Taxonomic delimitation and study of the reproductive biology of the African genus Cyrtorchis Schltr. (Orchidaceae)
Délimitation taxonomique et étude de la biologie de la reproduction du genre africain Cyrtorchis Schltr. (Orchidaceae)
Résumé
The genus Cyrtorchis, grouped of 18 angraecoid orchids species endemic to tropical Africa, and was known for its large, white, fragrant flowers with a long spur well suited for studies on reproductive biology. It was also known for its taxonomic delimitation problems, which can be detrimental to the conservation of the species.
This PhD thesis aims to address the delimitation problems within the genus at the inter- and intraspecific level using an integrative taxonomic approach and to investigate its reproductive biology.
Visual inspection of 1752 specimens, morphometric and phylogenetic analyses was used to clarify the taxonomy within the genus. Visual inspection delineated 27 a priori morphogroups, from which a sample of 171 specimens representing 20 morphogroups was used for morphometric analyses. For phylogenetic reconstructions, 69 specimens representing 21 of the 27 morphogroups were sequenced with six molecular markers. The characterization of flowering patterns and the observation of pollinators were carried out respectively through a three-year shadehouse phenological survey of 494 living specimens representing 15 taxa and a survey of the natural in situ pollination of two taxa in Cameroon. The assessment of factors affecting fruit and viable seed production was carried out in two species of the genus through 448 hand pollination tests for which the effect of pollination system and resource limitation were examined.
Morphological approaches allow to distinguish two groups corresponding to the two sections previously identified for the genus Cyrtorchis. Molecular analyses support only the monophyly of on of the sections, Cyrtorchis sect. Cyrtorchis. Eight morphologically defined taxa including three new species are also well supported by morphometric and phylogenetic analyses. The insertion point of the stipites at the rear third of the length of the viscidium appears to be one of the main reproductive characters supporting the monophyly of the genus while other traits (such as the viscidium structure, the shape of the stipites and the lateral lobes of the rostellum) are found to be important criteria for inferring phylogenetic relationships within the genus. Finally this analysis highlights 27 taxa within the genus (including six new taxa to be described), of which 12 taxa, confirmed by morphometric and/or phylogenetic approaches. Flowering of most species at the shadehouse is peaking during the main rainy season (between August and October). However, some sympatric species present non-overlapping flowering periods and an asynchronism of flowering between populations of the same species. Natural pollination is a rare event and difficult to observe in the two studied species. Indeed, the overall pollination/fruiting rate is low (39% of flowers with pollinia removed and 16% of fruits produced in C. okuensis; 31-15% of flowers with pollinia removed and 7-4% of fruits produced in C. letouzeyi) because of the reduced number of pollinators visits. Additionally, both species were found to be pollinated by hawkmoths. Manual pollination tests revealed that cross-pollination appears to be the most efficient pollination system to produce fruits and viable seeds. However, more species will need to be tested to confirm this pattern.
The multidisciplinary approaches developed in this work provide a solid basis to define and implement effective conservation strategies for threatened orchid species. To produce a complete taxonomic revision of the genus, a completed phylogeny including the five remaining and the yet unresolved taxa is required. The newly identified taxa should be described and the conservation status assessed for all species recognised in the genus.
Le genre Cyrtorchis, groupait 18 espèces d’orchidées angraecoïdes endémiques d'Afrique tropicale, était connu pour ses grandes fleurs blanches, odorantes à long éperon bien adaptées pour des études sur la biologie de la reproduction. Il était également connu pour ses problèmes de délimitation taxonomique qui peuvent s’avérer préjudiciables pour la conservation des espèces.
La présente thèse de doctorat ambitionne de résoudre les problèmes de délimitation au sein du genre au niveau inter et intraspécifique en utilisant une approche de taxonomie intégrative et de documenter sa biologie de la reproduction.
Une inspection visuelle de 1752 spécimens, les analyses morphométriques et phylogénétiques ont été utilisées pour clarifier la taxonomie au sein du genre. L’inspection visuelle a permis de délimiter 27 morphogroupes à priori, desquels un échantillonnage de 171 spécimens représentant 20 morphogroupes a été utilisé pour les analyses morphométriques. Pour les reconstructions phylogénétiques, 69 spécimens représentant 21 des 27 morphogroupes ont été séquencés à partir de six marqueurs moléculaires. La caractérisation des patrons de floraison et l’observation et des pollinisateurs ont été réalisées au Cameroun grâce à un suivi phénologique en ombrière sur trois ans de 494 spécimens vivants représentant 15 taxons, et un suivi de la pollinisation naturelle in situ de deux de ces taxons. L’évaluation des facteurs affectant la production des fruits et des graines viables a été réalisée chez deux espèces du genre à travers 448 tests de pollinisation manuelle pour lesquels l’effet du système de pollinisation et de la limitation des ressources ont été examinés.
Les approches morphologiques permettent de distinguer deux groupes correspondant aux deux sections préalablement identifiées pour le genre Cyrtorchis. Les analyses moléculaires quant à elles ne soutiennent que la monophylie d’une des deux sections, Cyrtorchis sect. Cyrtorchis. Huit taxons morphologiquement définis dans le genre incluant trois nouvelles espèces sont également bien supportés par les analyses morphométriques et phylogénétiques. Le point d’insertion des stipites au tier supérieur du viscidium semble être l’un des principaux caractères reproducteurs soutenant la monophylie du genre alors que d’autres traits (tels que la structure du viscidium, la forme des stipites et des lobes latéraux du rostelle) se révèlent être d’importants critères permettant d’inférer des relations phylogénétiques au sein du genre. Au final, cette analyse met en évidence 27 taxons au sein du genre(incluant six nouveaux taxons à décrire), dont 12 taxons, confirmé par les approches morphométriques et/ou phylogénétiques. La phénologie de la floraison des espèces en ombrière montre un pic de floraisons à la grande saison de pluie (entre août et octobre). Un décalage de la floraison est observé chez certains taxons distribués en sympatrie et un asynchronisme de la floraison entre population de la même espèce. La pollinisation naturelle est un évènement rare et difficile à observer chez les deux espèces étudiées (C. letouzeyi et C. okuensis). En effet, le taux de pollinisation/fructification est globalement faible (39 % de fleurs avec les pollinies emportées et 16 % de fruits produits chez C. okuensis ; 31-15 % de fleurs avec les pollinies emportées et 7-4 % de fruits produits chez C. letouzeyi), et ce, à cause du nombre réduit des visites des pollinisateurs. Par ailleurs, les pollinisateurs des deux espèces ont été identifiés et la pollinisation par les sphinx est confirmée dans le genre. Les tests de pollinisation manuelles ont révélé que la pollinisation croisée semble être le système de pollinisation le plus efficace pour la production de fruits et de graines viables. Cependant, davantage d’espèces devront être testées pour confirmer ce patron.
Les approches multidisciplinaires développées dans ce travail sont des bases solides pour la définition et la mise en oeuvre de stratégies efficaces de conservation pour les espèces d’orchidées menacées. Afin de produire une révision taxonomique complète du genre, une phylogénie complète incluant les cinq taxons restants et ceux encore non résolus est nécessaire. Les nouveaux taxons identifiés devraient être décrits et les statuts de conservation évalués pour l’ensemble des espèces reconnues dans le genre