Fossil calibration of Magnoliidae, an ancient lineage of angiosperms

Julien Massoni, James Doyle, and Hervé Sauquet

Plain Language Abstract

In order to add a time dimension to evolutionary trees (phylogenies) of organisms based on molecular (DNA) data, current methods require reference points anchored in geological time. These reference points, referred to as calibrations, usually take the form of minimum and maximum ages for one or more groups in the phylogeny, based on their fossil record. For instance, if a fossil species is shown to have evolved within a particular living branch of the evolutionary tree, we can say that the most recent common ancestor of this branch is older than the fossil. Because of their great influence on the results, the age and phylogenetic position of the selected extinct taxa must be carefully estimated with geological and phylogenetic methods. The present study provides a list of 10 fossils suitable for defining minimum ages for several major groups of Magnoliidae, a large and ancient group of flowering plants that includes magnolias, laurels, black pepper, and their relatives. First, we thoroughly reviewed the geological literature in order to accurately define their ages, nine of which are from the middle part of the Cretaceous Period, ranging from ca. 126 to 86 million years ago. Second, we took into account all previously published phylogenetic analyses of these 10 fossils to securely identify the branch points in the tree that they constrain. This new list will be essential for conducting molecular dating analyses at all scales in the flowering plant tree of life as well as for dating the evolutionary history of Magnoliidae.

Glossary
Crown node: the most recent common ancestor of a living group of species.
Stem node: the common ancestor of a group of living species and its closest living relatives (sister group).

Resumen en Español

Calibración fósil de Magnoliidae, un antiguo linaje de angiospermas

Con el fin de investigar la diversificación de las angiospermas, es necesario un marco temporal preciso. Los métodos de datación molecular completamente calibrados con el registro fósil pueden proporcionar estimaciones de esta escala de tiempo evolutivo. Debido a su posición en el árbol filogenético de las angiospermas, los representantes de Magnoliidae (10.000 especies) son de importancia primordial para la investigación de la historia evolutiva de las plantas con flores. El rico registro fósil del grupo, iniciado en el Cretácico, tiene una distribución global. Entre el centenar de especies extintas de Magnoliidae descrito, varias de ellas han sido incluidas en los análisis filogenéticos junto a especies existentes, proporcionando puntos de calibración fidedignos para los estudios de datación molecular. Hasta ahora, son pocos los fósiles que se han utilizado como puntos de calibración de Magnoliidae, siendo además que la posición filogenética y la edad absoluta de los mismos no se han justificado detalladamente. En este artículo examinamos la posición filogenética y las edades de 10 fósiles de Magnoliidae, los cuales han sido seleccionados ya que se habían incluido previamente en análisis filogenéticos de taxones fósiles y actuales. Este estudio nos permite proponer un esquema de calibración actualizado para la datación de la historia evolutiva de Magnoliidae.

Palabras clave : Calibración fósil; Canellales; Laurales; Magnoliales; Magnoliidae; Piperales

Traducción: Enrique Peñalver

Résumé en Français

Etalonnage fossile de la famille Magnoliidae, une ancienne lignée d'angiospermes

Afin d'étudier la diversification des angiospermes, un cadre temporel précis est nécessaire. Des méthodes de datations moléculaires soigneusement calibrées avec des fossiles peuvent fournir des estimations de cette échelle de temps évolutive. En raison de leur position dans l'arbre phylogénétique des angiospermes, les Magnoliidae (10 000 espèces) sont de première importance pour l'enquête de l'histoire évolutive des plantes à fleurs. Le riche registre fossile de ce groupe, commençant au Crétacé, a une distribution mondiale. Parmi les centaines d'espèces éteintes de Magnoliidae décrites, plusieurs ont été inclus dans des analyses phylogénétiques aux côtés d'espèces existantes, fournissant des points d'étalonnage fiables pour les études de datations moléculaires. Jusqu'à présent, peu de fossiles ont été utilisés comme points d'étalonnage chez les Magnoliidae, et les justifications détaillées de leur position phylogénétique et de leur âge absolu ont été insuffisantes. Ici, nous passons en revue la position et l'âge de 10 fossiles de Magnoliidae, choisis en raison de leur inclusion précédente dans des analyses phylogénétiques de taxons actuels et fossiles. Cette étude nous permet de proposer une mise à jour du système d'étalonnage pour la datation de l'histoire évolutive des Magnoliidae.

Mots-clés: étalonnage de fossiles; Canellales; Laurales; Magnoliales; Magnoliidae; Piperales

Translator: Kenny J. Travouillon

Deutsche Zusammenfassung

Fossil-Kalibrierung der Magnoliidae, eine altertümliche Linie der Angiospermen

Für die Erforschung der Angiospermen-Diversifikation ist ein genauer zeitlicher Rahmen nötig. Molekulare Datierungsmethoden, die sorgfältig mit dem Fossilbericht kalibriert wurden, können Schätzungen für diese evolutionäre Zeitskala liefern. Wegen ihrer Position im phylogenetischen Baum der Angiospermen sind die Magnoliidae (10 000 Arten) für die Erforschung der Entwicklungsgeschichte der Blütenpflanzen von elementarer Bedeutung. Der reichhaltige Fossilbericht dieser Gruppe, der in der Kreidezeit begann, ist global verbreitet. Unter den ausgestorbenen Arten der beschriebenen Magnoliidae wurden einige in phylogenetische Analysen an der Seite von heutigen Arten miteinbezogen und haben zuverlässige Kalibrierungspunkte für molekulare Datierungsstudien geliefert. Bis jetzt wurden nur wenige Fossilien als Kalibrierungspunkte für die Magnoliidae genutzt und detaillierte Angaben zu ihrer phylogenetischen Position und des absoluten Alters fehlten. Hier prüfen wir die Position und das Alter von 10 Magnoliidae-Fossilien, die aufgrund ihrer bisherigen Einbeziehung in phylogenetische Analysen über heutige und fossile Taxa ausgewählt wurden. Diese Studie erlaubt uns die Präsentation eines aktuellen Kalibrierungsschemas zur Datierung der Entwicklungsgeschichte der Magnoliidae.

Schlüsselwörter: Fossil-Kalibrierung; Canellales; Laurales; Magnoliales; Magnoliidae; Piperales

Translator: Eva Gebauer

Arabic

Translator: Ashraf M.T. Elewa