Evolutionary history constrains heat tolerance of native and exotic tropical Zingiberales

Abstract

Tropical wet forest plants experience relatively stable temperatures throughout the year. However, tropical forests represent a mosaic of habitats characterized by different temperatures. Heat tolerances are expected to be adapted to temperatures specific to their habitats. Although heat tolerance of species sharing similar environments is expected to be similar, it is also possible that heat tolerance is constrained by evolutionary history because closely related species usually display similar physiologies. When exotic species are introduced to novel communities, colonization may be facilitated by their previous adaptation to high temperatures and other physiological, genetic and demographic traits, which may grant them some competitive advantage. Increasing temperatures may represent a strong environmental filter affecting community assembly, and higher heat tolerances could facilitate the persistence of exotic species in novel environments. 2. Using a community of 32 native and 7 exotic Zingiberales species from different tropical habitats in Costa Rica, Central America, we aim to answer the following questions: (a) does evolutionary history constrain heat tolerance? (b) do plants in the same habitat display similar heat tolerances? (c) do the heat tolerances of exotic species differ from those of native species? 3. We measured temperature-dependent changes in photosynthetic fluorescence to determine the temperature at which the first sign of damage to photosystem II is observed (T15), and the temperature at which the fluorescence of photosystem II is reduced by 50% (T50). Using a community phylogeny, we tested for phylogenetic signal in T15 and T50. In addition, we tested for differences in heat tolerance among Zingiberales from old growth, secondary forests and open areas, as well as between native and exotic species. 4. Our results support (a) a significant phylogenetic signal (Pagel's λ) for both T15 and T50, (b) communities from open areas displayed similar photosynthetic heat tolerance compared to species from old growth and secondary forests, and (c) exotic Zingiberales are marginally tolerant to high temperatures than native species, but only for T15. Our results suggest that evolutionary history constraints heat responses of native and exotic Zingiberales in a warming world.Las plantas de los bosques tropicales húmedos experimentan temperaturas relativamente estables a lo largo del año. Sin embargo, los bosques tropicales representan un mosaico de hábitats caracterizados por diferentes temperaturas. Se espera que la tolerancia al calor se adapte a las temperaturas específicas de sus hábitats. Si bien se espera que la tolerancia al calor de las especies que comparten entornos similares sea similar, también es posible que esta se vea limitada por la historia evolutiva, ya que las especies estrechamente relacionadas suelen mostrar fisiologías similares. Cuando se introducen especies exóticas en comunidades nuevas, la colonización puede verse facilitada por su adaptación previa a las altas temperaturas y otros rasgos fisiológicos, genéticos y demográficos, lo que puede otorgarles cierta ventaja competitiva. El aumento de las temperaturas puede representar un fuerte filtro ambiental que afecta la formación de comunidades, y una mayor tolerancia al calor podría facilitar la persistencia de especies exóticas en entornos nuevos. 2. Utilizando una comunidad de 32 especies nativas y 7 exóticas de Zingiberales de diferentes hábitats tropicales en Costa Rica, Centroamérica, buscamos responder a las siguientes preguntas: (a) ¿La historia evolutiva limita la tolerancia al calor? (b) ¿Las plantas del mismo hábitat muestran tolerancias al calor similares? (c) ¿difieren las tolerancias al calor de las especies exóticas de las nativas? 3. Medimos los cambios dependientes de la temperatura en la fluorescencia fotosintética para determinar la temperatura a la cual se observa el primer signo de daño al fotosistema II (T15), y la temperatura a la cual la fluorescencia del fotosistema II se reduce en un 50% (T50). Usando una filogenia de la comunidad, probamos la señal filogenética en T15 y T50. Además, probamos las diferencias en la tolerancia al calor entre Zingiberales de crecimiento antiguo, bosques secundarios y áreas abiertas, así como entre especies nativas y exóticas. 4. Nuestros resultados apoyan (a) una señal filogenética significativa (λ de Pagel) tanto para T15 como para T50, (b) las comunidades de áreas abiertas mostraron una tolerancia al calor fotosintético similar en comparación con las especies de crecimiento antiguo y bosques secundarios, y (c) las Zingiberales exóticas son marginalmente tolerantes a altas temperaturas que las especies nativas, pero solo para T15. Nuestros resultados sugieren que la historia evolutiva limita las respuestas al calor de los Zingiberales nativos y exóticos en un mundo en calentamiento.