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Modern and fossil pollen assemblages in the Sierra Occidental of Jalisco; ~ 1,500 years of history of the vegetation and environmental change

Ana Patricia del Castillo-Batista^a, *, Blanca Lorena Figueroa-Rangel^a, Socorro Lozano-García^b, Ramón Cuevas-Guzmán^a, Miguel Olvera-Vargas^a y Lia Hueso-Vidrio^c 

^a Universidad de Guadalajara, Laboratorio de Paleoecología y Cambio Climático, Departamento de Ecología y Recursos Naturales, Centro Universitario de la Costa Sur, Av. Independencia Nacional Núm. 151, 48900 Autlán de Navarro, Jalisco, México 

^b Universidad Nacional Autónoma de México, Instituto de Geología, Laboratorio de Paleoecología, Paleoclimatología y Cambio Climático, Departamento de Dinámica Terrestre Superficial, Ciudad Universitaria, Coyoacán, 02376 Ciudad de México, México

^c Universidad de Guadalajara, Ingeniería en Recursos Naturales y Agropecuarios, Departamento de Ecología y Recursos Naturales, Centro Universitario de la Costa Sur, Av. Independencia Nacional Núm. 151, 48900 Autlán de Navarro, Jalisco, México

*Autor para correspondencia: ana.delcastillo@academicos.udg.mx (A.P. del Castillo-Batista)

Recibido: 15 agosto 2025; aceptado: 30 octubre 2025

Resumen

La sierra de Cacoma, Jalisco, es una región de alta diversidad florística y endemismo situada en una zona de transición biogeográfica (2,119 m snm), donde convergen elementos templados y tropicales. Analizamos la relación entre la composición taxonómica del polen moderno y fósil, así como los cambios ambientales en un bosque de Pinus–Quercus–Abies de La Cumbre de Guadalupe (Talpa de Allende, Jalisco, México). Se analizaron 22 muestras de polen moderno, 62 de polen fósil y la estructura de la vegetación en 14 parcelas de 500 m². Aplicamos los índices de asociación palinológica de Davis, la diversidad de Hill y una similitud basada en la distancia cordal. Los últimos ~ 1,580 años muestran un intervalo de mayor similitud (~ 850 y 400 años cal AP) intercalado por episodios de cambio (~ 1,500, 1,000 y 300 años cal AP), congruentes con transiciones climáticas del Holoceno tardío. En el periodo reciente, incendios y deforestación han favorecido la homogeneización de la vegetación. Estos resultados documentan las respuestas de bosques templados a forzamientos climáticos y antrópicos a escala centenaria y resaltan el valor de integrar lluvia de polen moderno, registros fósiles y métricas de diversidad.

Palabras clave: Actividad antrópica; Bosques templados; Holoceno tardío; Lluvia de polen

Abstract 

The Sierra de Cacoma, Jalisco is a region of high floristic diversity and endemism located in a biogeographic transition zone (2,119 m asl), where temperate and tropical elements converge. We analyzed the relationship between the taxonomic composition of modern and fossil pollen and environmental changes in a Pinus-Quercus-Abies forest at La Cumbre de Guadalupe (Talpa de Allende, Jalisco, Mexico). We analyzed 22 modern pollen samples, 62 fossil pollen samples, and vegetation structure in 14 plots (500 m² each). We applied Davis palynological association indices, Hill diversity, and a dissimilarity analysis based on chord distance. The past ~ 1,580 years show an interval of greater similarity (~ 850-400 cal yr BP) interspersed with episodes of change (~ 1,500, 1,000, and 300 cal yr BP), consistent with Late Holocene climatic transitions. In the recent period, fires and deforestation have promoted vegetation homogenization. Overall, these results document the response of temperate forests to climatic and anthropogenic forcing at centennial scales and highlight the value of integrating modern pollen rain, fossil records, and diversity metrics to interpret vegetation and environmental history.

Keywords: Anthropogenic activity; Temperate forests; Late Holocene; Pollen rain

Introducción

Las comunidades vegetales actuales incorporan señales del cambio climático acumuladas a múltiples escalas temporales que son evidentes en la distribución, fenología, dinámica demográfica y composición florística, pero su estructura y trayectoria también responden a otros motores de cambio, como el uso de suelo, régimen de incendios, especies invasoras, perturbaciones antrópicas y variabilidad natural (Jackson y Overpeck, 2000). Estos forzamientos configuran patrones contemporáneos, en los que el clima es determinante. En este contexto, el análisis de polen fósil preservado en sedimentos de hondonadas forestales es una herramienta robusta para reconstruir la historia de la vegetación y su ambiente (Calcote, 1995; Figueroa-Rangel et al., 2020). Los registros polínicos documentan cambios en la composición taxonómica a través del tiempo (Figueroa-Rangel et al., 2016) y mediante un enfoque espacio-temporal, la paleoecología permite interpretar la dinámica de los ecosistemas y las respuestas de la vegetación frente a variaciones y perturbaciones ambientales (Trivi de Mandri et al., 2006).

La reconstrucción paleoecológica se basa en el supuesto de que existe una estrecha relación entre las especies de plantas presentes en el bosque y el polen que éste produce (Erdtman, 1943; Faegri e Iversen, 1989). El polen se libera y se dispersa durante la maduración y apertura de los sacos polínicos y es depositado como sedimento en capas del suelo donde se preserva en condiciones ambientales adecuadas (húmedas y anóxicas). Al analizar los conjuntos de polen fósil presentes en estos sedimentos, es posible inferir la composición de la vegetación que existió en el pasado. Así mismo, la lluvia de polen moderno desempeña un papel importante para comprender la representación del polen en las secuencias sedimentarias y calibrar la interpretación basada en estos registros. El análisis de los conjuntos de polen moderno permite establecer la relación entre la abundancia relativa del polen y la presencia de diferentes especies de plantas en la vegetación actual (Rodríguez-Pérez et al., 2025). Lo que contribuye a mejorar la interpretación de los conjuntos de polen fósil y una comprensión más precisa de los cambios de la vegetación a lo largo del tiempo (Lozano-García et al., 2014).

La abundancia de polen en los sedimentos resulta de la interacción de factores biológicos de las especies fuente como la productividad, modo de dispersión y preservación a través del tiempo (Davis, 1984), además de factores ecológicos locales que integran la estructura de la vegetación desde el rodal hasta su entorno inmediato (diámetro y altura de los árboles, área basal, densidad, frecuencia, composición y fenología), modulando el transporte y la deposición del polen (Davies y Fall, 2001; Faegri e Iversen, 1989), y así mismo de las condiciones físicas de los sedimentos del sitio como el tamaño y morfología del sustrato, oxidación y frecuencia de inundación (Davies y Fall, 2001; Faegri y van der Pijl, 1979; Proctor et al., 1996); finalmente, de las características climáticas y la calidad de la identificación palinológica (Escarraga-Paredes et al., 2014). Por lo tanto, el análisis del polen fósil y el estudio de las lluvias de polen moderno son herramientas complementarias que permiten reconstruir la historia de la vegetación y su ambiente, especialmente en regiones donde no se dispone de información sobre la producción y dispersión de polen (Wright, 1967).

Para comprender mejor la dinámica de la vegetación, es necesario abordarla desde una perspectiva espacio-temporal, donde diferentes procesos físicos y biológicos influyen en los patrones observados en cada escala temporal. Las respuestas de la vegetación a corto plazo se pueden interpretar a través de eventos como incendios, huracanes, enfermedades y extracción de madera, mientras que a largo plazo están involucrados los mecanismos de perturbación ambiental y el desarrollo evolutivo (Delcourt et al., 1983). La escala espacial permite comprender cómo los diferentes tipos de vegetación cercanos geográficamente responden de forma diferenciada en eventos de corto o largo plazo, tales como los regímenes de perturbación y fluctuaciones climáticas (Figueroa-Rangel y Olvera-Vargas, 2018). En este sentido, se han realizado diversos estudios con el uso de polen fósil para reconstruir la historia de la vegetación y el clima en el occidente de México, durante el Holoceno tardío (Figueroa-Rangel et al., 2008; Lozano-García et al., 2021). Estos estudios han proporcionado herramientas para evaluar la paleovegetación y los escenarios climáticos en las regiones de alta montaña y en las regiones tropicales. Sin embargo, se ha prestado poca atención a la comprensión de las relaciones cuantitativas entre la lluvia de polen y la vegetación moderna para la interpretación de la historia de la vegetación y el clima con base en datos de polen fósil.

Un área de gran importancia para realizar estudios que combinen registros de polen fósil y moderno es la región de la sierra de Cacoma, ubicada en el occidente de México. Esta región se destaca por su alta diversidad biológica y endemismo de flora y fauna (Conabio, 2010). Se encuentra en una zona de transición biogeográfica con un rango altitudinal de 650 a 2,740 m, con zonas de transición entre tipos de vegetación templada y tropical (INEGI, 2015). Las zonas de mayor elevación comprenden topografías abruptas, con valles y barrancas profundas que forman microclimas que han servido de refugio para varias comunidades de plantas (Amador-Cruz et al., 2024). Por lo tanto, el presente estudio tiene como objetivo evaluar, mediante el análisis de ensambles de polen moderno y su correspondencia con la estructura de la vegetación, si el espectro de polen fósil refleja los patrones de la distribución actual de la vegetación. Para ello, se plantean los siguientes objetivos: 1) caracterizar la composición taxonómica y la representatividad de la lluvia de polen moderno en el bosque de Pinus–Quercus–Abies en la localidad de La Cumbre de Guadalupe en el municipio de Talpa de Allende, Jalisco, identificando los principales taxones y su relación con la vegetación fuente, 2) analizar la correspondencia entre la estructura de la vegetación actual y la señal polínica mediante análisis cuantitativos de la abundancia del polen moderno y 3) comparar la similitud taxonómica entre los ensambles de polen moderno y fósil de los últimos ~ 1,580 años. Este enfoque permitirá fortalecer la interpretación de los registros paleoecológicos en la región y contribuir al conocimiento sobre las relaciones entre la vegetación actual y la señal polínica moderna en los ecosistemas de alta montaña.

Materiales y métodos

El área de estudio se localiza en la sierra de Cacoma al occidente de Jalisco, México, en la localidad denominada La Cumbre de Guadalupe, una región de confluencia entre la cordillera del Eje Neovolcánico Transversal y la sierra Madre del Sur (fig. 1). Corresponde a una elevación de 2,119 m y se extiende hasta el litoral del Pacífico y la costa del occidente de México (INEGI, 2015). Es una zona de gran complejidad geomorfológica y litológica con afloramientos rocosos formados a partir de procesos tectónicos durante el Cretácico (Conabio, 2010). En el área de estudio domina el tipo de roca ígnea extrusiva, donde la unidad geomorfológica comprende laderas de montaña con pendientes de mediana a muy fuertemente inclinadas (Rodríguez-González, 2015). Los tipos de suelo dominantes son Cambisol y Regosol (INEGI, 2015). Presenta un clima templado subhúmedo, con una temperatura media anual de 14.2 °C. La temperatura media del mes más cálido (mayo y junio) es de 16.7 °C, mientras que la temperatura media del mes más frío es 10.8 (enero y febrero), con una precipitación promedio anual de 2,003 mm con lluvias en verano. La precipitación está concentrada entre mayo a septiembre (Estación 14271, Servicio Meteorológico Nacional, Conagua, 2025). Las principales actividades productivas son la agricultura de temporal, con apertura de áreas para el establecimiento de pastizales, la minería y la extracción de madera (Vargas-Rodríguez et al., 2010). 

El bosque de Pinus–Quercus–Abies es una asociación vegetal con distribución restringida cerca del límite altitudinal de la vegetación arbórea (Cuevas-Guzmán et al., 2011; del Castillo-Batista et al., 2018). En diversos estudios florísticos de la zona se ha encontrado una alta diversidad florística para numerosas formaciones vegetales de alta montaña, entre ellas el bosque de Pinus con diferentes asociaciones vegetales (Cuevas-Guzmán et al., 2011; Guerrero-Hernández et al., 2014, 2019). Los tipos de bosque de alta montaña son representados principalmente por bosques de coníferas, donde los géneros representativos son Pinus, Abies, Cupressus, Juniperus y algunas latifoliadas como Quercus, Alnus y Arbutus (Perry et al., 1998).

La diversidad florística del área de estudio corresponde a un tipo de vegetación dominado en el estrato arbóreo por Abies jaliscana, A. religiosa, Alnus acuminata, A. jorullensis, Arbutus xalapensis, Carpinus tropicalis, Clethra fragrans, Pinus devoniana, P. douglasiana, P. oocarpa, P. jaliscana, P. herrerae, P. pseudostrobus, Podachaenium eminens, Quercus castanea, Q. calophylla, Q. scytophylla, Q. magnoliifolia, Q. obtusata y Ternstroemia lineata. Se encuentran algunos arbustos dominantes como Archibaccharis serratifolia, Baccharis heterophylla, B. pteronioides, Fuchsia microphylla, Mimosa albida, Monnina ciliolata y Salvia iodantha. El componente herbáceo es diverso, como Amaranthus palmeri, Chenopodium ambrosoides, Iresine diffusa, Antigonon flavescens, Eryngium alternatum, Bidens odorata, B. aurea, Dahlia coccinea, Ageratina choricephala, Fuchsia fulgens, Rumfordia floribunda, Melampodium perfoliatum, Piqueria triflora, Tagetes filifolia, T. lucida, Crotalaria filifolia, C. mollicula, Dalea obreniformis. Por lo que en este estudio nos referimos a este tipo de vegetación como bosque de Pinus–Quercus–Abies (BPQA) por ser los taxones dominantes.

Se realizó un inventario de la vegetación leñosa en 14 parcelas circulares de 500 m² cada una, siguiendo el protocolo estándar de Olvera-Vargas y Figueroa-Rangel (2023). Cada parcela se ubicó a una distancia mínima de 50 m respecto de las demás. En cada una se registraron datos ambientales y de localización (localidad, coordenadas, elevación, exposición y pendiente) (material suplementario: tabla S1). Para todos los taxones leñosos con diámetros ≥ 2.5 cm arriba de 1.30 m del nivel del suelo (DN). Con estas mediciones se estimaron indicadores estructurales a nivel de parcela, incluyendo densidad (individuos ha^-1) y área basal (m² ha^-1). Se recolectaron ejemplares de herbario para confirmar la determinación taxonómica de las especies. La clasificación de familias siguió el sistema Angiosperm Phylogeny Group IV (2016) y la actualización nomenclatural se verificó en la base de datos Tropicos (www.tropicos.org). Este diseño y conjunto de métricas permiten caracterizar de manera comparable la estructura y composición de la vegetación en el área de estudio.

Se recolectaron 22 muestras de polen moderno dentro de las parcelas para evaluar la relación polen-vegetación a escala local (tabla S1). En cada parcela se establecieron subparcelas de 1 m², dentro de las cuales se obtuvieron muestras de sedimento superficial (suelo y musgo) a una profundidad de 0-5 cm (Hjelle, 1999). Cada muestra se almacenó para su posterior extracción y análisis. Dado que los ambientes de depósito reciben polen de fuentes locales y regionales, el espectro palinológico está condicionado por procesos tafonómicos modulados por el clima y las propiedades del suelo, lo que afecta la relación polen-vegetación observada (Jacobson y Bradshaw, 1981). En este contexto, asumimos que la señal obtenida es representativa del ecosistema fuente a la escala de captura de nuestros sustratos. Si bien superficies extensas como lagos y humedales maximizan el componente regional y facilitan el vínculo con paleorregistros (Markgraf et al., 2002; Ortuño et al., 2011), el muestreo de sedimento superficial aporta la resolución local necesaria para calibrar e interpretar esa señal más integrada en el sitio de estudio.

Con la finalidad de comparar la relación entre el polen moderno y fósil, se extrajo un núcleo de sedimento que abarca los últimos 1,580 años en el BPQA (del Castillo-Batista et al., 2018). El muestreo consistió en la extracción de un núcleo de sedimento de 62 cm de profundidad con un taladro Eijelkamp (“forest hollow”, sensu Calcote 1995, 1998), en un área abierta del bosque a 2,119 m de elevación en la localidad de La Cumbre de Guadalupe (20°10’17.82” N, 104°42’42.32” O) (fig. 1). Se tomaron muestras de sedimento cada 1 cm para su análisis. La cronología se determinó con base en 4 fechados radiocarbono ¹⁴C por medio de la técnica AMS (por sus siglas en inglés, accelerator mass spectrometer) en el laboratorio Beta Analytic, Miami, Florida. Para la calibración en años calendáricos fueron utilizados los programas INCAL04.14 y CALIB v.5.02 de Stuiver y Reimer (Stuiver y Reimer, 1993). Para elaborar la cronología se obtuvo un modelo edad-profundidad por interpolación lineal de acuerdo con el método de Bennett (1994), con el apoyo del software Psimpoll (v. 4.25), lo que permitió estimar la tasa de sedimentación promedio de 25 años/cm.

Para la extracción de polen moderno y el polen fósil de las secuencias sedimentarias, se siguió un protocolo estándar de acetólisis Bennett y Willis (2001). Se agregó una pastilla de Lycopodium clavatum L. (Batch 3862) a cada muestra con el fin de estimar la concentración de granos de polen por cm³ (Stockmarr, 1971). Para obtener el tamaño de muestra estadísticamente significativo, se contabilizaron 400 granos de polen por muestra (Maher, 1972). La determinación de polen y esporas se realizó utilizando la colección de referencia palinológica “The Mexican reference collection of Global Pollen Project” (Figueroa-Rangel, 2017), además de claves palinológicas y bibliografía especializada. Para armonizar la resolución taxonómica entre los ensambles de polen fósil y moderno (en los que no siempre es posible asignar el nivel taxonómico de especie) se elaboró una tabla de equivalencias (material suplementario: tabla S2) que vincula cada tipo de polen moderno con sus especies vegetales potencialmente representadas, agrupadas por forma biológica. Los conteos de polen se expresaron como la suma total en porcentaje del polen de árboles, arbustos, herbáceas y esporas de Pteridophyta sensu lato, consideradas en este trabajo como abundancia de polen (Bennett y Willis, 2001). El polen desconocido se contó, pero fue excluido de la suma total de polen en ambos ensambles. El diagrama de polen fósil se elaboró en Psimpoll (v. 4.25) (Bennett, 2005), mientras que, el de polen moderno en el programa Tilia Graph (Grimm, 2020).

La contribución de cada una de las especies encontradas en la vegetación se estimó utilizando el índice de valor de importancia (IVI) para árboles (Matteucci y Colma, 1982; Whittaker, 1967). Este índice es un valor ponderado de la estructura del bosque, se calcula sumando las variables estructurales de la densidad relativa (número de árboles del taxón dividido entre el número total de árboles de todos los taxones), la frecuencia relativa (número de muestras en las que el taxón aparece dividido entre el número total de muestras) y el área basal relativa (área basal total del taxón dividida entre el área basal total de todos los taxones) (Cottam y Curtis, 1956). De esta manera, el IVI proporciona una medida de la importancia relativa de cada especie en el rodal. Así mismo, para el componente arbóreo se estimó la media de diámetro y altura por especie de todas las parcelas muestreadas.

Para describir la distribución de los diámetros y las alturas de las especies arbóreas en las parcelas muestreadas, se estimó la media del diámetro a la altura de 1.30 m (DN) y la altura total por especie. Se utilizaron diagramas de caja y bigote para identificar la mediana, los cuartiles (Q₁ y Q₃), el rango intercuartílico y la presencia de valores atípicos, proporcionando información sobre la variabilidad y la tendencia central de cada variable. El análisis fue realizado mediante el software estadístico R Project 3.6.1 (Ihaka y Gentleman,1993).

Para analizar la relación entre las especies y las parcelas basados en el método de Olvera-Vargas y Figueroa-Rangel (2023) se realizó un Análisis de Conglomerados. Es una técnica estadística multivariada que tiene como objetivo agrupar elementos o variables para lograr la máxima homogeneidad dentro de cada grupo y la mayor diferencia entre los grupos. Se trata de una clasificación jerárquica aglomerativa (Clarke y Gorley, 2015). Se utilizó la matriz de densidad de las especies, la cual fue transformada con una doble raíz cuadrada para mejorar la ponderación de las especies raras y abundantes. El análisis se realizó utilizando la medida de distancia Bray-Curtis y como método de unión de grupos de los promedios ponderados, con el apoyo del software PRIMER V.7 (Clarke y Gorley, 2015).

Utilizando datos de presencia-ausencia del polen moderno y de la vegetación, se calcularon 3 índices de asociación R (Davis, 1984), el índice de asociación (A), el índice de sobrerrepresentación (O) y el índice de subrepresentación (U). Estos índices permiten determinar si los taxones están presentes de manera simultánea, tanto en el conjunto de polen como en la vegetación (León-Carreño et al., 2019). Se calcularon con las fórmulas que se describen a continuación:

A = B₀ / P₀ + P₁ + B₀

O = P₀ / P₀ + B₀

U = P₁ / P₁ + B₀

Donde B₀ corresponde al número de parcelas en las que tanto el tipo polínico como el grupo vegetal asociado están presentes, P₀ representa el número de parcelas en las que se registra el polen, pero la planta que lo produce no está presente en la vegetación, y P₁ es el número de parcelas en las que el tipo de polen está ausente pero el taxón vegetal se encuentra presente en la vegetación. Los valores del índice de asociación varían entre 0 y 1; donde A = 1 indica que el tipo polínico y el taxón vegetal están siempre presentes y si A = 0, alguno de los 2 elementos se encuentra ausente en todos los levantamientos. Posteriormente, los valores de los índices de cada taxón se agruparon en las siguientes categorías: 1) tipo fuertemente asociado “TFA” cuando A > 0.65; 2) tipo asociado “TA”, cuando A varía entre 0.65 y 0.5; 3) tipo débilmente asociado “TDA”, donde A < 0.5 y además O y U son positivos; 4) tipo sobrerrepresentado “TOR”, cuando A < 0.5 y U = 0; 5) tipo subrepresentado “TUR”, con A < 0.5 y O = 0, y 6) tipo no asociado “TNA”, en donde A = 0, además O y U son positivos (Fjordheim et al., 2018).

La diversidad de taxones de los datos de polen moderno y fósil se estimó mediante la diversidad de Hill N₀ sumando el número de taxones identificados en cada conjunto (Hill, 1973). Se calcularon los valores de diversidad de Hill N₁ para obtener más información sobre las características de diversidad del polen. Esta métrica considera la riqueza de taxones en cada muestra y pondera cada taxón según su abundancia relativa. Asimismo, se seleccionó el número de Hill N₂ para representar el número de taxones de polen fósil que son muy abundantes (dominantes) (Figueroa-Rangel et al., 2020). Estos cálculos se realizaron utilizando la librería “vegan” (Oksanen et al., 2010), disponible en el paquete estadístico R-v3.4.3 (R Core Team, 2019).

Con el propósito de comparar la composición taxonómica entre los ensambles de polen fósil con los de polen moderno, se aplicó la función de comparación de análogos múltiples (analog.mult), que calcula índices de distancia o disimilitud entre las muestras de polen fósil con el moderno. Para ello se utilizó la distancia cordal (square chord distance en inglés) mediante la librería “paleoMAS” (Correa-Metrio et al., 2015) disponible en R (R Core Team, 2019).

Resultados

Se registraron 6 familias, 8 géneros y 17 especies en las 14 parcelas analizadas. Las familias con más riqueza de especies fueron Pinaceae y Fagaceae. Los géneros más frecuentes presentes en las parcelas fueron: Pinus–Quercus–Abies. Pinus pseudostrobus fue la especie dominante en el dosel del rodal por su IVI (tabla 1), seguida por Abies jaliscana, Pinus devoniana, Quercus castanea y P. herrerae, todos ellos identificados como elementos importantes de acuerdo con su IVI. Por otro lado, Q. scytophylla, Q. magnoliifolia y P. douglasiana presentan los valores más bajos de IVI.

El análisis de cuartiles de los diámetros normales de las especies arbóreas muestra que la mayoría de los individuos presentan diámetros inferiores a 60 cm (fig. 2a). Se observa una notable dispersión en la mediana de Vachellia farnesiana, lo que indica una alta variabilidad en el diámetro de esta especie. En contraste, Baccharis pteronioides, Monnina ciliolata y Rumfordia floribunda presentan diámetros más bajos y menos dispersos. Además, Pinus devoniana, P. douglasiana y P. pseudostrobus concentran los valores de diámetros más altos entre las especies analizadas. En cuanto a las alturas, la mayoría de las especies registran valores inferiores a los 30 m (fig. 2b). Quercus calophylla se destaca por su variabilidad en la distribución de alturas, mientras que Baccharis pteronioides, Monnina ciliolata y Rumfordia floribunda presentan alturas significativamente menores y con menor dispersión.

La clasificación de las parcelas generó 4 grupos, mismos que se formaron para la clasificación de las especies. Cuando se presenta el resultado a través del dendrograma de sombras, se observó que algunas especies como Pinus pseudostrobus y P. devoniana se encuentran en los 4 grupos de parcelas, pero en general, hay coincidencia de grupos de especies con los grupos de parcelas. Abies religiosa, Rumfordia floribunda, Monnina ciliolata y Arbutus xalapensis presentaron sus mayores abundancias en la parcela P10 y P11, mientras que Quercus herrerae, Q. magnolifolia y Q. castanea tienen su mayor expresión en abundancias en las parcelas P01, P02, P07 y P08 (fig. 3).

En el espectro polínico del bosque se identificaron 41 taxones, pertenecientes a 31 familias y 40 géneros, que incluyen árboles, arbustos, herbáceas y helechos (material suplementario: tabla S3). Pinus se registró como el taxón dominante en el estrato arbóreo, con más de 60% del espectro polínico. De manera similar, los taxones de Quercus (< 20%) y Abies (< 15%) se encontraron en todo el espectro polínico con porcentajes considerables. En el estrato herbáceo, Poaceae se registró como la más abundante, se encontró en todas las muestras con un porcentaje superior a 5%. Los taxones de Eupatorium (> 5%) y Baccharis (> 5%) se registraron con porcentajes bajos en el componente herbáceo. Polypodiaceae prevaleció con un porcentaje mayor a 5%. No obstante, el grupo de los helechos no alcanzó una representación importante en el espectro polínico (fig. 4).

El índice de Davis revela que la mayoría de los taxones polínicos se adscriben al grupo de tipo asociado (TOR); los taxones de polen de Pinus, Quercus, Abies, Arbutus xalapensis, Baccharis pteronioides y Rumfordia floribunda, pertenecen al grupo de tipo asociado (TA), mientras que Monnina ciliolata es el único que se encuentra en el tipo subrepresentado (TUR). Ningún taxón demostró ser fuertemente asociado (TFA) (tabla 2). 

Tabla 1

Valores relativos para densidad (Dr), área basal (ABr) y frecuencia (Fr) en árboles del BPQA. Índice de valor de importancia (IVI) para árboles y arbustos.

El diagrama polínico del bosque fue dividido en 3 zonas palinológicas mediante un análisis de conglomerados (CONISS) (fig. 5). A lo largo de toda la secuencia del ensamble de polen fósil, se observó un patrón heterogéneo caracterizado por la oscilación de los taxones leñosos herbáceos y helechos. La primera zona palinológica (C-1) corresponde al periodo de 1,580-1,550 años cal AP y muestra una mayor abundancia de taxones leñosos como Alnus, Pinus y Quercus. En cuanto a los taxones herbáceos, los más abundantes fueron Asteraceae, Cyperaceae y Poaceae. La segunda zona (C-2) corresponde al periodo de 1,550-740 años cal AP, abarca el periodo más extenso, presenta un patrón similar al anterior, con la adición de taxones de Fabaceae y Rosaceae. La tercera zona (C-3a) corresponde al año 740-700 años cal AP, se observa un patrón divergente caracterizado por una disminución de Aspleniaceae y Bromeliaceae. En los últimos 700-100 años cal AP (zona C-3b) se aprecia un patrón heterogéneo con oscilaciones en los porcentajes de Pinus, Quercus y Alnus en el grupo de los taxones leñosos, así como en los de Asteraceae, Cyperaceae y Poaceae en el grupo de las herbáceas. En contraste, las esporas como Hymenophyllaceae, Polypodiaceae y Sphagnum disminuyen considerablemente sus porcentajes (fig. 5).

La diversidad de Hill para los conjuntos de polen moderno para el orden N₀, indicó que la riqueza es de aproximadamente 16 taxones (con un intervalo de confianza de 95%). Para el orden N₁ y N₂ obtuvo valores de 3.79-4.76 y 2.4-2.9, respectivamente. Para el conjunto de polen fósil, N₀ indicó que la riqueza es de alrededor de 34 taxones (con un intervalo de confianza de 95%), mientras que para N₁ y N₂ fueron de 14.4-15.8 y 9.4-10.5, respectivamente (figs. 4, 5). 

La comparación entre los ensambles de polen moderno y la secuencia de polen fósil de La Cumbre de Guadalupe (fig. 6) mostró distancias cordales al cuadrado que variaron aproximadamente de 0.30 a 0.72. A lo largo de la cronosecuencia predominaron valores intermedios (≈ 0.45-0.60). Se identificaron mínimos locales de disimilitud (˂ 0.40) en intervalos temporales estrechos, destacando un pulso centrado alrededor de ~ 850 años cal AP. En contraste, se observaron franjas con mayor disimilitud (≥ 0.65) especialmente después de ~ 1,000 años cal AP y hacia los extremos de la secuencia. El mejor análogo moderno por nivel fósil rara vez presentó distancias ≤ 0.35 y no se registraron valores cercanos a 0; por lo tanto, no se detectaron análogos modernos muy cercanos para los niveles analizados. 

Discusión

El análisis de la vegetación actual en la sierra de Cacoma, Jalisco, muestra que la composición florística está dominada por especies de Pinus–Quercus-Abies como los elementos estructurales más importantes según el IVI. Estos resultados coinciden con estudios previos que han identificado a estos taxones como dominantes en los bosques templados del occidente de México (Cuevas-Guzmán et al., 2011; Guerrero-Hernández et al., 2014, 2019). La estructura diamétrica de la comunidad sugiere una comunidad vegetal joven, con la mayoría de los individuos de diámetros menores de 60 cm, lo que coincide con patrones observados en otras regiones montañosas donde la explotación selectiva ha modificado la distribución diamétrica de las especies arbóreas (Guerrero-Hernández et al., 2022).

Tabla 2

Índice de Davis. La columna de taxones muestra el nombre científico de las especies. (A) significa la asociación, (O) sobrerrepresentación y (U) subrepresentación de los taxones registrados en los ensambles polínicos, basados en datos de presencia/ausencia, tanto de lluvia de polen como de la vegetación del BPQA. Los índices de asociación se clasificaron en: TFA = tipos fuertemente asociados, TA = tipos asociados, TDA = tipos débilmente asociados, TOR = tipos sobrerrepresentados, TUR = tipos subrepresentados y TNA = tipos no asociados.

El análisis del dendrograma de sombras identificó 4 grupos de especies y 4 de parcelas, evidenciando patrones de distribución diferenciados dentro del paisaje forestal. La estructura de los grupos sugiere coexistencia mediada por diferencias fisiológicas y ambientales. El género Pinus domina en la mayoría de los conjuntos en congruencia con su especialización en hábitats de fertilidad baja a moderada y en condiciones abiertas impuestas por aridez, frío o disturbio, así como con historias evolutivas asociadas con altas frecuencias de perturbación, en particular el fuego (Keeley y Zedler, 1998). En contraste, Quercus y Abies conforman subgrupos bien definidos que reflejan preferencias por microambientes más fríos y húmedos (Cuevas-Guzmán et al., 2011; Guerrero-Hernández et al., 2022). La alta similitud florística entre algunas parcelas sugiere que existen factores ambientales y de manejo forestal que han promovido la homogeneización de la vegetación en ciertas áreas, fenómeno que ha sido documentado en otros estudios de dinámica de bosques templados mexicanos (Guerrero-Hernández et al., 2019).

La composición del ensamble polínico moderno refleja la estructura y composición del bosque montano dominado por Pinus–Quercus–Abies. La alta representación de Pinus en el espectro polínico (> 60%) es consistente con estudios previos que han demostrado su alta producción polínica y dispersión anemófila en ecosistemas templados (Castro-López et al., 2020), y coinciden con estudios de lluvia polínica en bosques del occidente y centro de México (Figueroa-Rangel et al., 2016; Lozano-García et al., 2014), los cuales reportan estos elementos con porcentajes superiores a 40% en Pinus y Quercus, mientras que Abies oscila entre 10 y 20%. Estos resultados se explican por los mecanismos de dispersión anemófila y por la gran cantidad de granos de polen que producen (Faegri e Iversen, 1989). La presencia de Quercus y Abies con valores inferiores a Pinus, pero aún representativos (< 20% y < 15%, respectivamente), coincide con su menor producción polínica y las características de dispersión de estos géneros, factores que afectan su representatividad en los registros polínicos modernos (Rodríguez-Pérez et al., 2025).

En cuanto a la vegetación herbácea, el predominio de Poaceae (> 5%) indica su importancia en los espacios abiertos del bosque y su alta eficiencia en la producción y dispersión del polen (Hjelle, 1998). La baja representación de Eupatorium y Baccharis (< 5%) sugiere que estas especies, aunque presentes en la vegetación actual, tienen una menor contribución al espectro polínico debido a sus estrategias reproductivas y mecanismos de dispersión, como la entomofilia (Faegri e Iversen, 1989). De manera similar, las esporas de Polypodiaceae, aunque registradas con valores > 5%, no alcanzaron una representación dominante en el espectro polínico, lo que puede atribuirse a que a medida que aumenta la altitud, la representación del polen de la vegetación herbácea disminuye (Markgraf, 1980).

El análisis de representación polínica a través del índice de Davis confirma que los taxones dominantes en el bosque se encuentran principalmente en el grupo de tipo asociado (TA), lo que sugiere una correspondencia adecuada entre la vegetación y el espectro polínico. El predominio del grupo sobrerrepresentado (TOR) para la mayoría de los taxones indica que ciertos elementos del bosque reproducen y dispersan polen en proporciones superiores a su biomasa real en el ecosistema (Jackson y Overpek, 2000). Monnina ciliolata, identificado como tipo subrepresentado (TUR), refleja una producción polínica baja por sus mecanismos de dispersión especializados, lo que puede dificultar su identificación en registros fósiles (Faegri, 1966). La ausencia de taxones en el grupo fuertemente asociado (TFA) sugiere que ningún elemento arbóreo o herbáceo presenta una correspondencia entre su presencia en el bosque y su representación polínica. Este patrón puede explicarse por síndromes de polinización especializados, bajas abundancias locales (León-Carreño et al., 2019) una estructura poblacional dominada por individuos juveniles con pocos adultos reproductivos, como sugiere la distribución de diámetros y alturas (fig. 2).

El ensamble polínico fósil refleja la dinámica de la vegetación durante los últimos ~ 1,580 años, que evidencia cambios en la composición florística asociados a variaciones climáticas y potenciales impactos antrópicos. El diagrama polínico muestra 3 zonas diferenciadas, que sugiere una transición en la estructura del bosque, desde una composición dominada por taxones leñosos hasta un escenario más heterogéneo en los últimos siglos. En la primera zona palinológica (C-1), la dominancia de Alnus, Pinus y Quercus sugiere la prevalencia de un bosque templado de montaña con condiciones húmedas, lo que concuerda con estudios previos en la región del occidente de México (Figueroa-Rangel et al., 2016, 2020). La alta representación de Asteraceae, Cyperaceae y Poaceae indica la presencia de claros en el dosel forestal y espacios abiertos con vegetación herbácea.

Durante la segunda fase, que abarca el periodo más extenso (zona C-2), se mantiene la estructura del bosque, pero con la incorporación de taxones como Fabaceae y Rosaceae, lo que podría indicar una diversificación de la vegetación secundaria y la posibilidad de fluctuaciones climáticas que favorecieron la heterogeneidad del ecosistema (Arellano, 2024). La estabilidad relativa de los elementos leñosos indica que, bajo condiciones climáticas favorables que sostienen la cobertura forestal, el bosque mantiene su estructura y composición con cambios mínimos, evidenciando una alta capacidad de persistencia frente a posibles perturbaciones de baja a moderada intensidad.

El cambio más significativo ocurre en la tercera zona (C-3a), donde se observa una disminución de Aspleniaceae y Bromeliaceae, lo que podría estar vinculado a un enfriamiento o a una reducción en la humedad ambiental, en concordancia con el evento de la Pequeña Edad de Hielo documentado en bosques de alta montaña del occidente de México (Figueroa-Rangel et al., 2019, 2020). Posteriormente, en los últimos 700 años (zona C-3b), la heterogeneidad en las oscilaciones de Pinus, Quercus y Abies sugiere periodos de regeneración y disturbio en el bosque, posiblemente por influencia de actividad humana (del Castillo et al., 2018). La disminución de Cyperaceae, Hymenophyllaceae, Polypodiaceae y Sphagnum podría estar relacionada con una menor disponibilidad de ambientes húmedos o la alteración de los suelos debido a disturbios naturales o inducidos.

El análisis polínico moderno confirma la composición arbórea identificada en campo, con la dominancia de Pinus, Quercus y Abies. Sin embargo, la diversidad de Hill indica una riqueza relativamente baja en el polen moderno (N₀ = 16, fig. 4) en comparación con el registro fósil (N₀ = 34, fig. 5), lo que sugiere una composición más diversa de la vegetación en el pasado. Esta diferencia podría atribuirse a la dispersión diferencial del polen, a sesgos tafonómicos en la preservación en el sedimento y a la representatividad desigual de ciertos taxones en el espectro polínico (Birks et al., 2011; Xiao et al., 2016). Estudios similares han reportado una disminución de la diversidad arbórea en el Holoceno tardío en otras zonas templadas y tropicales de México, vinculada a eventos de cambio climático y actividades antrópicas (Lozano-García et al., 2021; Ortega-Rosas et al., 2008).

El análisis de los ensambles polínicos modernos y fósiles revela patrones temporales de similitud y disimilitud que sugieren cambios en la composición y estructura de la vegetación a lo largo de los últimos ~ 1,580 años. La mayor similitud entre los registros modernos y fósiles se presenta entre ~ 850 y 400 años cal AP, lo que es congruente con lo reportado en la sierra de Manantlán alrededor de ~ 850 años cal AP, caracterizado por la disminución de Pinus y el aumento de Quercus y Alnus, lo que pareciera una contracción del bosque dominado por Pinus y la expansión relativa de latifoliadas (Figueroa-Rangel et al., 2016). Este intervalo coincide con la Anomalía Climática Medieval (ACM) (800-1200 d.C.), caracterizada regionalmente por condiciones más cálidas y en diversos registros, mayor aridez estacional congruentes con otras secuencias polínicas del occidente y centro de México (Lachniet et al., 2012; Metcalfe et al., 2010), donde Quercus y Alnus se han propuesto como taxones indicadores de sequía (Lozano-García et al., 2021).

La similitud observada hacia ~ 400 años cal AP se acompaña de una expansión relativa de Poaceae y Asteraceae, familias típicamente pioneras y asociadas a ambientes abiertos o recientemente perturbados. Este intervalo coincide con la Pequeña Edad de Hielo (LIA) (1300 y 1850 d.C.), un periodo más frío que el actual que pudo reducir la productividad del bosque, favoreciendo claros y paisajes abiertos propicios para el establecimiento de pastizales (Bradley y Jones, 1993; Mann et al., 2009). Adicionalmente, las perturbaciones antrópicas de los últimos siglos (cambios de uso de suelo, tala y fuego) posiblemente reforzaron esa apertura del paisaje, lo que incrementó la representación polínica de Poaceae y Asteraceae (Lozano-García et al., 2021).

Por otro lado, los periodos de mayor disimilitud identificados hace ~ 1,500, 1,000 y 300 años cal AP, sugieren episodios de cambio ambiental y posibles alteraciones en la vegetación local. Estos periodos de disimilitud se relacionan estrechamente con las 3 zonas identificadas previamente mediante CONISS. La disimilitud hace ~ 1,500 años cal AP coincide con la transición entre las zonas más antiguas de la secuencia, caracterizada por una menor representación de Pinus y un mayor aporte de taxones leñosos y herbáceos indicativos de condiciones más húmedas, lo que significa mayor heterogeneidad ambiental y cambios en la dinámica del bosque (Lachniet et al., 2012). Asimismo, la disimilitud hace ~ 1,000 años cal AP se asocia con un incremento de Abies y una reducción de taxones de ambientes abiertos, lo cual lleva a una reorganización en la composición del bosque, posiblemente asociada a variaciones climáticas durante la Anomalía Climática Medieval; estos episodios han sido relacionados con fluctuaciones de humedad y temperatura que afectaron la distribución de especies arbóreas (Figueroa-Rangel et al., 2016; Metcalfe et al., 2010). En el intervalo más reciente, aproximadamente los últimos 300 años cal AP, se observa un aumento de la disimilitud que marca la transición hacia una señal polínica moderna claramente diferenciada de los ensambles fósiles. Esta modificación puede estar asociada, por un lado, con la variabilidad climática vinculada a la Pequeña Edad de Hielo y por otro lado, con cambios de origen antropogénico posteriores a la colonización española, que implicaron modificaciones del uso del suelo y una mayor presión sobre los ecosistemas como los incendios y procesos de deforestación, que alteraron la estructura y composición del bosque y generaron ensambles polínicos distintos respecto de las condiciones previas (Lozano-García et al., 2021). Estos hallazgos resaltan la interconexión entre los procesos ecológicos y climáticos en la configuración de los ecosistemas forestales, y proporcionan evidencia sobre la sensibilidad de estos ecosistemas a los cambios ambientales pasados.

El análisis de los ensambles polínicos modernos y fósiles en la sierra de Cacoma, Jalisco en particular en la Cumbre de Guadalupe, ha permitido reconstruir la dinámica de la vegetación durante los últimos ~ 1,580 años, que evidencian cambios en la composición y estructura del bosque en respuesta a factores climáticos y antrópicos. Los resultados mostraron que la vegetación actual está dominada por Pinus pseudostrobus y Abies jaliscana, los elementos estructurales más relevantes. Esta composición coincide con la representación polínica moderna, donde Pinus–Quercus–Abies fueron los taxones dominantes, lo que refleja la relación entre el ensamble polínico y la estructura del bosque. Sin embargo, el registro polínico fósil indica que la vegetación del pasado presentaba una mayor diversidad de especies, lo que sugiere una mayor heterogeneidad de la vegetación en el pasado. La disminución de la diversidad efectiva en los últimos siglos podría estar relacionada con el impacto de eventos climáticos, como la Pequeña Edad de Hielo (~ 850-400 AP), así como la influencia de actividades antrópicas, como el cambio en el uso de suelo, los incendios y la explotación forestal.

El análisis de disimilitud entre ensambles de polen moderno y fósil identificó intervalos de mayor similitud estructural del bosque (~ 850 y 400 cal AP), intercalados con episodios de cambio (~ 1,500, ~ 1,000 y ~ 300 cal AP). Estos periodos coinciden con transiciones climáticas del Holoceno tardío, incluida la Anomalía Climática Medieval y la Pequeña Edad de Hielo, que modularon la composición de las comunidades vegetales. Asimismo, la evidencia indica que en los últimos siglos, la actividad humana (incendios, deforestación) ha alterado la estructura forestal y ha favorecido la homogeneización de la vegetación en algunas zonas.

Los hallazgos señalan la relevancia del análisis palinológico en la reconstrucción de la historia ambiental y ecológica de los bosques montanos del occidente de México. Futuros estudios podrían integrar un análisis multiproxy, como datos isotópicos y modelado climático, para mejorar la resolución temporal de los cambios en la vegetación y su relación con la variabilidad climática. Asimismo, se podrían desarrollar análisis de correspondencia entre los conjuntos de polen moderno y la vegetación actual para identificar los factores que explican la ausencia de ciertos taxones esperados, a pesar de la evidencia que indica una correspondencia entre la composición de polen local y la vegetación del bosque.

Agradecimientos

Agradecemos el apoyo financiero de los proyectos Conahcyt CB-2008-106435 y UDG-PTC-1403. Asimismo,
agradecemos al Laboratorio de Paleoecología y Cambio Climático del Departamento de Ecología y Recursos Naturales del Centro Universitario de la Costa Sur, Universidad de Guadalajara, y al Laboratorio de Paleoecología, Paleoclimatología y Cambio Climático del Departamento de Dinámica Superficial del Instituto de Geología, UNAM, por las facilidades, el apoyo logístico y la infraestructura brindados para el desarrollo del estudio. El acceso a la zona de estudio fue brindado por los habitantes de la comunidad de la Cumbre de Guadalupe. También expresamos nuestro reconocimiento a quienes colaboraron en el trabajo de campo, así como a Carlos Armando Pacheco Contreras por la elaboración del mapa y el trabajo de campo. Finalmente, agradecemos a los revisores anónimos por sus observaciones y sugerencias que contribuyeron a mejorar este trabajo.

Referencias

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Diversidad genética de Oenothera drummondii (Onagraceae), una herbácea de dunas costeras: implicaciones ecológicas y evolutivas 

Raquel Aurora Hernández-Espinosa ^a, Jorge González-Astorga ^a, *,
Yessica Rico ^b, Juan B. Gallego-Fernández ^c

^a Instituto de Ecología A.C., Red de Biología Evolutiva, Laboratorio de Genética de Poblaciones, Carretera Antigua a Coatepec No. 351, El Haya, 91073 Xalapa, Veracruz, Mexico 

^b Instituto de Ecología A.C., Centro Regional del Bajío, Red de Diversidad Biológica del Occidente Mexicano, Av. Lázaro Cárdenas No. 253, 61600 Centro, Pátzcuaro, Michoacán, Mexico

^c Universidad de Sevilla, Departamento de Biología Vegetal y Ecología, Av. de la Reina Mercedes, 6, 41012 Sevilla, Spain

*Corresponding author: jorge.gonzalez@inecol.mx (J. González-Astorga)

Received: 09 June 2025; accepted: 31 October 2025

Abstract

We studied the diversity and genetic structure of Oenothera drummondii Hook. (Onagraceae), a dune plant with a mixed reproductive system, across 9 populations using 10 microsatellite markers. Plant genetic diversity is governed by intrinsic factors (i.e., reproductive system and dispersal) and extrinsic factors (i.e., population fluctuations and founder effects). We found moderate to low genetic diversity, with southern populations showing lower diversity, and northern populations higher. A separate study on self-compatibility revealed higher selfing in the south and lower in the north, suggesting a latitudinal gradient that may reduce genetic diversity in southern populations. Peripheral populations showed reduced diversity and greater differentiation, likely due to increased isolation and limited gene flow. Central populations near the Texas origin exhibited the highest diversity. Populations from Baja California (O. drummondii subsp. thalassaphila) formed a genetically distinct group, suggesting a separate species. Overall, genetic patterns in O. drummondii genetic diversity reflect historical and ecological influences, including mating system variation, floral traits, and pollinator dynamics. These findings support hypotheses such as center-periphery dynamics and climate-driven historical processes (e.g., post-glacial expansion), which may shape the species’ genetic landscape and suggest possible local adaptations to environmental changes.

Keywords: Neutral genetic diversity; Coastal dunes; Microsatellites; Genetic bottleneck; Latitude; Selfing

Resumen 

Evaluamos la diversidad y estructura genética de Oenothera drummondii Hook. (Onagraceae), planta de dunas costeras con sistema reproductivo mixto; se usaron 9 poblaciones y 10 marcadores microsatélites. La diversidad genética en plantas está influenciada por factores intrínsecos (dispersión y sistema reproductivo) y factores extrínsecos (fluctuaciones poblacionales y efecto fundador). Encontramos diversidad genética moderada a baja, con menor diversidad en poblaciones del sur (Ojoshal) y mayor en el norte (Bolívar). Un estudio complementario mostró mayor autocompatibilidad en Ojoshal y menor en Bolívar, sugiriendo un gradiente latitudinal con incremento de autocompatibilidad hacia el sur, con posible reducción de diversidad genética. Las poblaciones periféricas presentaron menor diversidad y mayor diferenciación, asociada a menor flujo génico y mayor aislamiento; las poblaciones centrales, cercanas al origen de la especie en Texas, mostraron mayor diversidad. Las poblaciones de Baja California (O. drummondii subsp. thalassaphila) formaron un grupo genético distinto, que podría representar a una especie separada. En conjunto, los patrones genéticos de O. drummondii reflejan procesos históricos y ecológicos relacionados con el sistema reproductivo, características florales y las dinámicas de polinización, lo cual podría significar adaptaciones locales a cambios ambientales, y patrones de distribución genética asociados con ellos, como la hipótesis de centro-periferia.

Palabras clave: Diversidad genética neutral; Dunas costeras; Microsatélites; Cuellos de botella; Latitud; Autocompatibilidad

Introduction

Genetic diversity may be considered a crucial factor in determining the ability of populations to adapt and evolve, thus increasing their evolutionary potential (He et al., 2024). Understanding the drivers of genetic variation among plant populations is essential in evolutionary biology as this diversity is the foundation for adaptive potential and long-term survival (Chung et al., 2023; Wright, 1969). In plants, the factors that shape genetic variation can be divided into: a) intrinsic biological properties (e.g., the genetic recombination system, including ploidy level, reproductive system, and meiotic behavior; the mode of dispersal and pollination; and the life form), and b) extrinsic dynamic processes (e.g., fluctuations in population size due to bottlenecks, founder effect, invasions, and changes caused by ecological succession) (Duminil et al., 2009). The reproductive system is the intrinsic biological property suggested to be the major driver of genetic diversity in plants (i.e., heterozygosity and population genetic differentiation) (Koelling et al., 2011; Wright, 1969), as it influences the mating patterns within a population by determining the extent to which selfing can occur (Charlesworth, 2006; Raduski et al., 2012). Self-incompatible populations, for instance, are composed of outcrossing plants with a predominantly outcrossing mating system. Conversely, in partially or completely self-compatible plants, the mating system can span from outcrossing to mixed mating to complete selfing (Holsinger, 1991).

Small, low-density populations experiencing habitat fragmentation and isolation, with limited mate or pollinator availability, exhibit increased propensity for self-fertilization (Devaux et al., 2014; Whitehead et al., 2018). In situations where self-fertilization is evolutionarily advantageous, selection will favor changes in traits that facilitate selfing (e.g., reductions in flower size, reduced nectar, pollen and reduced herkogamy) (Opedal, 2018; Shimizu & Tsuchimatsu, 2015; Sicard & Lenhard, 2011). These changes can have consequences at the genetic level, including elevated rates of inbreeding, a reduction in genetic diversity within populations, and increased genetic differentiation among populations (Barrett & Harder, 1996; Ingvarsson, 2002). Furthermore, a principal consequence of predominant self-fertilization is the reduction in heterozygosity and intra-population genetic diversity, coupled with an increase in inter-population differentiation, when compared to self-incompatible plants (Hamrick & Godt, 1996). In contrast, clonal species are expected to exhibit higher levels of heterozygosity than self-incompatible species, but lower levels of polymorphism within the population and higher levels of differentiation between populations (Levin, 2012). 

In addition to the intrinsic biological properties of the species, spatial distribution and demography strongly influence processes such as genetic drift, gene flow, and natural selection, which in turn shape the genetic characteristics of populations (Eckert et al., 2008). For example, species range size tends to influence gene flow and genetic differentiation between populations. Large distances between populations with large ranges would be barriers to gene flow (Lawrence & Fraser, 2020). Peripheral populations are predicted to exhibit reduced gene flow, greater isolation, and higher genetic differentiation. In contrast, populations in the center of the distribution would have higher gene flow and be less differentiated (Lawrence & Fraser, 2020). This may be exacerbated if the peripheral populations experience rapid cycles of colonization and extinction, and have associated bottleneck events or founder effects (Eckert et al., 2008). Dispersal ability also influences the amount of gene flow between core and peripheral populations. This has implications for the maintenance of genetic diversity. For example, species with large ranges but limited mobility have reduced gene flow between populations, resulting in greater genetic differentiation (Pelletier & Carstens, 2018).

The genus Oenothera (Onagraceae) is widespread with the majority of species concentrated in western North America (Overson et al., 2023), with some taxa extending to Central Mexico and South America (Wagner et al., 2007). Like other Onagraceae members, Oenothera species originated in the Nearctic region. Their diversification began 20 million years ago during the Miocene, an epoch characterized by colder and drier than the present. These conditions triggered both altitudinal and latitudinal forest retreats, creating ecological opportunities for herbaceous species that prefer open environments and can resist low temperatures and low humidity (Dietrich & Wagner, 1988). 

The species of Oenothera contributed significantly to the early development of plant genetics, cytogenetics, and evolutionary biology. Since the work of De Vries in 1900 (Cleland, 1972), a great deal of information has been collected on the ecology, morphology, cytology, and genetics of the genus, giving it a great advantage as a model for study (Greiner & Köhl, 2014), especially on reproductive systems (Johnson et al., 2009; Raven, 1979; Wagner et al., 2007). The intricate evolutionary history of the genus reports several transitions in reproductive systems, which are diverse (Cleland, 1972; Johnson et al., 2011; Rauwolf et al., 2008). In addition, Oenothera has a unique genetic recombination system (Cleland, 1972). In some species, meiosis is accompanied by a rearrangement of chromosome arms that form structures known as rings. These rings segregate into the next generation and have significant implications for inheritance (Golczyk et al., 2014). They act as barriers to homologous recombination and alterations to the linkage balance (Overson et al., 2023; Rauwolf et al., 2008). 

Our study focuses on Oenothera drummondii Hook. (Onagraceae), an herbaceous, short-lived perennial species belonging to the subsection Raimmania within Oenothera (Overson et al., 2023). The speciespresents different chromosomal configurations during meiosis, including the formation of bivalents and rings, but is not a permanent translocation heterozygote; so its reproduction is not expected to be clonal (Dietrich & Wagner, 1988). In contrast, the species displays a mixed mating system, encompassing both self- and cross-pollination (Dietrich & Wagner, 1988; Gallego-Fernández & García-Franco, 2021b). Despite exhibiting self-compatibility, its herkogamous large yellow flowers, and elevated stigma suggest predominantly outcrossing, particularly in North American populations (Gregory, 1964). Nevertheless, the species is capable of self-pollination in the absence of pollinators (i.e., sphingid moths and some hymenopterans) or under specific environmental conditions, such as wind, sand burial, and wave action during tropical storms, which are common in dunes and have an impact on the survival of individuals (Dietrich & Wagner, 1988; Gallego-Fernández & García-Franco, 2021; Gregory, 1964). Recent studies in North America showed that levels of self-compatibility vary from population to population, decreasing with increasing latitude (Gallego-Fernández & García-Franco, 2021b). Also, flower size decreased significantly with increasing latitude (Gallego-Fernández & García-Franco, 2021a). Given that all these characteristics could be reflected in the genetic diversity and genetic structure of the populations, we combined existing reports on life history traits, germination and self-compatibility levels, floral traits, dispersal modes, and genetic recombination system with our results of the genetic diversity and structure of 9 populations covering the North American distribution of O. drummondii (Gulf of Mexico and Baja California).

In this study, we addressed the following questions: 1, Does the genetic diversity vary between populations? Because different environmental conditions allow different evolutionary pressures to act in each population, we expect variation in genetic diversity and related genetic parameters such as heterozygosity and inbreeding. 2, Does the predicted variation in genetic diversity relate to intrinsic biological properties of the populations, such as selfing or changes in floral traits? If self-fertilization is the predominant mating system in the population, we expect populations to show smaller flower size, higher inbreeding, lower heterozygosity, and reduced genetic diversity (Ingvarsson, 2002). 3, Do populations closer to the center of the distribution have greater genetic diversity and less genetic differentiation than peripheral populations? Large distances between populations of species with large ranges would be barriers to gene flow (Lawrence & Fraser, 2020). Also, species living in coastal dunes commonly experience rapid cycles of colonization and extinction, and have associated bottleneck events or founder effects (Eckert et al., 2008). This effect would be exacerbated in peripheral populations (Lawrence & Fraser, 2020). We expect that populations at the edge of the distribution would have lower genetic diversity and higher differentiation than central populations. 

Materials and methods

Study system

Oenothera drummondii is the sixth member of the series Raimannia within the subsection Raimannia in the genus Oenothera (Dietrich & Wagner, 1988). Its center of origin is in North America (Texas, USA) and consists of 2 subspecies with a disjunct distribution: O. drummondii subsp. drummondii, which is distributed in the coastal dunes of the Gulf of Mexico (from North Carolina in the USA to Campeche in Mexico), and O. drummondii subsp. thalasaphilla along the Pacific coast at the Southern tip of Baja California in Mexico (Dietrich & Wagner, 1988; Hernández-Espinosa et al., 2020). The 2 subspecies can be distinguished morphologically: O. drummondii subsp. drummondii have large flowers and long pubescent leaves, while O. drummondii subsp. thalasaphilla is characterized by having small flowers and small succulent leaves (Dietrich & Wagner, 1988). O. drummondii subsp. drummondii has been accidentally introduced into coastal dune systems around the world, and is considered invasive in several of them (Castillo-Infante et al., 2021; Dietrich & Wagner, 1988). The species is restricted to coastal dunes, inhabiting the dunes from the back beaches to the first dune ridges and embryo-dunes of the Gulf of Mexico and Southeastern USA (from Campeche to North Carolina) (Dietrich & Wagner, 1988; Gallego-Fernández & García-Franco, 2021b; Moreno-Casasola, 1988). From Louisiana to North Carolina in USA, O. drummondii shares its distribution with O. humifusa, another species within subsection Raimmania. Oenothera humifusa is an autogamous, permanent structural heterozygote (PTH), very similar to O. drummondii in growth form and habitat requirements. In the overlapped distribution, 2 basic types can be distinguished, although they are linked by intermediate forms that result from crosses between O. drummondii and O. humifusa (Dietrich & Wagner, 1988; Wagner et al., 2007). To ensure that the collection represented only O. drummondii and excluded the possibility of hybrids, the sampling was made systematically, beginning in Texas, USA, and continuing southward to Tabasco. Some of the populations collected were small and restricted to limited areas, in which all individuals were collected. The most illustrative example was the population of Ojoshal, composed of 9 individuals. We studied 169 individuals from 9 North American populations, and the 2 subspecies of O. drummondii (Fig. 1; Supplementary material: Table S1). Of these, 2 populations are from O. drummondii subsp. thalassaphila (Agua Blanca and Punta Arena del Sur), and the remaining 7 are from subsp. drummondii (Bolívar, South Padre Island, Matagorda, Altamira, La Mancha, Olmeca, and Ojoshal). We had information on self-compatibility and floral traits for 4 of the 9 populations evaluated (Bolívar, South Padre Island, La Mancha, and Ojoshal), since Gallego-Fernández and García-Franco (2021a, b) used the same populations in their studies (Supplementary material: Table S2). 

Vegetal material

Leaf material was collected from reproductive adults of each population, for which 5 leaves per plant were sampled in paper bags with silica gel, and the samples were subsequently stored at -20 °C. When population density exceeded 30 individuals, 20 were randomly selected, and if within a population less than 20 individuals were found, as in Ojoshal, the entire population was sampled (Supplementary material: Table S1). 

DNA extraction and microsatellite loci amplification

Ten microsatellite loci transferred to O. drummondii from other species of the Oenothera (Hernández-Espinosa et al., 2020) were used in this study: OenhaB105, OenhaD102, OenbidiA_C10, Oenbi2triA_A1, Oenbi2triA_D3, Oenbi39tri10, Oenbi2triA_H1, Oenbi39tri4, Oenbi2triA_E4 and Oenbi39di2. The extraction of genomic DNA was carried out according to 2 protocols: a) CTAB extraction, using 50 mg of dry leaf tissue (González & Vovides, 2002). The extracted DNA was subsequently purified using the PCR Clean-up & Gel Extraction Purification Kit (QIAGEN). b) DNeasy Plant Mini Kit using 20 mg dried leaf tissue following the manufacturer’s instructions (QIAGEN). The quantity and quality of the extracted DNA were verified on 1% agarose gels stained with Red Gel.

Microsatellite amplification was performed using 2 protocols. An initial PCR in a final volume of 10 µL containing total DNA, 2X reaction buffer, 0.2 mM of each dNTP, 1.6 mM MgCl2, 0.5 ng/µL BSA, 0.025 U/µL Taq polymerase, 0.5 µM reverse and forward primers, and 0.5 µM universal primer M13. For sample visualization, each forward primer was modified by the addition of an M13 sequence at the 5’ end (5’-TGT AAA ACG ACG GCC AGT-3’) that is complementary to an M13 primer labeled with either NED (yellow), HEX (green), or 6-FAM (blue) fluorophores. The amplification program consisted of an initial cycle of 3 min at 94 °C; followed by 25 cycles of 94 °C for 40 s, 50 °C for 40 s, and 72 °C for 60 s; 8 cycles of 94 °C for 60 s, 53 °C for 60 s, and 72 °C for 60 s, where hybridization of the M13 primer occurs; and a final extension at 72 °C for 10 min. A second PCR was performed using the Type-it microsatellite kit (QIAGEN), 1 µL of total DNA, and 0.2 µM of the forward, reverse, and M13 primers in cases where no amplification products were obtained from the first PCR after verification in 1% agarose. The amplification program consisted of a 15-minute cycle at 95 °C, followed by 20 cycles at 94 °C for 40 s, 50 °C for 90 s, and 72 °C for 60 s; 15 cycles at 94 °C for 60 s, 53 °C for 60 s, and 72 °C for 60 s. The final extension was performed at 60 °C for 30 min. A standard 400 bp marker and an ABI 3730 Gene Analysis System (Macrogen) were used to analyze the PCR products resulting from amplification. GeneMarker (Softgenetics, State College, PA, USA) was used to identify allele sizes manually. Oenothera drummondii is a diploid species, with amplifications consisting of 1 or 2 alleles per individual.

Statistical analysis

Presence of null alleles was evaluated using the FreeNA software with the EM algorithm (Chapuis & Estoup, 2007). The frequency of null alleles was estimated for each locus and population. F_ST values were calculated with FreeNA with the ENA algorithm for the correction of null alleles. The presence of clones in the populations was assessed with GenAIEx 6.503 software (Peakall & Smouse, 2012). Deviations from Hardy-Weinberg equilibrium for each locus in each population were assessed by the X² test using the Benjamin-Hochberg procedure in GenAIEx 6.503 software (Peakall & Smouse, 2012). Linkage disequilibrium (LD) between loci was evaluated in Arlequin 3.5.2 (Excoffier & Lischer, 2010). 

The percentage of polymorphic alleles (P), average number of alleles per locus (A), average number of effective alleles (Ae), observed heterozygosity (H_O), expected heterozygosity (H_E), and fixation index (F) were calculated in GenAIEx 6.503 (Peakall & Smouse, 2012). To estimate the patterns of genetic variation between and within the populations, we calculated the F-statistics (i.e., F_IS, F_IT and F_ST) (Wright, 1978). Additionally, F_IS per population, considering null allele frequency, was estimated using INEST 2.2 (Chybicki, 2017), applying Bayesian method with 300,000 steps, sampling every 1,000 steps and burn-in of 30,000 steps. For the bottleneck analysis, the Wilcoxon signed rank test was performed for 3 mutation models: Infinite Allele Model (IAM), Stepwise Mutation Model (SMM), and Two-Phase Model (TPM). INEST 2.2 was used to run 100,000 simulations for each mutation. The relationship between latitude and parameters of genetic diversity (A, P, H_O and H_E) was evaluated using regression models (Sokal & Rohlf, 1995) in the R 4.2.0 program (R Core Team, 2020).

To estimate the molecular variation within and between populations, an analysis of molecular variance (AMOVA) was performed using 1,000 permutations in poppr package in R 4.2.0 software (R Core Team, 2020). To determine isolation by distance (IBD), a Mantel test (Mantel, 1967) was performed between the matrix of genetic differentiation (F_ST) with INA null allele correction, and population geographic distances (Euclidean) using 999 permutations in the vegan R package (R Core Team, 2020). We measured current dispersal rates (m) using BAYESASS, in which m is interpreted as the fraction of migrants per generation in one population that is derived from another population (Wilson & Rannala, 2003). The Bayesian clustering algorithm implemented in the Structure 2.3.4 software (Pritchard et al., 2010) was used to clarify the genetic structure of the samples by assigning individuals to genetic groups. The simulation was carried out with correlated allele frequencies and with mixture models according to ancestry. All analyses used 100,000 replicates, a Markov chain Monte Carlo (MCMC) burn-in period of 10,000 steps, and 10 replicates per K. The results obtained from Structure were processed with Structure Harvester (Earl & VonHoldt, 2012) to select the optimal K (highest value of ΔK) using the Evanno method (Evanno et al., 2005). Clumpak (Kopelman et al., 2015) and Distruct (Rosenberg, 2004) were used to visualize the bar graphs obtained in Structure. Discriminant analysis of principal components (DAPC) using the R package adegenet with 1,000 permutations for validation was also used to analyze the genetic structure of O. drummondii. It was based on the genetic distances (Cavalli-Sforza & Edwards, 1967) for each pair of populations, using the INA correction (Chapuis & Estoup, 2007) for the presence of null alleles. 

Results

Frequency of null alleles

The 10 microsatellite loci amplified successfully in 161 individuals from 9 populations. Statistical tests of Hardy-Weinberg equilibrium for each locus in each population showed that most cases (50 of 78) did not deviate from equilibrium. For each population, the linkage disequilibrium analysis showed significant deviations in at least one locus. Mean null allele frequencies for all populations were low (0.06 ± 0.04). The mean null allele frequencies per population were moderate to low (0.01 ± 0.02-0.13 ± 0.14). Five loci exhibited high allele frequencies (> 0.2) in at least one population when analyzed across all population-locus combinations (Supplementary material: Tables S3, S4).

Genetic diversity

We detected 99 alleles for the 10 microsatellite loci. The total number of alleles detected had an average of 9.9 ± 5.6 alleles per locus, ranging from 4 for OenhaD102 to 23 for OenbidiA_C10. The level of polymorphism was high in all populations (mean 86.67 ± 14.14). The lowest percentage of polymorphism was found in Ojoshal (OJO), where 4 loci were monomorphic. The number of alleles per locus ranged from 1.80 in Ojoshal to 4.60 in Bolívar, with an overall mean number of alleles per locus of 2.28 ± 0.48. We found a total of 35 private alleles, ranging from 1 in La Mancha to 8 in Bolívar and Agua Blanca. The average effective number of alleles was 2.28 ± 0.48. It ranged from 1.58 in Olmeca to 3.06 in Bolívar (Table 1).

Expected heterozygosity ranged from 0.283 in Olmeca to 0.599 in Matagorda. The overall mean was 0.442 ± 0.104. The observed heterozygosity was also lowest in Olmeca (0.221), and highest in Matagorda (0.547). The mean total observed heterozygosity was 0.409 ± 0.097. The average observed heterozygosity was lower (H_O < H_E) than expected, indicating an overall homozygote excess. This is consistent with the results of the Hardy-Weinberg equilibrium test, which showed heterozygote deficiency for at least 1 locus in all populations. However, the Hardy-Weinberg equilibrium test also showed heterozygote excess in 4 populations: South Padre Island, Olmeca, Ojoshal, and Punta Arena del Sur. Of these, Ojoshal showed heterozygote excess at 5 of the 6 polymorphic loci (Table 1). 

Table 1

Parameters of neutral genetic diversity of O. drummondii at 10 microsatellite loci. N = Sample size; P = percentage of polymorphic loci; A = mean allele number by locus; Ae = mean effective allele number; Ap = private alleles; H_O and H_E = mean observed heterozygosity, and mean expected heterozygosity; F = fixation index. Hardy-Weinberg equilibrium deviations (p < 0.05), test is the number of polymorphic loci evaluated, and (-) is the number of loci with deficiency and excess of heterozygotes (+).

Table 2

Bottleneck estimation for 9 populations of O. drummondii. Significant values are shown in bold. SSM: Step mutation model, TPM: two-phase model.

The coefficients of inbreeding obtained using the INEST ranged from 0.0051 in Altamira to 0.2446 in Olmeca (Table 2). Three models were evaluated to detect the presence of recent genetic bottlenecks. The infinite allele model (IAM), the two-phase model (TPM), and the step mutation model (SSM). The SMM model has been suggested as a statistically conservative approach to detect microsatellite bottlenecks (Luikart et al., 1998). However, given the instability and wide range of mutation rates inherent to these markers, the TPM model may be the one that best explains the predominant mutation process at most loci (Di Rienzo et al., 1994). According to the TPM model, 4 populations in O. drummondii show possible recent bottlenecks: Altamira, Ojoshal, Matagorda and La Mancha (Table 2). Regression analyses revealed significant latitudinal clines in genetic diversity, with both alleles per locus (r = 0.69, p < 0.005) and expected heterozygosity (r = 0.65, p < 0.005) showing strong negative relationships with latitude. Latitude significantly predicted the percentage of polymorphic loci (r = 0.4, p < 0.05), whereas no significant relationship was observed for heterozygosity (Supplementary material: Table S5). 

Genetic structure

When evaluating the distribution of genetic variation within and among populations, mean values of global inbreeding (F_IT = 0.416 ± 0.163) and local inbreeding (F_IS = 0.059 ± 0.195) indicated significant heterozygosity deficits. The mean value of genetic differentiation (F_ST) was 0.376 ± 0.132, indicating that 38% of the genetic variation in O. drummondii was due to differences between populations. Furthermore, genetic differentiation between pairs of populations was mostly high (> 0.15). Matagorda and Bolívar had the lowest differentiation (0.06), followed by Punta Arena del Sur and Agua Blanca (0.17), and Bolívar and South Padre Island (0.18). The analysis of molecular variance (AMOVA) showed that most genetic variation was found among individuals (54%), followed by that found among populations (38%) (Table 3).

The Mantel test detected significant isolation by distance (r = 0.64, p = 0.002). The BAYESASS analysis revealed high diagonal m-values (G1 = 0.972 – G3 = 0.980), suggesting high gene flow within the individual groups. Higher gene flow was observed from G1 to G2 (m_{1 to 2} = 0.009) (Fig. 2). The results of the Bayesian clustering are shown in Supplementary material: Fig. S1. The most probable K with the highest value of ΔK = 479.023 was K = 3, followed by K = 4 with ΔK = 101.129. For K = 3, 3 clearly defined genetic groups were observed, with a very low proportion of admixture among them. In this case, the first group consisted of the Texas populations: Bolívar, Matagorda, and South Padre Island, and the northernmost Mexican population, Altamira. The second group included the 3 remaining Mexican populations in the Gulf of Mexico: La Mancha, Olmeca and Ojoshal, while the third group comprised the 2 populations on the Baja California Peninsula. For K = 4, the clustering is similar to K = 3. The main difference in this case was that the fourth cluster split the previous cluster containing the Texas and Altamira populations, indicating greater genetic correspondence between Bolívar and Matagorda (populations further north in the Gulf) and between South Padre Island and Altamira. Admixture was low, indicating that Oenothera populations are highly structured. 

The Discriminant Analysis of Principal Components (DAPC), like the Bayesian method, also showed 4 groups (Fig. 1C; Supplementary material: Fig. S2). Consistent with the results of Structure, one group was formed by the populations of Baja California (Punta Arena del Sur and Agua Blanca). However, in this case, La Mancha was no longer grouped together with Ojoshal and Olmeca, which formed the second group. Altamira and La Mancha formed a third group that is closer to the fourth formed by the Texan populations (Bolívar, Matagorda, and South Padre Island). The DAPC results indicated the possibility that the Texas group was the ancestral group of the central Gulf of Mexico populations (Altamira and La Mancha). The other 2 groups were markedly more differentiated. 

Table 3

Molecular variance analysis (AMOVA) of Oenothera drummondii populations. 

Discussion

In this research, we evaluated the genetic variation between and within populations of Oenothera drummondii throughout its range in North America, for which we used microsatellite markers. These markers demonstrated sufficient variability to resolve population genetic structure at high resolution, consistent with a previous study (Hernández-Espinosa et al., 2020). We also found that all populations were in linkage disequilibrium for at least one locus. Deviations may result from limited homologous recombination during meiosis when chromosomal rings are formed (Rauwolf et al., 2008). In O. drummondii, as in many Oenothera species, this limited recombination is reported to cause changes in the linkage equilibrium (Cleland, 1972; Rauwolf et al., 2008; Raven, 1979), as described in other ring-forming species of the genus: O. biennis (Larson et al., 2008; Levin, 1975; Levy & Levin, 1975), O. harringtonii (Skogen et al., 2012), O. hartwegii and O. gayleana (Lewis et al., 2016). The unique recombination system in the Oenothera is an attribute that has allowed them to colonize new environments from their origin in the Miocene (ca. 20 Ma), until recent times, successfully establishing themselves first in the Neotropics and then in Europe (Dietrich et al., 1997; Wagner et al., 2007).

Compared to other plants with similar characteristics in lifeform, reproductive system, geographic range, and dispersal mechanism, we found that Oenothera drummondii showed moderate to low genetic diversity. This is a short-lived perennial, self-compatible species with a mixed reproductive system and wide distribution (Dietrich & Wagner, 1988), and a variety of dispersal mechanisms (Gallego-Fernández et al., 2021). Mean levels of genetic diversity reported for other plants with mixed reproduction (N = 15, mean H_E = 0.60), short-lived perennial life form (N = 29, mean H_E = 0.55), wide distribution (N = 31, mean H_E = 0.62), and water or wind dispersal (N = 28, mean H_E = 0.61) (Nybom & Bartish, 2000), were higher than the level found in O. drummondii (mean H_E = 0.442).

Historically, genetic diversity in Oenothera has been attributed to structural genomic rearrangements, particularly hybridization and reciprocal translocations that alter linkage relationships translocations (Cleland, 1972; Rauwolf et al., 2011), as the genomes in Oenothera were considered to be essentially “non-recombining” due to the formation of chromosomal rings during meiosis (Cleland, 1972; Golczyk et al., 2014; Rauwolf et al., 2008). In contrast, the reported genetic diversity in Oenothera species appears strongly influenced by their predominant reproductive system. O. biennis, a permanent translocation heterozygote (PTH), maintains higher genetic variation than O. drummondii, which exhibits a mixed mating system (mean H_E = 0.69 vs. 0.44) (Larson et al., 2008). This agreed with the expectation of the “functional” asexual reproductive system of O. biennis, in which autogamy is almost complete and offspring are mostly clonal (Mather, 1943; Stebbins, 1957). Consistent with expectations for obligate sexual reproduction, self-incompatible, bivalent-forming Oenothera species (O. harringtonii with mean H_E = 0.77, O. gayleana with mean H_E = 0.53 and O. hartwegii with mean H_E = 0.49 vs O. drummondii with H_E = 0.44) maintained significantly higher genetic diversity than the mixed-mating O. drummondii (H_E = 0.44) (Levin, 1975; Rhodes et al., 2014; Skogen et al., 2019).

In terms of its reproductive system, the self-compatible O. drummondii generally has large flowers and an elevated stigma, suggesting a high propensity for sexual reproduction, although it can self-pollinate in the absence of pollinators or in situations where self-fertilization is evolutionarily advantageous (Gregory, 1964; Sicard & Lenhard, 2011). Gallego-Fernández and García-Franco (2021b) assessed the level of self-compatibility of O. drummondii in the Gulf of Mexico, through germination essays. They evaluated 4 of the 9 populations in this study (Bolívar, South Padre Island, La Mancha and Ojoshal), and found that self-compatibility increased in low-latitude populations (La Mancha and Ojoshal), while lower for higher-latitude populations (Bolívar and South Padre Island). These results suggest a latitudinal shift towards greater selfing to the south of the distribution. It has been suggested that greater selfing in populations leads to a decrease in genetic diversity (Ingvarsson, 2002), which is consistent with the pattern of genetic variation found in this study. In agreement with the results of Gallego-Fernández and García-Franco (2021a), we found that populations with higher reported self-compatibility also had lower genetic diversity. On the other hand, in partial selfing species, reductions in genetic diversity are associated with changes in traits that facilitate selfing (i.e., reduced flower size, reduced nectar, pollen and reduced herkogamy) (Barrett & Harder, 1996; Shimizu & Tsuchimatsu, 2015; Tedder et al., 2015). According to the theory, it would be expected that the populations of O. drummondii with a higher self-compatibility, and lower genetic diversity (i.e., Ojoshal) would also show a tendency to reduce flower size, and populations with lower self-compatibility, and higher genetic diversity (i.e., Bolívar) would show an increase in flower size. However, Gallego-Fernández and García-Franco (2021a) found the opposite: populations showed larger flower sizes following a latitudinal gradient from subtropical (i.e., Bolívar and South Padre Island) to tropical (i.e., La Mancha and Ojoshal) climates. This result suggests that in O. drummondii there is no latitudinal correlation between a reduction in flower size and an increase in selfing, and thus to a reduction in genetic diversity. Differences in floral traits among O. drummondii populations appear to respond to both biotic (i.e., pollinators) and abiotic factors (i.e., temperature, precipitation), suggesting local adaptations to environmental changes (Gallego-Fernández & García-Franco, 2021a). 

In O. drummondii the genetic diversity showed a significant increase with latitude, with its lowest values in Ojoshal and Olmeca, while the higher values were found in Bolívar and Matagorda, populations in the highest latitudes. The genus Oenothera appears to have originated in northern Mexico and the adjacent USA, and subsection Raimmania, to which O. drummondii belongs, is centered in this area (Dietrich & Wagner, 1988). Since older clades tend to have more genetic diversity (Willi et al., 2018), it would be expected that the greatest genetic diversity would be found in populations at latitudes closest to the center of origin (i.e., Bolívar and Matagorda) and that it would lower as populations moved away to the periphery of the distribution, as was found here. In addition to reducing population genetic variation through genetic drift, habitat suitability often decreases from the core to the edge of a species’ geographic range, leaving edge populations small and isolated (Sagarin & Gaines, 2002), as in Ojoshal. However, despite the small population size of Ojoshal, inbreeding was low, presumably because of its high selfing index (Gallego-Fernández & García-Franco, 2021b). Inbreeding depression is predicted to be lower in selfing species because recessive deleterious alleles are expected to be efficiently “purged” from populations (Winn et al., 2011), and selfing favors the selection of new recessive beneficial mutations (Burgarella & Glémin, 2017; Charlesworth et al., 1993).

The pattern of distribution of the genetic diversity found in Oenothera drummondii seems to be shaped by demographic and evolutionary processes (Durka, 1999; Hewitt, 1996). Historical climate-driven changes are known to still affect the present-day genetic diversity (Alvarez et al., 2009; Hewitt, 2000). As a result of sequential founder events during post-glacial recolonization, contemporary populations show reduced genetic diversity and increased genetic differentiation, especially at range margins (Eckert et al., 2008; Sagarin & Gaines, 2002). The above pattern was found in 512 North American herbs, showing that the shifting and fragmentation of species’ geographical ranges in the past 20,000 years has played an important role in shaping the genetic variation of contemporary populations (Benavides et al., 2019). 

Regarding the populations in Baja California (i.e., Agua Blanca and Punta Arena del Sur), the results of both genetic diversity and genetic structure showed that they formed an independent genetic group, as expected given that the populations belong to a different subsp. of O. drummondii. However, based on the genetic differences detected and the evidence of differences in life history, vegetative and floral characteristics observed in the field at the time of collection, it is suggested that O. drummondii subsp. thalassaphila is a distinct species from O. drummondii subsp. drummondii (Table 4). A detailed taxonomic study and additional genetic data from new populations of O. drummondii subsp. thalassaphila will be needed to support this. 

Table 4

Distinctive morphological attributes between O.drummondii subsp. drummondii and O. drummondii subsp. thalassaphila. Data taken from Benavides et al. (2019).

We conclude that the genetic diversity and genetic structure across the range of O. drummondii in North America suggest a latitudinal shift towards increased selfing and a decline in genetic diversity in the low-latitude populations. However, there is no positive relation between reductions in floral traits and increased selfing in the populations. Differences in floral traits appear to respond to biotic and abiotic factors, suggesting local adaptations to environmental changes. In O. drummondii, genetic parameters may reflect historical processes like climate-driven changes (i.e., the last glaciation), and patterns of genetic distribution associated with them, such as the center-peripheral hypotheses. The genetic attributes evaluated here suggest that populations of O. drummondii subsp. thalassaphila may represent a distinct species, but further evaluation will be required to confirm this hypothesis.

Acknowledgments

This study was supported by the Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) by a scholarship (2019-000037-02NACF-29365), as part of a doctoral thesis directed by Jorge González-Astorga. This study was also supported by the Ministerio de Economía y Competitividad, Spain (MINECO Project CGL2015-65058-R co-funded by FEDER). We sincerely thank the assistance in fieldwork to collect plant materials: Rusty Feagin, José García-Franco, Alejandro Espinosa de los Monteros and Anwar Medina-Villareal. We also thank Janet Nolasco-Soto for the assistance in laboratory methods, and two anonymous reviewers for their comments and observations on the manuscript.

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