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

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

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

Ontogenia de los estróbilos, desarrollo de los esporangios y esporogénesis de Equisetum giganteum (Equisetaceae) en los Andes de Colombia

Ontogeny of strobili, sporangia development and sporogenesis in Equisetum giganteum (Equisetaceae) from the Colombian Andes. Studies on the ontogeny of the strobilus, sporangium and reproductive biology of this group of ferns are scarce. Here we describe the ontogeny of the strobilus and sporangia, and the process of sporogenesis using specimens of E. giganteum from Colombia collected along the Rio Frio, Distrito de Sevilla, Piedecuesta, Santander, at 2 200m altitude. The strobili in different stages of development were fixed, dehydrated, embedded in paraffin, sectioned using a rotatory microtome and stained with the safranin O and fast green technique. Observations were made using differential interference contrast microscopy (DIC) or Nomarski microscopy, an optical microscopy illumination technique that enhances the contrast in unstained, transparent. Strobili arise and begin to develop in the apical meristems of the main axis and lateral branches, with no significant differences in the ontogeny of strobili of one or other axis. Successive processes of cell division and differentiation lead to the growth of the strobilus and the formation of sporangiophores. These are formed by the scutellum, the manubrium or pedicel-like, basal part of the sporangiophore, and initial cells of sporangium, which differentiate to form the sporangium wall, the sporocytes and the tapetum. There is not formation of a characteristic arquesporium, as sporocytes quickly undergo meiosis originating tetrads of spores. The tapetum retains its histological integrity, but subsequently the cell walls break down and form a plasmodium that invades the sporangial cavity, partially surrounding the tetrads, and then the spores. Towards the end of the sporogenesis the tapetum disintegrates leaving spores with elaters free within the sporangial cavity. Two layers finally form the sporangium wall: the sporangium wall itself, with thickened, lignified cell walls and an underlying pyknotic layer. The mature spores are chlorofilous, morphologically similar and have exospore, a thin perispore and two elaters. This study of the ontogeny of the spore-producing structures and spores is the first contribution of this type for a tropical species of the genus. Fluorescence microscopy indicates that elaters and the wall of the sporangium are autofluorescent, while other structures induced fluorescence emitted by the fluorescent dye safranin O. The results were also discussed in relation to what is known so far for other species of Equisetum, suggesting that ontogenetic processes and structure of characters sporoderm are relatively constant in Equisetum, which implies important diagnostic value in the taxonomy of the group. Rev. Biol. Trop. 59 (4): 1845-1858. Epub 2011 December 01.

Estudios sobre la ontogenia del estróbilo, los esporangios y la biología reproductiva de Equisetum son escasos, por lo tanto, para la especie E. giganteum, se estudiaron estos aspectos en especímenes recolectados a orillas del Río Frío, Santander, Colombia (2 200m). Los estróbilos en diferentes etapas de maduración fueron fijados, deshidratados, embebidos en parafina, seccionados en micrótomo rotatorio y teñidos con safranina O-fast green. Las observaciones se efectuaron mediante un microscopio óptico de alta resolución con contraste diferencial de interferencia (DIC) y microscopio de fluorescencia. Los estróbilos se inician a partir del meristemo apical, tanto en el eje principal como en los laterales, sin diferencias en el proceso de ontogenia y esporogénesis entre estróbilos de diferentes ejes. Sucesivas mitosis y diferenciación celular conducen al crecimiento del estróbilo, y a la formación de los esporangióforos peltados, formados por el manubrio, o porción basal con aspecto de pedicelo, el escutelo, o porción apical aplanada y las iniciales del esporangio, los cuales se diferenciarán para formar la pared del esporangio, los esporocitos y el tapete. No se forma arquesporio y los esporocitos experimentan meiosis para formar tétradas de esporas. El tapete mantiene la integridad histológica hasta la formación de las tétradas y en esa etapa forma un plasmodio que invade la cavidad esporangial la cual rodea parcialmente las tétradas y luego las esporas, y aparecen las cámaras plasmodiales, un término propuesto aquí para las formaciones designadas en inglés "tapetal gaps". La pared del esporangio queda reducida a dos capas celulares: una externa con engrosamientos lignificados en todas las paredes celulares y una interna picnótica. Al finalizar la esporogénesis, el tapete degenera, y las esporas, con exosporio, perisporio delgado, casi membranáceo y eláteres quedan libres en la cavidad esporangial. El esporodermo, los núcleos y nucléolos presentan fluorescencia roja, inducida por coloración con safranina O, mientras que los eláteres y las células de la pared del esporangio presentan autofluorescencia amarillo-naranja.

Ontogenia del esporangio y esporogénesis del licopodio Huperzia brevifolia (Lycopodiaceae) de las altas montañas de Colombia

Sporangia ontogeny and sporogenesis of the lycopodium Huperzia brevifolia (Lycopodiaceae) from the high mountains of Colombia. Huperzia brevifolia is one of the dominant species of the genus Huperzia living in paramos and superparamos from the Colombian Andes. A detailed study of the sporangium’s ontogeny and sporogenesis was carried out using specimens collected at 4200m above sea level, in Parque Natural Nacional El Cocuy, Colombia. Small pieces of caulinar axis bearing sporangia were fixed, dehydrated, paraffin embedded, sectioned in a rotatory microtome, and stained using the common Safranin O-Fast Green technique; handmade cross sections were also made, stained with aqueous Toluidine Blue (TBO). The sporangia develops basipetally, a condition that allows observation of all the developmental stages taking place throughout the caulinar axis of adult plants. Each sporangium originates from a group of epidermal cells, axilar to the microphylls. These cells undergo active mitosis, and produce new external and internal cellular groups. The sporangium wall and the tapetum originate from the external group of cells, while the internal cellular group leads to the sporogenous tissue. Meiosis occur in the sporocytes and produce simultaneous types tetrads, each one giving rise four trilete spores, with foveolate ornamentation. During the sporangium ripening, the outermost layer of the wall develops anticlinally, and inner periclinal thickenings and the innermost one perform as a secretory tapetum, which persists until the spores are completely mature. All other cellular layers colapse. Rev. Biol. Trop. 57 (4): 1141-1152. Epub 2009 December 01.

Se describe la ontogenia y la esporogénesis en H. brevifolia, en material recolectado en el Parque Nacional Natural El Cocuy (Boyacá-Colombia) a 4200m de altitud. Los esporangios se desarrollan de forma basípeta sobre el eje caulinar: los iniciales y juveniles se localizan en el ápice y los adultos a maduros, en la base. El desarrollo se inicia a partir de un grupo de células epidérmicas localizadas en las axilas que forman los microfilos con el eje caulinar. Estas células se dividen activamente por mitosis formando una masa celular externa y otra interna. La primera da origen a la pared del esporangio, de varios estratos celulares; de éstos, el estrato externo desarrolla engrosamientos en las paredes anticlinales y en la periclinal interna. El estrato celular interno se diferencia para formar el tapete secretor. Los demás estratos celulares de la pared se degradan durante la maduración del esporangio. La masa celular interna da origen al tejido esporógeno que forma los esporocitos, que experimentan la meiosis I hasta la etapa de díada. La meiosis II concluye con la formación de tétradas, constituidas por esporas en disposición tetraédrica. Las esporas son foveoladas con abertura trilete y son liberadas del esporangio a través de la dehiscencia.