A subtribo Espeletiinae (Asteraceae) representa um exemplo clássico de adaptação em ecossistemas tropicais de altitudes elevadas. No entanto, estudos que combinem diferentes campos de pesquisa ainda são necessários para entender este caso proeminente de radiações adaptativas rápidas nos trópicos. Esta tese fornece uma abordagem multidisciplinar combinando informação metabolômica, biogeográfica, taxonômica, evolutiva, química, molecular e ecológica, para um estudo aprofundado da subtribo Espeletiinae e do seu gênero irmão Smallanthus. Através de análises metabolômicas baseadas em cromatografia líquida de ultra-alta eficiência acoplada a espectrometria de massas, nós fornecemos, pela primeira vez, evidências metabolômicas de segregação alopátrica em Espeletiinae e evidência metabolômica apoiando a possível segregação do gênero Espeletia em dois gêneros diferentes com distintas impressões digitais metabólicas. Em combinação com a filogenia molecular da subtribo e amplificações por PCR, demonstramos que a evolução dos caracteres químicos em Espeletiine seguiu cenários complexos de mudança química com alguns caracteres representando sinapomorfias químicas e outros representando múltiplos ganhos e perdas, implicando em evolução convergente. Por fim, analisando os padrões de expressão dos principais genes envolvidos na biossíntese de ácidos clorogênicos, flavonoides e lactonas sesquiterpênicas, em combinação com análises metabolômicas e informações ambientais, relatamos a regulação ambiental e de desenvolvimento do metabolismo secundário de Smallanthus sonchifolius, fornecendo informações relevantes para o entendimento dos fatores regulatórios e possíveis papéis adaptativos dos metabólitos secundários em táxons andinos. Em conclusão, esta tese fornece uma compreensão holística de uma linhagem que representa um exemplo clássico de radiações adaptativas rápidas nos Andes tropicais, abrindo uma nova perspectiva intrigante de pesquisa em outros grupos / The subtribe Espeletiinae (Asteraceae) represents a classic example of adaptation in tropical high-elevation ecosystems. However, studies bringing different research fields are still necessary to understand this prominent case of rapid adaptive radiations in the tropics. This dissertation provides a multidisciplinary approach combining metabolomic, biogeographic, taxonomical, evolutionary, chemical, molecular and ecological information, for an in-depth study of the subtribe Espeletiinae and its sister genus Smallanthus. Through metabolomic analyses based on ultrahigh-performance liquid chromatography-mass spectrometry, we provide, for the first time, metabolomic evidence of allopatric segregation in Espeletiinae and metabolomic evidence supporting a putative segregation of the genus Espeletia in two different genera with distinctive metabolic fingerprints. In combination with the molecular phylogeny of the subtribe and PCR amplifications, we also demonstrate that the evolution of chemical traits in Espeletiinae followed complex scenarios of chemical change with some traits representing chemical synapomorphies and other traits being gained and lost multiple times implying convergent evolution. Lastly, by analyzing the expression patterns of key genes involved in the biosynthesis of chlorogenic acids, flavonoids and sesquiterpene lactones, in combination with metabolomic analyses and environmental information, we report the developmental and environmental regulation of the secondary metabolism of Smallanthus sonchifolius, providing relevant information towards the understanding of the regulatory factors and possible adaptive roles of secondary metabolites in Andean taxa. In conclusion, this dissertation provides a holistic understanding of a lineage representing a classic example of rapid adaptive radiations in the tropical Andes, opening an intriguing new perspective of research in other groups

O gênero Espeletia Mutis ex Bonpl (Asteraceae, Millerieae, Espeletiinae) constitui um exemplo clássico de um táxon sujeito a rápidos processos adaptativos evolutivos. Com ca. 71 espécies, este gênero se diversificou em elevadas altitudes num ecossistema emergente formado após o retraimento dos glaciares no final do Plioceno e início do Pleistoceno, os páramos, um tipo de ecossistema que biogeograficamente funciona como um complexo de \"ilhas\" presentes principalmente no noroeste dos Andes tropicais da Venezuela, Colômbia e Equador. Devido à sua complexa história evolutiva e morfologia característica, este gênero tem sido foco de muitas pesquisas envolvendo sua biologia, ecologia, taxonomia e filogenia. No entanto, do ponto de vista fitoquímico, tem sido pouco estudado e é desconhecida a influência da geografia na química do metabolismo secundário destas espécies. Neste estudo, a impressão digital metabólica de 120 amostras do gênero Espeletia foi obtida por UHPLC-UV-MS e submetida a análises quimiométricas. A correlação com dados geográficos revelou uma forte influência da biogeografia no metabolismo secundário das espécies deste gênero, apresentando uma impressão digital característica de acordo com seu país de origem numa escala global e de acordo com complexo de páramos de origem numa escala regional, o qual concorda com a filogenia atual da subtribo baseada nos marcadores ITS, ETS, rp116 e AFLPs. A análise por OPLS-DA e a desreplicação de extratos permitiu identificar as principais substâncias correlacionadas com a origem geográfica das espécies, mesmo como permitir a construção de modelos de predição da origem geográfica de novos extratos baseados nos seus perfis químicos. Além disso, uma análise filogenética efetuada com dados metabolômicos revelou, embora com pouco suporte, uma correlação geográfica em que as espécies da Venezuela correspondem ao clado ancestral do gênero. Adicionalmente, a química do metabolismo secundário da subtribo Espeletiinae foi revisada e um bando de dados, o ChemEsp (Chemistry of Espeletiinae), foi construído incluindo todos os metabólitos descritos na literatura, mesmo como outras informações químicas, botânicas e geográficas. Finalmente, a desreplicação de extratos permitiu a identificação de várias substâncias não descritas previamente no gênero Espeletia e/ou na subtribo Espeletiinae, incluindo uma grande variedade de flavonoides e ácidos cafeoilquínicos, junto com outros metabólitos já descritos no gênero por métodos fitoquímicos clássicos. Os resultados obtidos, além de contribuírem para a geração de conhecimento sobre a química do metabolismo secundário do gênero Espeletia, revelaram informações sobre as relações filogenéticas e biogeográficas do gênero baseadas em marcadores químicos, empregando-se modernas metodologias analíticas e computacionais. / The genus Espeletia Mutis ex Bonpl (Asteraceae, Millerieae, Espeletiinae) constitutes a classic example of a taxon undergoing rapid adaptive evolutionary processes. With ca. 71 species, this genus diversified at high altitudes in an emerging ecosystem formed after the retreat of the glaciers in the late Pliocene and early Pleistocene, the páramos, a type of ecosystem that biogeographically acts as an \"island\" complex in the northwestern tropical Andes of Venezuela, Colombia and Ecuador. Due to its complex evolutionary history and characteristic morphology, this genus has been focus of several investigations regarding its biology, ecology, taxonomy and phylogeny. However, phytochemically, they have been poorly studied and it is unknown the influence of geography in their secondary metabolism. In this study, the metabolomic fingerprint of 120 samples of the genus Espeletia was analyzed by UHPLC-UV-MS and chemometrics. Correlations with geographical data revealed a strong influence of biogeography on their secondary metabolism, displaying a characteristic fingerprint according to their country of origin in a global scale and by páramo complex in a regional scale, which is in agreement with the current phylogeny of the subtribe based on ITS, ETS, rp116 and AFLPs markers. An OPLS-DA analysis and extract dereplication allowed the identification of the main compounds correlated with their geographical origin, which also served for building models to predict the geographical origin of unknown samples based on their chemical profile. Also, a phylogenetic analysis was performed with metabolomic data which interestingly, although with low support, also displayed a geographical structure with the Venezuelan cluster as the ancestral clade of the genus. Furthermore, the secondary metabolite chemistry of the subtribe Espeletiinae was reviewed and a data base, ChemEsp (Chemistry of Espeletiinae), was built including all secondary metabolite reports available in the literature as well as other chemical, botanical and geographical information. Finally, the extract dereplication allowed the identification of several compounds previously unreported in the genus Espeletia and/or the subtribe Espeletiinae, including a wide range of flavonoids and caffeoylquinic acids, along with other metabolites already reported in the genus by classic phytochemical methods. These results, besides of contributing to further knowledge about the secondary metabolite chemistry of the genus Espeletia, provided valuable information about the phylogenetic and biogeographic relationships in the genus based on chemical markers by means of modern analytical and computation techniques.

O gênero Espeletia Mutis ex Bonpl (Asteraceae, Millerieae, Espeletiinae) constitui um exemplo clássico de um táxon sujeito a rápidos processos adaptativos evolutivos. Com ca. 71 espécies, este gênero se diversificou em elevadas altitudes num ecossistema emergente formado após o retraimento dos glaciares no final do Plioceno e início do Pleistoceno, os páramos, um tipo de ecossistema que biogeograficamente funciona como um complexo de \"ilhas\" presentes principalmente no noroeste dos Andes tropicais da Venezuela, Colômbia e Equador. Devido à sua complexa história evolutiva e morfologia característica, este gênero tem sido foco de muitas pesquisas envolvendo sua biologia, ecologia, taxonomia e filogenia. No entanto, do ponto de vista fitoquímico, tem sido pouco estudado e é desconhecida a influência da geografia na química do metabolismo secundário destas espécies. Neste estudo, a impressão digital metabólica de 120 amostras do gênero Espeletia foi obtida por UHPLC-UV-MS e submetida a análises quimiométricas. A correlação com dados geográficos revelou uma forte influência da biogeografia no metabolismo secundário das espécies deste gênero, apresentando uma impressão digital característica de acordo com seu país de origem numa escala global e de acordo com complexo de páramos de origem numa escala regional, o qual concorda com a filogenia atual da subtribo baseada nos marcadores ITS, ETS, rp116 e AFLPs. A análise por OPLS-DA e a desreplicação de extratos permitiu identificar as principais substâncias correlacionadas com a origem geográfica das espécies, mesmo como permitir a construção de modelos de predição da origem geográfica de novos extratos baseados nos seus perfis químicos. Além disso, uma análise filogenética efetuada com dados metabolômicos revelou, embora com pouco suporte, uma correlação geográfica em que as espécies da Venezuela correspondem ao clado ancestral do gênero. Adicionalmente, a química do metabolismo secundário da subtribo Espeletiinae foi revisada e um bando de dados, o ChemEsp (Chemistry of Espeletiinae), foi construído incluindo todos os metabólitos descritos na literatura, mesmo como outras informações químicas, botânicas e geográficas. Finalmente, a desreplicação de extratos permitiu a identificação de várias substâncias não descritas previamente no gênero Espeletia e/ou na subtribo Espeletiinae, incluindo uma grande variedade de flavonoides e ácidos cafeoilquínicos, junto com outros metabólitos já descritos no gênero por métodos fitoquímicos clássicos. Os resultados obtidos, além de contribuírem para a geração de conhecimento sobre a química do metabolismo secundário do gênero Espeletia, revelaram informações sobre as relações filogenéticas e biogeográficas do gênero baseadas em marcadores químicos, empregando-se modernas metodologias analíticas e computacionais. / The genus Espeletia Mutis ex Bonpl (Asteraceae, Millerieae, Espeletiinae) constitutes a classic example of a taxon undergoing rapid adaptive evolutionary processes. With ca. 71 species, this genus diversified at high altitudes in an emerging ecosystem formed after the retreat of the glaciers in the late Pliocene and early Pleistocene, the páramos, a type of ecosystem that biogeographically acts as an \"island\" complex in the northwestern tropical Andes of Venezuela, Colombia and Ecuador. Due to its complex evolutionary history and characteristic morphology, this genus has been focus of several investigations regarding its biology, ecology, taxonomy and phylogeny. However, phytochemically, they have been poorly studied and it is unknown the influence of geography in their secondary metabolism. In this study, the metabolomic fingerprint of 120 samples of the genus Espeletia was analyzed by UHPLC-UV-MS and chemometrics. Correlations with geographical data revealed a strong influence of biogeography on their secondary metabolism, displaying a characteristic fingerprint according to their country of origin in a global scale and by páramo complex in a regional scale, which is in agreement with the current phylogeny of the subtribe based on ITS, ETS, rp116 and AFLPs markers. An OPLS-DA analysis and extract dereplication allowed the identification of the main compounds correlated with their geographical origin, which also served for building models to predict the geographical origin of unknown samples based on their chemical profile. Also, a phylogenetic analysis was performed with metabolomic data which interestingly, although with low support, also displayed a geographical structure with the Venezuelan cluster as the ancestral clade of the genus. Furthermore, the secondary metabolite chemistry of the subtribe Espeletiinae was reviewed and a data base, ChemEsp (Chemistry of Espeletiinae), was built including all secondary metabolite reports available in the literature as well as other chemical, botanical and geographical information. Finally, the extract dereplication allowed the identification of several compounds previously unreported in the genus Espeletia and/or the subtribe Espeletiinae, including a wide range of flavonoids and caffeoylquinic acids, along with other metabolites already reported in the genus by classic phytochemical methods. These results, besides of contributing to further knowledge about the secondary metabolite chemistry of the genus Espeletia, provided valuable information about the phylogenetic and biogeographic relationships in the genus based on chemical markers by means of modern analytical and computation techniques.

Les hautes montagnes des Andes du Nord abritent un écosystème de type tropical alpin connu localement sous le nom de páramo. En dépit de conditions climatiques stressantes, ces habitats totalisent 10 à 20% de la richesse de la flore Andine et contiennent les radiations de plantes alpines les plus rapides au monde. Les Espeletiinae (Asteraceae; Heliantheae), endémique de ces habitats et figurant parmi ces exemples majeurs de diversification andine, ont su profiter des avantages écologiques fournit par la formation des páramos, en développant une remarquable diversité morphologique et écologique en moins de 3 Ma pour faire face aux nombreux stress abiotiques présents dans ces écosystèmes. Ce complexe de +/- 135 espèces inclut des formes de vie arborescentes ramifiées, des rosettes acaules naines, et des rosettes caulescentes aussi bien sessiles que géantes, constituant une adaptation emblématiques des milieux tropicaux alpins. Ces plantes sont également caractérisées par une distribution d'espèces diversifiée au niveau du páramo dans des milieux humides, des prairies alpines ouvertes ou des pentes rocailleuses à partir de la limite supérieur des forets andines vers 2500m d'altitude jusqu'aux bords des glaciers à environ 4600m. Cette forte diversité morphologique et écologique observée, associée à de forts taux de sympatrie entre ces espèces, a conduit à l’hypothèse d’une radiation adaptative des Espeletiinae dans les páramos. Or les reconstructions phylogénétiques préalablement effectuées, permettant de tester cette origine évolutive, s’avèrent peu résolues en raison de l’évolution très récente du complexe couplées à l’utilisation de marqueurs phylogénétiques traditionnels ou encore en raison de nombreux événements d’hybridation observés pouvant biaiser les reconstructions phylogénétiques. Aujourd’hui, l’avènement des nouvelles technologies de séquençage offre de nouvelles perspectives en phylogénomique. Si bien qu’au travers de ce travail de thèse, l’utilisation de fragments génomiques aléatoires (par méthode de shotgun-sequencing) et ciblés (par méthode de ddRAD-sequencing) a permis de reconstruire pour la première fois des phylogénies robustes et d’étudier les événements d’hybridations à l’intérieur du complexe, apportant ainsi de nouvelles réponses quant à l’évolution de ces taxons dans les páramos. / The high-elevations ecosystems in the Northern Andes, known as paramos, exhibit an exceptional diversity of species accounting for 10 to 20% of Andean flora's richness and contain the fastest alpine plant radiation in the world. The Espeletiinae (Asteraceae, Heliantheae), endemic to these habitats and among these major examples of Andean diversification, took advantage of the ecological benefits provided by the uplift of the páramos, by developing a remarkable morphological and ecological diversity in less than 3 Ma to cope with the abiotic stresses of these ecosystems. This complex of +/- 135 species includes branched tree life forms, dwarf rosettes, and caulescent as well sessile as giant rosettes, constituting an emblematic adaptation of tropical alpine environments. These plants are also diversified in páramo, in wetlands, open alpine meadows or rocky slopes from the upper limit of the Andean forests at 2500m altitude to the edges of the glaciers at 4600m. Such morphological and ecological diversity, in association with high sympatric rates between these species, led to the hypothesis of an adaptive radiation of Espeletiinae. However, the first phylogenetic reconstructions, testing this evolutionary origin, failed to depict any relationships between these species because of the very recent evolution of the complex, the use of traditional phylogenetic markers and/or the widely hybridization events, which could skew the phylogenetic signal. Today, the advent of new sequencing technologies offers new perspectives in phylogenomics. As a result of this thesis work, the use of random (shotgun-sequencing) and targeted genomic fragments (by ddRAD-sequencing method) made it possible to reconstruct for the first time robust phylogenies and to study the hybridization events inside this complex, bringing new answers to the evolution of these plants in the páramos.