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Genetic Diversity and Evolutionary Potential of Rare Plant Species: Mentzelia mollis and M. packardiae (Loasaceae)

Abstract. Mentzelia mollis and M. packardiae are narrowly distributed plants occurring primarily in the Owyhee Desert of southeastern Oregon and southwestern Idaho. Previous molecular studies have suggested a relatively old allopolyploid origin of M. mollis (4×) followed by the allopolyploid formation of M. packardiae (8×) from the combination of M. mollis and a second extinct progenitor superimposed with ongoing genetic introgression from other species in Mentzelia section Trachyphytum. Here we report the sequencing of the chloroplast intergenic spacer ndhF–rpl32 from 15 populations of M. mollis and 4 populations of M. packardiae as well as diagnostic analyses of their edaphic habitats to better understand the genetic patterns of variation and edaphic adaptations created by these processes. Chemical and physical analyses suggest that high levels of sodium, potassium, and overall salinity in soils, as well as unusual textures and structures of soils and substrate conglomerates, could account for the narrow distributions of both species and the low productivity of their respective habitats. A nonparametic MANOVA shows that the edaphic niches of M. mollis and M. packardiae are significantly different from those of all other species in Mentzelia section Trachyphytum, including each other, and a principal component analysis shows that these niches are extreme with respect to the rest of the section. Molecular analyses revealed high levels of haplotype diversity within M. mollis with respect to other related species and suggest that M. mollis became a narrow endemic before giving rise to a new species (M. packardiae) and participating in introgression with other distantly related species in Mentzelia section Trachyphytum. Furthermore, M. mollis harbors chloroplast lineages obtained through introgression that are likely extinct in the original host plant lineages that created them. Together these findings support and expand upon earlier hypotheses of origins and introgression and further suggest that M. mollis remains an active and significant participant in the ongoing evolution of Mentzelia section Trachyphytum, despite its rarity and ecological specialization. Resumen. Mentzelia mollis y M. packardiae son plantas de distribución reducida que se encuentran principalmente en el desierto de Owyhee, en el sureste de Oregón y el suroeste de Idaho. Estudios moleculares previos han sugerido un origen alopoliploide relativamente antiguo de M. mollis (4×) seguido de la formación alopoliploide de M. packardiae (8×) a partir de la combinación de M. mollis y un segundo progenitor extinto superpuesto con la introgresión genética en curso de otras especies en Mentzelia sección Trachyphytum. En este estudio reportamos la secuenciación del espaciador intergénico del cloroplasto ndhF-rpl32 de 15 poblaciones de M. mollis y cuatro poblaciones de M. packardiae, así como los análisis de diagnóstico de sus hábitats edáficos, con el fin de comprender mejor los patrones genéticos de variación y las adaptaciones edáficas creadas por estos procesos. Los análisis químicos y físicos sugieren que los altos niveles de sodio y potasio, la salinidad general, la textura y la estructura inusual de los suelos, así como los conglomerados del sustrato, podrían explicar las estrechas distribuciones de ambas especies y la baja productividad de sus respectivos hábitats. Un MANOVA no paramétrico muestra que los nichos edáficos de M. mollis y M. packardiae son significativamente diferentes de los de todas las demás especies de Mentzelia sección Trachyphytum, incluidas entre sí, y un análisis de componentes principales muestra que estos nichos son extremos con respecto al resto de la sección. Los análisis moleculares revelaron altos niveles de diversidad de haplotipos dentro de M. mollis con respecto a otras especies relacionadas y sugieren que M. mollis se convirtió en un endemismo estrecho antes de dar lugar a una nueva especie (M. packardiae) y de participar en la introgresión con otras especies lejanamente relacionadas en Mentzelia sección Trachyphytum. Además, M. mollis alberga linajes de cloroplastos obtenidos a través de la introgresión que probablemente están extintos en los linajes de plantas hospedadoras originales que los crearon. En conjunto, estos hallazgos apoyan y amplían las hipótesis anteriores sobre el origen e introgresión, y sugieren que M. mollis sigue siendo un participante activo y significativo en la evolución actual de Mentzelia sección Trachyphytum a pesar de su rareza y especialización ecológica.