Orchis longicornu Poiret in Sardinia: genetic, morphological and chorological data

Summary

Data are given on the genetic structure, morphology and chorology of the Long-Spurred orchid, Orchis longicornu Poiret (1789) from Sardinia and the occurrence in this island of the morphologically similar Orchis morio L. (1753), often recorded for Sardinia, is investigated. The genetic analysis of 27 enzyme loci in population samples from locations where both species had been recorded showed that: (i) in the population samples from Sardinia the polymorphic loci are in Hardy-Weinberg equilibrium; (ii) these samples are genetically poorly differentiated from each other (average Nei's D = 0.01): less than 2% of the overall genetic variation observed is attributable to differences between populations (G _ST = 0.015); (iii) a high rate of gene flow was estimated between Sardinian populations: Nm ≈ 4, possibly owing to seed dispersal by wind; (iv) when Sardinian samples are compared with O. morio from continental Italy, significant differences in genetic variation were observed: average H_e = 0.16 in the former, 0.12 in the latter; (v) the genetic distance found between Sardinian populations and those of O. morio from continental Italy is relatively high: average Nei's D = 0.18, average Rogers' D = 0.22; (vi) highly significant differences in allele frequencies were found at a number of loci (Mdh-2, Sod-3, Pgm-1, Gpi-1, Gpi-2) between populations from Sardinia and continental Italy, each giving a probability of correct identification that varies from 0.90 to 1 (diagnostic loci). These findings provide evidence that O. morio is not present in the material genetically analyzed from Sardinia, which includes a single species, apparently corresponding to O. longicornu. The slight heterogeneity observed at some loci in the Sardinian population samples can be attributed in some cases (e.g. Mdh-1, Adh, Est-6) to local differences, possibly adaptive; in others (e.g. Pgm-1 and Gpi-1) to genetic drift effects. The hypothesis that some alleles (Gpi-1 ¹⁰⁰, Dia ¹⁰¹, NADHdh-2 ⁹⁶) found in O. morio and recorded at low frequency in a few Sardinian populations reflect palaeointrogressive phenomena (owing to sporadical immigrant individuals of O. morio having diluted their genes in O. longicornu genome through multiple generations of backcrosses) is not sufficiently supported by the available data. The genetic data are in agreement with the results from morphological studies. These involved the examination of about 1500 specimens (both alive and dried) from all over Sardinia, and their comparison with herbarium specimens of O. longfcornu from patria typica (Algeria) and of O. morio from continental Italy. The typification of O. longicornu is given. The specimens from Sardinia correspond well, on a morphological basis, to the Algerian ones and therefore were all assigned to O. longicornu. Several characters were considered, differentiating O. longicornu from O. morio both in fresh and dried specimens. However, some of them, currently used in diagnostic keys, show much overlap between the two species. This explains the quotations of O. morio from Sardinia, that appear to be misidentifications of O. longicornu. A description of O. longicornu from Sardinia is provided, and its distribution in the island is defined, on the basis of (i) a critical revision of literature records, and (ii) the examination of fresh and dried Sardinian specimens. O. longicornu is shown to be widespread throughout Sardinia, living in many different habitats from 0 to 1500 m a.s.l.

Nel presente lavoro sono riportati i risultati di ricerche sulla struttura genetica, sulla morfologia e sulla distribuzione di Orchis longicornu Poiret (1789) in Sardegna. Inoltre viene indagato il problema della presenza in quest'isola di Orchis morio L. (1753). Questa specie, morfologicamente simile a O. longicornu, è segnalata per la Sardegna nella quasi totalità dei lavori. L'analisi genetica di 27 loci enzimatici in popolazioni provenienti da località dell'isola in cui erano state citate entrambe le specie ha mostrato che nei campioni sardi i loci polimorfici sono in equilibrio di Hardy-Weinberg; tali campioni sono assai poco differenziati geneticamente tra loro: la distanza genetica media (D) secondo Nei è 0,01; inoltre meno del 2% della variazione genetica totale osservata è attribuibile a differenze interpopolazionali (G_ST = 0,015). Il flusso genico tra le popolazioni sarde risulta elevato: Nm ≈ 4, ed è probabilmente da attribuire a trasporto passivo di semi ad opera del vento. Il confronto tra le popolazioni sarde e campioni rappresentativi di O. morio dell'Italia continentale mostra differenze significative nella variabilità genetica: l'eterozigosi media attesa (H_e) è rispettivamente 0,16 e 0,12. La distanza genetica tra le popolazioni della Sardegna e quelle di O. morio dell'Italia continentale è relativamente elevata: D secondo Nei = 0,18, D secondo Rogers = 0,22. Tra questi due gruppi di popolazioni sono state osservate differenze altamente significative nelle frequenze alleliche a vari loci (Mdh-2, Sod-3, Pgm-1, Gpi-1, Gpi-2). Ciascuno di tali loci dà una probabilità di identificazione corretta che varia da 0,90 a 1 (loci diagnostici). Questi risultati dimostrano l'assenza di O. morio nel materiale della Sardegna analizzato geneticamente; tale materiale va attribuito a un'unica specie, che verosimilmente corrisponde a O. longicornu. L'eterogeneità genetica, assai bassa, osservata tra le popolazioni sarde è dovuta ai loci Est-6, Mdh-1, Dia, NADHdh-2, Pgm-1, Gpi-1 e Adh. Per alcuni di tali loci (Mdh-1, Adh, Est-6) essa è attribuibile a fenomeni di relativo isolamento geografico e di selezione; per altri (Pgm-1 e Gpi-1) a deriva genetica. L'ipotesi che la presenza a bassa frequenza in alcune popolazioni sarde di alleli (Gpi-l ¹⁰⁰, Dia ¹⁰⁷, NADHdh-2 ⁻⁹⁶) trovati in O. morio sia dovuta a fenomeni di paleointrogressione (sporadica immigrazione di individui di O. morio in Sardegna, che avrebbero diluito i loro geni nel genoma di O. longicornu attraverso numerose generazioni di reincrocio) non risulta sufficientemente suffragata dai dati disponibili. I dati genetici risultano in accordo con quelli morfologici. Questi ultimi sono stati ottenuti grazie all'esame di circa 1500 individui, sia vivi che essiccati, provenienti da tutta la Sardegna e dal loro confronto con esemplari d'erbario di O. longicornu della patria typica (Algeria) e con campioni di O. morio dell'Italia continentale. Si è preventivamente proceduto alla tipificazione di O. longicornu, quindi al confronto degli esemplari sardi con quelli dell'Algeria. Gli esemplari sardi sono risultati morfologicamente simili a quelli nord-africani e sono stati attribuiti tutti a O. longicornu. Essi differiscono per vari caratteri (rilevati sia su materiale fresco che essiccato) da O. morio dell'Italia continentale. É stato messo in evidenza che alcuni di questi caratteri, usati correntemente nelle chiavi diagnostiche, si sovrappongono più o meno ampiamente nelle due specie. Ciò spiega le numerose segnalazioni di O. morio in Sardegna, che vanno considerate errate identificazioni di O. longicornu. Viene data una descrizione di O.longicornu della Sardegna e viene definita analiticamente la sua distribuzione nell'isola, sulla base: 1) di una revisione critica delle citazioni bibliografiche e 2) dell'esame di individui sardi sia freschi che essiccati. O. longicornu risulta molto ampiamente diffusa in Sardegna dove si rinviene in habitat assai diversificati, da 0 a 1500 m s.l.m.

Key words:

• Orchis longicornu
• O. morio
• Sardinia
• biochemical taxonomy
• multilocus electrophoresis
• morphology
• chorology
• typification