Es notable la ausencia de miembros de la familia en hábitats acuáticos. Los géneros más notables que se encuentran representados en los ambientes desérticos y áridos de México son: Hedeoma, Hesperozygis, Neoeplingia, Politomintha, Tetraclea y Salvia. De este último género destacan especies de distribución geográfica muy restringida como Salvia anastomosans Ramamoorthy, S. semiatrata Zucc., S. aspera M. Martens & Galeotti, S. candicans M. Martens & Galeotti, S. fruticulosa Benth. y varios miembros de la sección Scorodonia Epling. En los tipos de vegetación compuestos por pinos, encinos, abetos u otras coníferas abundan las especies de Salvia y muchas de ellas son de distribución restringida, por ejemplo, varias especies de la sección Sigmoideae Epling y Lavanduloideae Epling, sólo crecen en bosques de pino (Ramamoorthy y Elliot, 1998). 3.4 Importancia económica de Lamiaceae Tradicionalmente Lamiaceae es conocida por sus plantas aromáticas las cuales han sido ampliamente utilizadas desde la antigüedad, especialmente en la región del Mediterráneo y en algunas partes de Asia. Varias especies son particularmente importantes como ingredientes de remedios en medicina tradicional y en sistemas médicos indígenas. Extractos y destilados de estas plantas aromáticas se han convertido en importante materia prima para la industria alimenticia, cosmética y de cuidado personal (Heinrich, 1992; Lawrence, 1992; Harley et al., 2004). En algunos casos, estas plantas son de importancia económica, por ejemplo, algunos miembros de la subfamilia 10 Nepetoideae, los cuales son conocidos por sus aceites esenciales, retenidos en glándulas especiales, que se encuentran generalmente en el follaje. Estos incluyen especies de Salvia (salvia), Mentha (menta y hierba buena), Thymus (tomillo), Origanum (orégano y mejorana), Satureja (ajedreas), Rosmarinus (romero) y Melissa (melisa) (Harley et al., 2004). Varios géneros de Lamiaceae del Viejo Mundo también pueden crecer como ornamentales, incluyendo Lavandula, Mentha, Moluccela, Nepeta, Perovskia, Phlomis, Plectranthus, Stachys, Teucrium. Un gran número de especies del Nuevo Mundo, incluyendo a Salvia, también son cultivadas en los jardines del Viejo Mundo (Rivera-Nuñez y Obón, 1992). 3.5 El género Salvia Salvia está distribuido ampliamente en el mundo, presentando una gran diversidad fenotípica caracterizada por sus estructuras florales especializadas (Claßen-Bockoff et al., 2003; Ramamoorthy y Elliot, 1998). Se distingue del resto de los miembros de la tribu Mentheae por presentar dos estambres monotecos, modificados formando una estructura de tipo palanca, que desempeña un papel central en el proceso de la transferencia de polen (Ramamoorthy y Elliot, 1998; Walker et al., 2004), mientras que el resto de los miembros de la tribu presentan cuatro estambres. La presencia de cuatro estambres es considerada como la condición ancestral dentro de la tribu Mentheae y la reducción en el número de estambres ha ocurrido varias veces de manera independiente. El cambio a dos estambres puede correlacionarse con la evolución del mecanismo de palanca en Salvia, cuyas características mejoran el éxito en la polinización (Drew y Sytsma, 2012). Entre los géneros de plantas en México, Salvia es el más notable y numeroso (Villaseñor, 2016). Las salvias americanas, particularmente las encontradas en México, Centro y Sudamérica, pertenecen en su mayoría al subgénero Calosphace (Ramamoorthy y Elliot, 1998). De todos los géneros de Lamiaceae, Salvia es el único que tiene el más amplio rango de variación en estructuras estaminales, que va desde los estambres donde las dos tecas están cortamente separadas y llevan polen fértil; hasta las especies donde sólo hay una única teca fértil que está ampliamente separada por el alargamiento del tejido conectivo y la otra teca se reduce a una placa plana de tejido estéril (Hedge, 1992). 11 Los mayores centros de diversificación del género Salvia son México/América Central (ca. 300 spp.), Norte y Centro de Sudamérica (ca. 150 y 60 spp., respectivamente), el Mediterráneo (ca. 250 spp.) y Asia (ca. 90 spp.) y con radiaciones más pequeñas en el Occidente de Norteamérica (19 spp.) y el Sur de África (ca. 30 spp.); su diversidad en las tierras altas del centro de México probablemente sea de las más altas que se conocen de cualquier género (Ramamoorthy y Elliot, 1998; Claßen-Bockoff et al., 2003; Walker et al., 2015). En México el género Salvia se ha extendido a todos los hábitats posibles, incluyendo las tierras bajas tropicales de la Península de Yucatán, donde S. serotina L. es endémica. Los tipos de vegetación de México en los que el género existe abarcan predominantemente bosques de Abies, de pino-encino, de encino y caducifolios, así como las zonas áridas. También se conocen especies alpinas (S. unicostata Fernald, en Tamaulipas) (Ramamoorthy y Elliot, 1998). 3.5.1 Características morfológicas del género Salvia Los integrantes del género Salvia son hierbas anuales o perenes, o arbustos, frecuentemente aromáticos, con tricomas simples o ramificados; las hojas son simples, dentadas, lobadas, pinatífidas o pinatisectas, raramente espinulosas (Harley et al., 2004). Las flores son zigomórficas, nunca solitarias; crecen en pares o en grupos y están arregladas en verticilos que a su vez, se agrupan en racimos paniculados (Ramamoorthy y Elliot, 1998). El arreglo de las flores de Salvia consiste en general de una cima reducida o contraida (címula). Esta puede consistir en una sola flor (por el aborto de los dos brotes laterales), o de varias flores (si cada brote lateral termina en una flor y a su vez desarrolla sus propios brotes laterales). Dos de estas címulas están en cada nodo y por lo tanto forman lo que parece un verticilo de flores. Dado que las flores se encuentran en pedicelos de distinta longitud, este “falso verticilo” es llamado un verticilastro o glomérulo. El arreglo de los glomérulos puede ser espigado, racemoso o paniculado (Reisfield, 1987; Santos, 1995). Las inflorescencias de Salvia subgénero Calosphace son de tipo politélicas, es decir, representan un sistema indefinido conformado por un racimo de flores que no se desarrolla completamente y permanece reducido en el ápice. La 12 inflorescencia principal del subgénero Calosphace es de tipo tirsoide (racimo de cimas) (Santos, 1995). Las brácteas son inconspicuas o grandes y algunas veces coloridas, caducas o persistentes, raramente espinulosas; el cáliz es relativamente uniforme, como en todas las labiadas cinco-lobulado, aunque a menudo dos-labiado, la variación consiste generalmente en el tamaño e indumento. La corola es bilabiada y puede ser blanca a amarilla, o morada a roja o azul; con un tubo recto, algunas veces invaginado o ventricoso; en ocasiones con un par de papilas dentro, o con un anillo de tricomas cerca de la base del tubo. El labio superior está formado por dos pétalos fusionados, puede ser recto o arqueado en forma de casco (gálea) envolviendo los estambres y el estilo; el labio inferior es trilobado y está formado por tres pétalos fusionados, a veces es reflejo y referido como una plataforma de aterrizaje para los polinizadores. El androceo está formado por dos estambres fértiles, el conectivo está alargado, generalmente se encuentra articulado en la unión con el filamento; con el par posterior vestigial o ausente, el par anterior es ascendente, situándose bajo el labio superior de la corola, incluido o exserto; los filamentos a menudo son más cortos que el conectivo (Reisfield, 1987; Ramamoorthy y Elliot, 1998; Harley et al., 2004; Ramamoorthy, 2005). 3.5.2 Tratamientos taxonómicos del género Salvia Bentham en Labiatarum Genera et Species (1832-1836) incluyó la descripción de 266 especies de Salvia divididas en 14 secciones, con los géneros Horminum, Sclarea, Aethiopis, Schraderia, Jungia, Stennarhena y Leonia listados como sinónimos de Salvia. Subdivisiones mayores dentro del género fueron basadas en la estructura estaminal: la forma del brazo posterior del conectivo y el grado de connación de éste. El estudio de Bentham fue el primero en considerar estos caracteres como significativos, además la morfología del cáliz también fue usada para distinguir sus 14 secciones, siendo Calosphace una de éstas y en la que incluyó 158 especies Neotropicales (Reisfield, 1987). En 1848 Bentham separó el género en 12 secciones, consideró 407 especies de Salvia, de las cuales 243 fueron asignadas a la sección Calosphace incluyendo en su interior a la sección Microsphace. Algunas de estas secciones fueron posteriormente 13 elevadas a subgéneros por autores posteriores. Ningún tratamiento comprensivo para el género Salvia ha sido completado desde este, a pesar del reconocimiento de más de 500 nuevas especies de Salvia (Walker, 2006). En Genera Plantarum, Bentham (1876) de nuevo reconoció 12 secciones dentro de Salvia basándose en la morfología estaminal. La sección Calosphace del Nuevo Mundo fue aquí elevada a un rango subgenérico, quedando Salvia dividido en cuatro subgéneros: Salvia, Sclarea, Leonia y Calosphace (Figura 2). Mientras que los subgéneros Salvia y Sclarea están representados en el Viejo Mundo, las especies del subgénero Leonia se encuentran tanto en el Viejo como en el Nuevo Mundo (Ramamoorthy y Lorence, 1987). Actualmente se reconocen cinco subgéneros: Salviastrum, Calosphace, Leonia, Sclarea y Audibertia (Walker et al., 2004; Walker y Sytsma, 2007, Jenks, 2009; Walker et al., 2015). Clasificación de Salvia, Bentham (1876) (No incluye Audibertia, Salviastrum) Subgénero Salvia - Viejo Mundo - Corola con anillo de tricomas - Tecas posteriores estériles, rudimentarias, conniventes Hymenosphace, Eusphace, Drymosphace Subgénero Sclarea - Viejo Mundo - Corola sin anillo de tricomas - Tecas posteriores estériles, formando una estructura llamada “glutinatorium” Horminum, Aethiopsis, Plethiosphace Subgénero Calosphace - Nuevo Mundo - Corola sin anillo de tricomas - Tecas posteriores estériles, connadas, formando una estructura llamada “vecciario” Calosphace Subgénero Leonia - Viejo y Nuevo Mundo - Corola con anillo de tricomas - Tecas posteriores fértiles, separadas Echinosphace, Pycnosphace, Heterosphace, Notiosphace, Hemisphace Figura 2. Clasificación subgenérica de Bentham para Salvia, basada en la morfología y diversidad de las estructuras estaminales (modificado de Walker et al., 2004). 14 El subgénero Calosphace fue originalmente descrito por Bentham (1832); sin embargo, la revisión de Epling (1939) para Calosphace sigue siendo el tratamiento más completo que hay (Ramamoorthy y Elliott, 1998; Walker et al., 2004). De las varias publicaciones de las 100 secciones reconocidas por Epling (Epling, 1939, 1940, 1941, 1947, 1951), en México existen 61 y de estas 26 son endémicas del país (Ramamoorthy, 1984; Ramamoorthy y Elliott, 1998; Martínez-Gordillo et al., 2013). Mientras que Bentham incluyó a Calosphace como parte de Salvia, trató a Audibertia como un género separado; sin embargo, Epling (1939) consideró a Audibertia como una sección de Salvia cercanamente relacionada con Calosphace (Walker et al., 2004). En el estudio hecho por Walker (2006), se menciona que Neisses (1983) investigó las relaciones dentro de Audibertia basándose en caracteres morfológicos, químicos y de polen, donde trató a Audibertia como una sección de Salvia; sugiriendo que no estaba relacionada con Calosphace y que tenía una relación más cercana con Rosmarinus y con grupos de Salvia del Viejo Mundo incluidos en el subgénero Leonia. 3.5.3 Relaciones filogenéticas dentro de Salvia La subfamilia Nepetoideae, es un grupo monofilético bien soportado por datos moleculares (Cantino et al., 1992; Wagstaff et al., 1995), e incluye a la tribu Mentheae (sensu Wagstaff et al., 1995), que es monofilética y contiene 73 géneros, dentro de los cuales se encuentra el género Salvia. Debido a la estructura estaminal de todas las especies de este género, Salvia había sido considerado como un grupo monofilético. Sin embargo, estudios filogenéticos basados en datos moleculares demuestran que Salvia es polifilético por la intercalación de los géneros Rosmarinus, Perovskia, Dorystaechas, Meriandra, Zhumeria y Pleudia entre sus grandes linajes (Walker et al., 2004, 2015; Walker y Sytsma, 2007; Will y Claßen-Bockoff, 2014; Will et al., 2015), formando un gran clado denominado Salvia sensu lato (s.l.) (Will y Claßen-Bockoff, 2014). Salvia s.l. se caracteriza por la aborción de los dos estambres abaxiales y comprende cuatro linajes distintos (clado I- IV), de los cuales tres se encuentran cercanamente relacionados con otros géneros, que carecen del mecanismo de palanca estaminal (Walker y Sytsma, 2007; Will y Claßen-Bockoff, 2014; Will et al, 2015; Will y 15 Claßen-Bockoff, 2017; Figura 3). Es por lo anterior que se considera que el carácter que distingue a Salvia del resto de los géneros de la tribu Mentheae (el alargamiento de su conectivo), se ha originado independientemente en cada uno de los grandes linajes de Salvia (Walker y Sytsma, 2007). A continuación, se mencionan las características de cada uno de los clados que conforman a Salvia s.l.: “Salvia Clado I” está ampliamente representado por especies del Viejo Mundo con un solo linaje presente en el Nuevo Mundo e incluye más de 250 especies. Forma un grupo monofilético junto con los géneros Rosmarinus y Perovskia (Walker et al., 2004; Walker y Sytsma, 2007; Figura 3), también se hace referencia a este clado como Salvia sensu stricto (s.s) (Will y Claßen-Bockoff, 2014; Will et al., 2015). Las salvias pertenecientes a este clado emplean el mecanismo de palanca para la polinización a comparación de Rosmarinus y Perovskia que no lo presentan. Este clado incluye todos los miembros de los subgéneros Sclarea y Leonia de Bentham. El linaje perteneciente al Nuevo Mundo incluye ocho especies de Salvia, cuatro de ellas pertenecen a la sección Heterosphace Benth., tres al subgénero Salviastrum y Salvia penstemonoides Kunth et Bouche (Walker, 2006). “Salvia Clado II” es un linaje monofilético exclusivamente del Nuevo Mundo y el más rico en especies. Comprende a los subgéneros Calosphace y Audibertia (que son grupos hermanos), además de incluir otros dos géneros: Meriandra y el género monotípico Dorystaechas restringidos a Etiopia y La India, y al suroeste de Anatolia, respectivamente (Walker et al., 2004; Walker y Sytsma, 2007; Figura 3). Salvia subgénero Audibertia, es un linaje monofilético que contiene 19 especies nativas de la Provincia Florística de California y de los desiertos adyacentes. Aunque los miembros del subgénero expresan un conectivo alargado, no emplean un mecanismo de palanca estaminal para la polinización, en cambio su grupo hermano el subgénero Calosphace si lo presenta (Walker et al., 2004; Walker y Sytsma, 2007; Walker et al., 2015). 16 La separación del subgénero Audibertia de las otras especies de Salvia ha sido basada principalmente en la estructura de sus estambres pues se les puede encontrar desde aquellos con anteras sésiles, hasta aquellos con la mitad de las anteras suprimidas y el filamento bien desarrollado, además del hábito arbustivo con la presencia de tallos lignificados en algunas especies (Epling, 1938). “Salvia Clado III” está formado por dos linajes, subclado III-A y subclado III-B, ambos formando una tricotomía junto con el género mono-específico Zhumeria (Figura 3). El subclado III-A está representado por Salvia aegyptiaca L. (Pleudia aegyptiaca (L.) M. Will) y Salvia sección Eremosphace Bunge, que conforman el género Pleudia Raf. reestablecido con los estudios moleculares de Will et al. (2015), con distribución en el Suroeste de Asia. Las especies que conforman el subclado III-B (Salvia aristata Aucher ex Benth, S. pterocalyx Hedge, S. vvedenskii Nikitina y S. margaritae Botsch.), al igual que las de Pleudia se encuentran en hábitats secos (Will y Claßen-Bockoff, 2014; Will et al., 2015). Las salvias de este linaje tienen los conectivos algo alargados, ambas tecas producen polen y la teca posterior nunca está fusionada (Walker y Sytsma, 2007). “Salvia clado IV” incluye cuatro especies del este de Asia y una especie europea (S. glutinosa L.) las cuales son exclusivamente herbáceas perennes (Will y Claßen- Bockoff, 2014). Este clado fue identificado recientemente por Will y Claßen-Bockoff (2014). 17 Figura 3. Relaciones filogenéticas resumidas entre los linajes de Salvia y géneros afines, donde se muestra la morfología del androceo para cada linaje (Tomado de Walker et al., 2015). 18 3.6 Salvia subgénero Calosphace El subgénero Calosphace (Benth.) Benth. es un grupo monofilético exclusivamente del Nuevo Mundo (El-Gazzar et al., 1968; Ramamoorthy y Lorence, 1987; Walker et al., 2004; Walker, 2006; Walker y Sytsma, 2007; Jenks, 2009; Jenks et al., 2013) con cerca de 600 especies e incluye cuatro grandes linajes: S. axillaris, clado Hastatae, clado Uliginosae y core Calosphace (Jenks, 2009; Jenks et al., 2013). Se encuentra separado del subgénero Audibertia por presentar la fusión de los conectivos posteriores estériles formando una estructura tipo palanca (excepto S. axillaris) (Walker y Sytsma, 2007), contienen diterpenoides como el abietano, así como también clerodano, los cuales han sido utilizados como base para interesantes conclusiones fitogeográficas (Ramamoorthy et al., 1988). Las especies de Calosphace se encuentran distribuidas desde las Grandes Llanuras de los Estados Unidos hasta Sudamérica, teniendo cuatro centros de diversidad. El centro primario de diversidad de especies es México y América Central con más de 300 especies, seguido de la Cordillera Andina, con alrededor de 155 especies. Otros centros de diversidad se encuentran en el oriente de América del Sur (60 spp.) y las Antillas (45 spp.) (Jenks et al., 2013). El occidente de México se ha sugerido como el centro de origen de Calosphace y Audibertia (Ramamoorthy et al., 1988; Reisfield, 1987; Jenks et al., 2013; Walker et al., 2015). 3.6.1 El clado Uliginosae Dentro de los primeros linajes en divergir del subgénero Calosphace, el clado Uliginosae forma un grupo monofilético. Este clado contiene especies de las secciones Tomentellae (Epling) Epling (“clado I Tomentellae”), Uliginosae Epling, Incarnatae Epling, Corrugatae (Benth.) Epling, Microsphace (Benth.) Epling, Rudes Epling y las secciones monotípicas Cucullatae Epling (S. clinopodioides Kunth) y Fernaldia Epling (S. albocaerulea Linden) (Jenks et al., 2013; Fragoso-Martínez, 2014). El mayor número de especies dentro de este clado son miembros de la sección Uliginosae; una sección con distribución disyunta y con especies que se encuentran repartidas en dos centros de diversidad: México y Brasil. Existen indicios de dos eventos de dispersión hacia América del Sur: uno dentro de la sección Uliginosae hacia el oriente del Centro Brasileño de 19 diversidad incluyendo Uruguay y el oriente de Paraguay, representado por S. uliginosa y S. procurrens Benth. y el otro hacia el oriente de los Andes, representado por la sección Corrugatae (Jenks et al., 2013). En el clado Uliginosae se presentan al menos dos síndromes de polinización, ornitofilia y melitofilia (Wester y Claßen-Bockhoff, 2011). La característica más distintiva del clado es una estructura estaminal única, que consiste en una sinapomorfía, un apéndice al que Jenks (2009) llamó diente ascendente, localizado en el lado ventral de cada brazo posterior del conectivo y que en este estudio se sugiere denominar como genículo por su forma doblada, las tecas vestigiales se encuentran sobre este de acuerdo con los estudios de Claßen-Bockoff et al. (2004b), y se considera como diente al apéndice que se encuentra en la parte ventral justo en la región donde se fusionan los estambres como también lo indicaron estos autores para S. uliginosa Benth. 3.7 Características generales del androceo y el androceo en Salvia En las angiospermas, el androceo consiste en los órganos funcionales masculinos, los estambres, y algunas veces órganos estériles adicionales derivados de los estambres, los estaminodios (Endress, 1994). El término androceo proviene del griego andros= hombre, oicos = vivienda, hogar. Los estambres de las angiospermas se encuentran en diferentes formas y configuraciones, se producen individualmente o en múltiplos, independientes, o fusionados uno con otro, o con otras partes florales y son variables en número, según el grupo taxonómico (Scagel et al., 1987; D´arcy, 1996; Ludlow, 2013). Los estambres están constituidos de dos partes morfológicamente distintas, el filamento y la antera. El filamento es un tubo de tejido vascular y parénquima que ancla el estambre a la flor y sirve como un conductor de agua y nutrimentos (Goldberg et al., 1993), y en su extremo superior lleva una antera, que es el órgano portador de polen. Las anteras de las angiospermas tienen una organización uniforme: la antera presenta dos lóbulos o tecas (bilobular o diteca), estos lóbulos se encuentran unidos por un tejido conectivo que con frecuencia es delgado y a su vez une a las tecas con el filamento, el único haz vascular del estambre generalmente se extiende dentro del conectivo. Cada teca está formada por dos microsporangios (sacos de polen), dentro de los cuales se 20 forman los granos de polen, por lo que una antera típica se encuentra constituida por cuatro sacos de polen dispuestos en pares en dos tecas laterales, una característica distintiva de las angiospermas (Scagel et al., 1987; Endress, 1994; Endress, 1996; D´arcy, 1996; Jaramillo, 2006; Evert y Eichhorn, 2013; Ludlow, 2013). Sin embargo, no en todas las angiospermas los estambres están formados por un filamento ya que puede estar ausente y la antera ser sésil (Ludlow, 2013). En la madurez cada teca generalmente se abre por una hendidura longitudinal, a lo largo de una línea de dehiscencia, o estomio, el cual se encuentra entre los dos sacos de polen de cada teca y a través del cual el contenido de sus sacos polínicos es liberado (Endress, 1994; Endress, 1996; Scagel et al., 1987). Sin embagro, en algunas familias como Malvaceae se presenta una sola teca, siendo las anteras monotecas. En algunos taxa, los estambres pueden perder su función como estructura formadora de microsporas y degenerar en estambres infértiles que son conocidos como estaminodios. Estos pueden no mostrar ninguna diferencia morfológica respecto de los estambres funcionales, o bien, presentar morfología diferente, estar hipertrofiados en una estructura larga y petaloide o pueden quedar muy reducidos de tamaño (Ludlow, 2013). 3.7.1 El androceo de Salvia subgénero Calosphace a) Diversidad estaminal en Salvia En la revisión hecha por Claßen-Bockhoff et al. (2003) se menciona que la morfología, anatomía y morfogénesis del aparato estaminal de Salvia ha sido investigada por Hildebrand (1865), Müller (1873), Correns (1891), Troll (1929), Hruby (1934), Trapp (1956) y Werth (1956) y que estos autores afirmaron que solo dos de los cuatro primordios de los estambres quedan completamente desarrollados, mientras que los otros dos están reducidos a estaminodios inconspicuos. Por otro lado, en los estudios hechos por Claßen- Bockhoff et al. (2004b) y Walker y Sytsma (2007) se menciona que la primer sinopsis morfológica del género fue presentada por Himmelbaur y Stribal (1932-1934), estos autores ilustraron diversas formas de los estambres y trataron de reconstruir su evolución. Dependiendo del número de tecas fértiles, la forma de la palanca y la formación del brazo de palanca inferior, distinguieron cinco tipos principales de estambres, además de 21 abordar la hipótesis de la evolución paralela del mecanismo de palanca (desde un ancestro común) en el Nuevo y Viejo Mundo. En las especies del género Salvia sólo dos estambres son funcionales (abaxiales) y dos están reducidos a estaminodios inconspicuos (adaxiales). Las tecas de cada uno de los estambres funcionales se caracterizan por estar separadas por tejido conectivo alargado transversalmente. La morfología estaminal dentro del subgénero Calosphace es relativamente uniforme, pues los brazos anteriores de la palanca o polinatorios siempre llevan dos tecas fértiles, que se pueden encontrar insertas o exsertas del labio superior de la corola o gálea. Por otro lado, las tecas posteriores son estériles con los conectivos de ambos estambres alargados y fusionados entre sí por tricomas epidérmicos en sus márgenes internos (excepto para las secciones Hastatae (Benth.) Epling, Blakea Epling, Standleyana Epling y Axillares (Benth.) Epling), dando origen a una estructura tipo palanca que recibe el nombre de vecciario, gubernáculo o balancín y que generalmente restringe el acceso al néctar. Al ser empujado hacia atrás el vecciario, hace que las anteras bajen y tengan contacto con el polinizador, depositando el polen en un lugar específico de su cuerpo y así formando el conocido mecanismo de palanca para la polinización (Reisfield, 1987; Espejo y Ramamoorthy, 1993; Claßen-Bockoff et al., 2003; Claßen-Bockhoff et al., 2004a; Harley et al., 2004; Walker et al., 2004; Walker, 2006; Reith et al., 2006; Walker y Sytsma, 2007). Las palancas pueden encontrarse curveadas o rectas, estas últimas a su vez pueden ser planas o con formaciones anteriores ligeramente dirigidas hacia abajo (S. rypara Briq.) o hacia arriba (S. uliginosa) (Claßen- Bockoff et al., 2004b). Los estambres varían considerablemente en tamaño, forma y proporciones, pero generalmente todos presentan un ligamento delgado de tipo cinta entre el conectivo y el filamento, formando una articulación. La articulación se encuentra rodeada por formaciones secundarias tanto del filamento como del conectivo y permite un movimiento reversible que causa la transferencia de polen (Wester y Claßen-Bockoff, 2006, 2007). 22 La terminología descriptiva para Salvia se ha vuelto algo confusa debido a que varios autores describen los caracteres reproductivos de forma diferente, en especial para los estambres (Reisfield, 1987). A la parte fértil del androceo se le ha denominado “brazo superior de la palanca”, “brazo anterior de la palanca”, “brazo superior del conectivo”, “brazo fértil del conectivo” o “polinatorios” y para hacer referencia a la parte posterior estéril o balancín, se le ha denominado “brazo inferior de la palanca”, “brazo posterior de la palanca”, “brazo inferior del conectivo”, “brazo estéril del conectivo”, “rama estéril”, ”timón”, “vecciario” o “gubernáculo” (Reisfield, 1987; Ramamoorthy y Elliott, 1998; Claßen-Bockoff et al., 2004a, b; Wester y Claßen-Bockoff, 2006). Los términos anterior y posterior se han utilizado con mayor frecuencia, pero no describen adecuadamente la posición de los respectivos brazos conectivos, por lo que resulta conveniente hacer referencia al brazo anterior y posterior del conectivo del androceo del subgénero Calosphace, utilizando la terminología “polinatorios” y “vecciario”, respectivamente (Figura 4). Teniendo en cuenta que el vecciario es la región estéril fusionada por tricomas epidérmicos, para S. axillaris, que es la única especie del subgénero que no presenta fusionada esta región, es conveniente utilizar la terminología “brazo posterior del conectivo”. En Salvia s.l., el brazo estéril de la palanca se encuentra modificado en varias formas que van desde aquellas con largas estructuras tridimensionales (S. argentea L.) hasta aquellas con apéndices reducidos (S. verticillata L.) (Claßen-Bockoff et al., 2004b). Aunque la teca vestigial de cada estambre generalmente se encuentra en el extremo distal del brazo posterior del conectivo (S. sapinea; Figura 4B), en algunas especies particularmente del subgénero Calosphace parece que la teca vestigial de cada estambre se encuentra como una pequeña protuberancia en la parte ventral del tejido conectivo cerca de la unión de éste con el filamento, como en S. prunelloides (clado Uliginosae) (Walker et al., 2004; Walker y Sytsma, 2007; Figura 4A). 23 Figura 4. Brazos conectivos y ubicación de las tecas vestigiales en Salvia subg. Calosphace. A) S. prunelloides, la teca vestigial ubicada en la parte ventral del vecciario. B) S. sapinea con las tecas vestigiales ubicadas en el extremo posterior del vecciario. b) Morfología de los estambres encontrados en Salvia clado II Cuatro tipos de estambres se identifican en las salvias del subgénero Calosphace: 1) El primero se encuentra en S. axillaris donde las tecas posteriores están presentes sin estar fusionadas una con la otra, por lo tanto, no se presenta el mecanismo de palanca estaminal, aunque el conectivo esté alargado. 2) Las secciones Standleyana, Blakea y Hastatae presentan un tipo de estambre en el que las tecas posteriores están abortadas y pueden encontrarse poco fusionadas o no estarlo, en este grupo las palancas estaminales son funcionales (Walker, 2006; Jenks, 2009). 3) Otro tipo de estambre es el que presenta palancas rectas y funcionales, con vecciarios planos o en algunas ocasiones con proyecciones anteriores direccionadas hacia abajo o hacia arriba y 24 fusionados por tricomas epidérmicos. 4) Por último, el tipo de estambre en el que los vecciarios son enteros o con un pequeño diente retrorso cerca del punto de unión del filamento (Jenks, 2009). Otros dos tipos de estambres son encontrados en el subgénero Audibertia, uno con la teca posterior reducida y el otro con la teca y el brazo posterior del conectivo abortados. Los géneros Meriandra y Dorystaechas, incluidos en este clado, presentan un tipo de estambre en el que sus anteras están separadas por un conectivo ligeramente alargado (Figura 5) (Walker y Sytsma, 2007). Tipos de estambres del subgénero Calosphace, Audibertia y géneros hermanos Con mecanismo de palanca estaminal Sin mecanismo de palanca estaminal Salvia subgénero Calosphace Salvia subgénero Audibertia Meriandra Dorystaecha s Standleyana, Blakea y Hastatae S. axillaris Tecas posteriores abortadas, ligeramente fusionadas Palancas con formaciones anteriores Vecciarios con un diente retrorso presente Tecas posteriores presentes, pero no fusionadas Teca y brazo conectivo posterior abortado Teca posterior reducida Conectivo ligeramente alargado Conectivo ligeramente alargado Figura 5. Representación de los tipos de estambres encontrados en el clado II de Walker et al., (2004), mostrando el alargamiento del tejido conectivo y la variación morfológica (modificado de Walker y Sytsma, 2007). 3.7.2 El mecanismo de palanca estaminal en Salvia El mecanismo estaminal para la polinización en Salvia ha sido considerado una innovación clave que ha promovido la radiación adaptativa del género (Claßen-Bockoff et al., 2004a). Siendo posible la formación de las palancas por el alargamiento del tejido conectivo de los estambres (Claßen-Bockhoff et al., 2003, 2004a, 2004b). Claßen- Bockhoff et al. (2003), mencionan que Correns (1891) llevó a cabo las primeras investigaciones biomecánicas probando la elasticidad de la articulación, para la que encontró que era torsional y Zalewska (1928) examinó por primera vez la diversidad y el significado evolutivo del mecanismo de palanca en el género Salvia, tomó la clasificación de Correns (1891), agrupando a las especies con palancas flexibles e inflexibles. Tanto 25 en la clasificación de Correns (1891) como en la de Zalewska (1928) se concluye que la diversidad de las palancas estaminales podría haber evolucionado de un típico estambre de una angiosperma por el alargamiento del conectivo, la reducción de la teca inferior, la fusión de los brazos conectivos estériles, y la formación de una articulación torsional entre el filamento y el conectivo (Figura 6). Figura 6. Origen de la morfología estaminal de Salvia subgénero Calosphace. La serie parte de un estambre típico donde se da el alargamiento del conectivo (color gris), ocasionando la separación de las tecas y la formación de las palancas estaminales (Modificado de Walker y Sytsma, 2007). Las palancas estaminales muestran un amplio rango de formas, proporciones relativas y estructuras adicionales de importancia funcional (Claßen-Bockhoff et al., 2004b). Se asume que diversas estructuras de los vecciarios son de valor adaptativo. La diversidad de los vecciarios se incrementa por varias formaciones secundarias, las cuales pueden encontrarse en el margen exterior e interior de éste (S. argentea); en otras especies como S. uliginosa y S. leucantha Cav., forman pequeñas estructuras tipo diente, en el lado ventral del vecciario. En S. uliginosa, una protuberancia secundaria en el lado dorsal del brazo conectivo inferior hace que la palanca sea recta, reubicando la teca estéril en su lado ventral. Por otro lado, S. rypara Briq. muestra una protuberancia ventral, con la teca estéril permaneciendo al final de la palanca recta. En ambas especies, el curso de los haces vasculares, la apariencia de tricomas y la ultraestructura específica de la superficie epidérmica claramente soportan la interpretación de que los brazos de 26 palanca inferior son análogos en relación con la posición de la teca estéril (Claßen- Bockhoff et al., 2004b). El mecanismo estaminal de palanca pudo haber surgido para promover la fertilidad masculina reduciendo la perdida de gametos, al actuar en conjunto con la corola bilabiada, haciendo más eficiente el depósito de polen en el cuerpo de los polinizadores (Claßen-Bockoff et al., 2004a), lo que puede contribuir al aislamiento reproductivo. Este mecanismo ha surgido al menos tres veces independientemente (en cada uno de los linajes de Salvia s.l.), cada una de ellas con distinta morfología (Walker y Sytsma, 2007). 3.7.3 El mecanismo de palanca estaminal en especies ornitófilas Dentro de las especies ornitófilas de Salvia subgénero Calosphace, existen al menos dos mecanismos diferentes de transferencia de polen que presentan variación en la funcionalidad de la palanca estaminal. Con especies con mecanismo de palanca funcional y especies donde las palancas estaminales son inactivas (Wester y Claßen- Bockhoff, 2006). De acuerdo con Wester y Claßen-Bockoff (2007), las especies de Salvia polinizadas por aves pueden ser clasificadas en tres grupos: I) Especies con palanca estaminal activa: S. fulgens Cav. representa a este grupo de especies, donde los estambres se encuentran fusionados el uno al otro por tricomas y los vecciarios son rígidos y amplios (Figura 7A). Estos, alcanzan la superficie inferior de la corola, bloqueando la entrada y formando un contrafuerte contra los picos de las aves. La palanca estaminal se mueve fácilmente debido a que hay un ligamento flexible y delgado (articulación) en la región donde se une el filamento con el conectivo (Figura 7B) y el movimiento se estabiliza por unas protuberancias que se desarrollan alrededor de la articulación. Durante el movimiento de la palanca el ligamento se tuerce y el movimiento es reversible. Cuando el ave deja la flor, debido a la tensión del ligamento, los sacos de polen se balancean hacia atrás volviendo a su posición original. Dentro de las salvias ornitófilas un total de 92 especies tienen un movimiento de palanca activo con una articulación que funciona bien, sacos polínicos ocultos en la galea o labio superior de la corola y la entrada de la flor bloqueada (Wester y Claßen-Bockhoff, 2007). 27 Figura 7. Fusión del vecciario y articulación del filamento en Salvia fulgens. A) tricomas que causan la fusión de los dos brazos conectivos y el área de la articulación de los dos estambres mostrando el ajuste preciso entre los filamentos (f) y los brazos conectivos anterior y posterior (ac/pc). B) conectivo (c) con ligamento (l) y el punto de inserción del filamento; escala de la barra A=2mm; B=500 μm (modificado de Wester y Claßen-Bockhoff, 2007). II) Especies con palanca estaminal inactiva: Diferentes características morfológicas se ven asociadas con la pérdida en la funcionalidad de la palanca estaminal, en estas especies las palancas estaminales están bien desarrolladas pero no pueden ser movidas debido a que los tubos de la corola se encuentran demasiado alargados y estrechos y a que los brazos conectivos se encuentran muy cercanos a la superficie del labio superior de la corola, de modo que no hay espacio para que se genere algún movimiento y por lo tanto la entrada de la corola no queda bloqueada. Lo anterior, refleja una adaptación a la polinización por colibríes (Claßen-Bockoff et al., 2004b; Wester y Claßen-Bockoff, 2006, 2007). Hay 59 especies caracterizadas no solo por carecer de movimiento de la palanca estaminal, sino también por tener polen libremente accesible y una articulación del filamento, más o menos funcional. En las especies pertenecientes a este grupo, las tecas están exsertas en varios grados o posicionadas debajo del labio superior de la corola, pueden estar orientadas de forma paralela, diagonal, cruzadas, o en una posición variable relativa a una de la otra. En este grupo de especies, los ligamentos de las articulaciones difieren en su funcionalidad, pueden estar bien desarrollados (S. cacaliifolia Benth. y S. iodantha Fernald), ser fácilmente quebradizos (S. striata Benth.) o ser amplios y parcialmente endurecidos (algunas veces en S. longistyla Benth.). Sin embargo, hay dos especies que carecen completamente de una articulación, S. elegans Vahl y S. cinnabarina (Calosphace: Incarnatae). En estas 28 especies, el filamento se encuentra fijado al vecciario por un tejido delgado, por lo que hay más rigidez y el movimiento de la palanca es imposible (Wester y Claßen-Bockhoff, 2007). III) Este grupo es heterogéneo, pues las especies que aquí se incluyen tienen palancas estaminales funcionales como en el grupo I y con polen libremente accesible como en el grupo II (excepto S. tubifera Cav.) (Wester y Claßen-Bockhoff, 2007). 3.8 Polinización y síndromes de polinización en Salvia Las flores tienen un rol crucial en el proceso de reproducción de las angiospermas (Willmer, 2011). La transferencia de polen entre flores mediante animales o agentes abióticos es un evento crítico en la reproducción de la mayoría de las especies de plantas con flores. Hay dos sistemas básicos de atracción de los polinizadores a las flores. Estos son las recompensas o “atracciones primarias” y advertencias o “atracciones secundarias” (Faegri y Van der Pijl, 1979; Fenster et al., 2004). La mayoría de las plantas atraen polinizadores a sus flores ofreciéndoles recompensas florales, las más comunes incluyen el néctar, polen y partes comestibles. En cambio, otras especies no ofrecen recompensas del todo, en lugar de esto engañan a sus polinizadores, provocando la visita sin alguna compensación. Por otro lado, las advertencias incluyen los colores brillantes de las flores, distintas formas florales y fragancias características (Scott, 2012). El síndrome de polinización es conocido como el conjunto de características florales, incluyendo recompensas, relacionadas con la atracción de uno o más grupos particulares de polinizadores (Fenster et al., 2004; Willmer, 2011). Algunas de estas características son el color de la corola, tamaño y forma, y los tipos de recompensa como la cantidad y concentración de néctar (Faegri y van der Pijl, 1979). Por lo tanto, se han utilizado términos como ornitofilia para describir al síndrome de polinización por aves, melitofilia para el síndrome de polinización por abejas y psicofilia para el síndrome de polinización por mariposas (Willmer, 2011). En Salvia las especies cuyas características florales no se ajustan a los tres grupos mencionados y que son tan variables en su morfología que permiten el acceso a varios grupos de polinizadores a la vez, se denominan especies intermedias (Wester y Claßen-Bockhoff, 2011). 29 Los síndromes de polinización implican un proceso de especialización debido a que los atributos florales limitan las visitas a determinados polinizadores. Las plantas pueden adaptarse a diferentes grupos funcionales de polinizadores de acuerdo con la semejanza en las presiones selectivas que ejercen. Aproximadamente el 75% de las especies de plantas con flores muestran especialización sobre grupos funcionales. Los grupos funcionales de polinizadores pueden contener muchas especies o solo una especie y cualquier especie particular de polinizador puede pertenecer a múltiples grupos funcionales (Fenster et al., 2004). La polinización cruzada en Lamiaceae es efectuada por animales, de los cuales el grupo más diverso es el de los insectos. La atracción visual de las flores o inflorescencias a los polinizadores juega un papel importante en la polinización; sin embargo, en algunos casos las esencias de las flores pueden ser importantes (Harley et al., 2004). En Lamiaceae hay numerosos géneros con especies adaptadas a diferentes grupos de polinizadores. Durante las diferentes estaciones y en las diferentes localidades el rango de polinizadores puede variar, no obstante, sólo los animales que corresponden en tamaño y forma con las flores y que por lo tanto al tener acceso al néctar su cuerpo tiene contacto con las anteras y el estilo de la flor, son considerados como polinizadores. Algunos visitantes florales pueden ser atraídos y tener acceso al néctar, pero no son considerados polinizadores si no tocan los órganos reproductivos, como por ejemplo, en algunos miembros de Salvia, si el estigma o los sacos de polen están muy exsertos para ser tocados por una abeja, o si el visitante no tiene las proporciones necesarias que le permitan accionar la palanca estaminal (Wester y Claßen-Bockhoff, 2011). En Salvia s.l. la morfología floral y la coloración de las corolas, así como observaciones hechas en campo por Wester y Claßen-Bockhoff (2006, 2007, 2011), sugieren que los visitantes de las flores incluyen abejas, mariposas, colibríes y polillas. La radiación adaptativa en Salvia se refleja por una diversidad de polinizadores de varios grupos de insectos y aves (Claßen-Bockoff et al., 2003). Aunque los miembros del género atraen una gran diversidad de visitantes a sus flores, los principales polinizadores descritos para las especies del subgénero Calosphace han sido abejas y colibríes 30 (Ramamoorthy y Elliott, 1998). Sin embargo, las abejas son el grupo polinizador dominante en el género (Claßen-Bockoff et al., 2004a). Dependiendo de la precisión de la transferencia de polen por el mecanismo de palanca y del ajuste morfométrico entre las estructuras florales y los polinizadores, cada especie de Salvia deposita su polen en un lugar más o menos específico del cuerpo del polinizador (Claßen-Bockoff et al., 2004a). La posición de las palancas estaminales, así como la longitud de estas permite diferentes
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