CARACTERIZACIÓN DE LA CAPACIDAD DISPERSIVA DE HIERBAS ANUALES DEL OLIVAR. UNA APROXIMACIÓN MEDIANTE MODELOS MECANICISTAS Y TÚNEL DE - TAUJA
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Centro de Estudios de Postgrado UNIVERSIDAD DE JAÉN Centro de Estudios de Postgrado Trabajo Fin de Máster CARACTERIZACIÓN DE LA CAPACIDAD DISPERSIVA DE HIERBAS ANUALES DEL OLIVAR. UNA APROXIMACIÓN MEDIANTE MODELOS MECANICISTAS Y TÚNEL DE VIENTO. Autor: Víctor Valenzuela Polo Jaén, octubre del 2021 UNIVERSIDAD DE JAÉN
Universidad de Jaén Centro de Estudios de Postgrado MÁSTER EN ANÁLISIS, CONSERVACIÓN Y RESTAURACIÓN DE COMPONENTES FÍSICOS Y BIÓTICOS DE LOS HÁBITAT CARACTERIZACIÓN DE LA CAPACIDAD DISPERSIVA DE HIERBAS ANUALES DEL OLIVAR. UNA APROXIMACIÓN MEDIANTE MODELOS MECANICISTAS Y TÚNEL DE VIENTO. Tutores: Mª Rocío Bolaños Jiménez Antonio José Manzaneda Ávila BOLAÑOS Firmado Antonio Firmado digitalmente por digitalmente JIMENEZ BOLAÑOS JIMENEZ por Antonio MARIA MARIA ROCIO - 77329190Q Manzan Manzaneda Fecha: ROCIO - 77329190Q Fecha: 2021.10.07 12:41:06 +02'00' eda 2021.10.07 12:55:25 +02'00'
Resumen Existe una gran cantidad de literatura científica acerca de los procesos dispersivos anemócoros con el fin de entenderlos y relacionarlos con otros procesos ecológicos como la persistencia de las poblaciones y comunidades, procesos evolutivos, colonizaciones, etc. Sin embargo, los trabajos y estudios de parametrización y cuantificación de estos procesos de dispersión no son todavía muy abundantes. Este trabajo se centrará en la dispersión a través del vector del viento, es decir, la dispersión anemócora e intentará realizar una caracterización, medición de las variables de peso en el proceso y predicción de la capacidad dispersiva de algunas especies herbáceas anuales del agroecosistema del olivar. Esto se llevará a cabo mediante una aproximación a través de modelos mecanicistas como el modelo de WALD y ecuaciones balísticas de dispersión, además de realizar una aproximación real a través de un túnel de viento para validar los modelos anteriores. Palabras clave: capacidad de dispersión, amenocoria, semillas, modelo de WALD, túnel de viento.
Abstrac Many literature have addressed the dispersive processes to understand them and relate them to other ecological processes such as the relations between populations and communities, evolutionary processes, colonizations, etc. However, the parameterization and quantification of these processes is not very abundant. This work will focus on dispersion through the wind vector, in other words, anemomic dispersion and will attempt parameterization, measurement of the weight variables in the process and prediction of the dispersive capacity of some annual herbaceous species in the olive grove agro-ecosystem. This will be done by an approximation through mechanistic models such as the WALD model or ballistic dispersion equations, in addition to attempting to make a real approximation through a wind tunnel. Keywords: dispersal capacity, anemochory, seeds, WALD model, wind tunnel.
1.Introducción. 1.1. Antecedentes. 1.1.1. Capacidad de dispersión, conceptos e importancia. En la literatura científica encontramos una gran cantidad de estudios e investigaciones con el fin de entender y explicar los procesos dispersivos de especies vegetales, así como su importancia en relaciones ecológicas. Luego para poder llegar a ese fin, es necesario definir dicho concepto de dispersión o capacidad dispersiva para conseguir delimitar las componentes de peso que lo influencian. La capacidad de dispersión se comprende por tanto como la capacidad de movilizar un propágulo desde una fuente natal a través del espacio (Ronce, 2007). Otros autores como como Tackenberg (2003) prefieren referirse a este concepto con otra unidad de dispersión como la diáspora ya que no solo incluye la semilla con sus límites morfológicos, sino también incluiría otras partes presentes en el momento de la dispersión como frutos, vainas u otras partes vegetativas. La dispersión es un proceso clave tal y como señala Jongejans (1999) para la supervivencia, la distribución de poblaciones y comunidades vegetales, así como de sus consecuencias en el flujo de genes. Es por esto, por lo que la parametrización y cuantificación, como apuntan Harper (1977) y Nathan (2000), de la capacidad de dispersión y las tasas de flujo de genes son de gran relevancia para analizar la biología, las dinámicas o las estructuras poblacionales. El conocimiento de la biología, concretamente de la fisiología, de la evolución y diversidad existente apunta a que las plantas no son un elemento pasivo del proceso dispersivo sino más bien piezas activas capaces de desarrollarse y adaptarse tanto a escala temporal evolutiva, ecológica e incluso a periodos cortos de estrés para realizar lo más efectiva posible la dispersión (Jongejans et al., 1999; Cain et al., 2000). Son múltiples las adaptaciones logradas por las especies para dispersarse usando vectores tanto bióticos, a través de especies zoológicas como abióticos como agua o viento (Jongejans et al., 1999), este último será el vector de dispersión que se aborda en este trabajo. Pueden incluso dispersarse por múltiples agentes que intercambiándose pueden aumentar las distancias totales como describe Nathan (2000). Esta combinación de agentes, como señala el mismo autor, puede ocurrir en diferentes fases, señalando como fase 1 o dispersión primaria a aquel movimiento desde la planta madre y como fase 2 o dispersión secundaria al movimiento desde ubicaciones posteriores.
Como explica Nathan (2000) la complementación de estas dos fases reflejaría el área potencial tanto de reclutamiento como de colonización, definida como “la capacidad de establecer plántulas en sitios adecuados no ocupados previamente”, aportando información sobre procesos de competencia, de depredación e intercambio genético. Todas estas relaciones, aportados en la figura 1, son patrones determinados a partir del patrón de dispersión de diásporas; a pesar de que estas relaciones y procesos han sido descritos no se tienen suficientes datos cuantitativos (excepto las relaciones de denso- dependencia con la hipótesis de Janzen-Connell), por lo para ofrecer una visión exacta, actual y continuada es necesario cuantificar y parametrizarla (Harper ,1977; Okubo & Levin, 1989; Nathan et al., 2000). Fig. 1. Las principales causas y consecuencias (en escalas de tiempo ecológicas) de los patrones entre semillas en varias etapas (tomado de Nathan & Muller-Landau, 2000). Este patrón general de dispersión aporta información sobre el potencial de reclutamiento dependiente del patrón de disponibilidad de diásporas además del patrón de éxito de establecimiento (Nathan & Muller-Landau, 2000). Este patrón de éxito de establecimiento al igual que la capacidad de colonización tienen un concepto en común, el grado de dispersión efectiva (Cain et al., 2000), todo ello relacionado con el contexto espacial y ambiental, que será tratado más adelante.
1.1.2. Parámetros influyentes en la dispersión anemócora. Dentro de los diferentes vectores usados por las plantas ya mencionados anteriormente, en este trabajo será objeto de estudio el viento, a la dispersión por este se le denomina anemocoria. Como también se ha explicado anteriormente, las plantas forman parte de la dispersión de manera activa, por lo que las características de estas y de las semillas que producen son de importancia para la dispersión. Esta variabilidad de morfologías para realizar un correcto proceso, tiene origen en la filogenia; como las especies han optado por estrategias o modificaciones de sus características para ello (Thompson et al., 2011). En primer lugar, la altura de la planta y/o altura de abscisión de las diásporas. Aquellas especies con mayor altura son capaces de dispersarse a mayor distancia que especies de menor porte, siendo la variable de altura de la planta un componente con mayor poder de explicación en la variación de distancia dispersada que la de la masa de la diáspora en un análisis de componentes principales (Skarpaas et al., 2006; Thomson et al., 2011; Johnson et al., 2019) Por otro lado, la velocidad terminal es un parámetro resultante de la relación inversa entre el peso de la diáspora y las características morfológicas de la misma en cuanto a superficie expuesta al rozamiento o flujo de viento. Esta velocidad terminal se explica como la velocidad que alcanza la diáspora al caer sin la influencia de ningún viento (Verkaar et al., 1983; Augspurger y Franson 1987; Jongejans et al., 1999; Teller et al., 2014). La velocidad terminal, como analiza Skarpaas (2006) a través una ecuación balística, tiene una relación inversa con la altura de abscisión y la velocidad del viento en cuanto a distancias de dispersión se refiere. Lo cual coincide con la propuesta de Greene (1993) en la que, a menores velocidades terminales, mayor sería la dispersión final. A su vez, este parámetro se propone como rasgo general de la especie ya que su variación intraespecífica es menor que las variaciones de las componentes físicas del viento (Jongejans et al., 1999; Horn et al., 2001). En cuanto a los componentes individualmente, encontramos el peso el cual también tiene de forma directa una relación negativa con la distancia de dispersión podría ser resultado de la relación positiva de la masa de la semilla con la altura de abscisión (Thompson & Rabinowitz, 1989; Moles et al., 2004). La masa de la diáspora, por otra parte, puede tener consecuencias directas no solo en la dispersión, sino también en aspectos fisiológicos en la planta como en la fotosíntesis, ya que aquellos recursos destinados a aumentar esta masa no serán destinados a otros procesos (Augspurger, 1988).
La morfología por su parte, tiene un efecto contrario al peso, por ello se han desarrollado estructuras de vuelo para aumentar la superficie de exposición al viento para aumentar la distancia de dispersión, encontrando semillas esponjosas, emplumadas o aladas por ejemplo (Augspurger y Franson 1987; Jongejans & Telenius, 2001; Horn et al., 2001; Seale et al., 2019). Estas estructuras no solo ralentizan la caída por un mayor rozamiento, sino que también como ha descrito Soons & Heil (2004), algunas especies plumadas de bajas velocidades terminales son capaces de elevar su posición inicial con vientos verticales ascendentes corrientes o por vientos ascendentes de convección como ocurre también en la dispersión de algunos tipos de pólenes. A pesar de esto, no son estas estructuras imprescindibles para una dispersión de larga distancia ya que semillas generalistas o no especializadas en anemocoria también pueden dispersarse por el viento (Tackenberg et al., 2003; Seale et a., 2020). Por otro lado, además de las variables dependientes de la biología de la especie botánica, la anemocoria lleva inevitablemente unida a ella influencias tanto del propio vector de la dispersión como de otros factores abióticos. Relacionado al viento encontramos tres características importantes. La primera de ellas es la dirección de este, siendo los vientos horizontales y los verticales ascendentes los más influyentes. Los vientos verticales ascendentes tienen un papel importante en la abscisión; también presenta influencia unida a los vientos horizontales, que son la principal componente del viento en términos de transporte de la diáspora, para retardar o incluso elevar la semilla, aumentando así la distancia de dispersión (Jongejans 2001; Skarpaas et al., 2006; Greene & Quesada, 2011). La intensidad turbulenta del régimen de viento, por otro lado, es un parámetro relacionado con la abscisión de la diáspora, ya que como expone Skarpaas (2006) a velocidades bajas de viento, existe mayor número de semillas dispersadas en regímenes turbulentos que laminares. Esta intensidad turbulenta se comprende como la variación de velocidades en el régimen de viento (Katul et al., 2005; Teller et al., 2014). Existe una correlación la cual indica que los vientos más potentes y extremos conllevan una intensidad turbulenta mayor. Por lo cual, elevadas velocidades y turbulencias del viento, mayor será el número de semillas liberadas y mayor la distancia a la cual se ha dispersado.
Además de las componentes del viento otros factores abióticos influyen en la dispersión de diásporas, como por ejemplo la humedad relativa. El momento idóneo de la abscisión no solo depende de los tiempos de formación de adecuada de la semilla, sino que, también afectan condiciones ambientales como la humedad relativa (Greene & Johnson, 1989; Marchetto et al., 2010). Además, otros condicionantes como la temperatura local, capaz de generar corrientes de convección pueden influenciar el vuelo de semillas con velocidades terminales bajas (Horn et al., 2001; Soons & Heil, 2004). 1.1.3. Modelos mecanicistas. Los modelos mecanicistas son herramientas que relacionan variables independientes, en el caso de la anemocoria, las características del viento, de la planta y de la diáspora para predecir patrones de dispersión. Estas predicciones se realizan sobre un sistema de estudio con datos reales de este, por lo que las variaciones y predicciones que arroja serán muy cercanas a las existentes en el sistema (Nathan et al., 2001; Katul et al., 2005). En el caso que abordamos, estos modelos relacionan las variables con las distancias de dispersión, que se construyen teóricamente al integrar la altura de lanzamiento de la diáspora y la velocidad a la cual esta cae con la influencia de la velocidad horizontal del viento en un intento de aproximarse a la velocidad de este (Katul et al., 2005). Estas distancias se basan en ecuaciones balísticas que consiguen representar con acierto la moda de las curvas de dispersión, aunque fallan en la representación de las colas, vinculadas con eventos máximos o extremos de dispersión (Bullock & Clarke 2000). En concreto, el modelo de WALD, es el modelo mecanicista de dispersión anemócora sobre el que se basará este trabajo. Este nos aporta un rango de predicción y comparación para evaluar como la variación de los valores de las variables, como la altura de abscisión, la velocidad terminal, la velocidad horizontal del viento y la intensidad turbulenta, tienen diferentes resultados finales en términos de capacidad dispersiva (Teller et al., 2014).
1.2. Justificación e hipótesis. Como se ha descrito al inicio de este apartado, existe una gran cantidad de trabajos e investigaciones con el fin de comprender los procesos de dispersión con el objetivo de relacionar estos procesos con la ecología de poblaciones y comunidades, procesos de colonización, procesos evolutivos de las especies, etc. Por el contrario, existe una literatura limitada en cuanto a la parametrización, medición y predicción de la capacidad dispersiva. Este es un trabajo que intenta cuantificar ciertos parámetros fisiológicos además de la capacidad dispersiva de distintas especies anuales que forman parte de las cubiertas del agroecosistema del olivar. Las especies herbáceas del olivar juegan un papel ecológico muy importante en el control de la erosión entre otros servicios ecosistémicos. Así, en primer lugar, analizaré las predicciones de distancias de dispersión usando tanto modelos mecanicistas como el de WALD como ecuaciones balísticas, bajo la hipótesis nula de que estos modelos son válidos para predecir distancias de dispersión. En segundo lugar, se verificará la validez de los modelos mediante una aproximación a la realidad a través de un túnel de viento. 2. Materiales y métodos. 2.1. Descripción de las especies estudiadas. Especie Descripción Ecología Arabidopsis thaliana -Hierba anual. Campos cultivados, baldíos -Hojas en roseta basal. y bordes de caminos. -Tallo erecto. Generalmente en -Flores en racimo. ambientes secos. -Fruto silicua con semillas esfericas lisas. Urtica dioica -Hierba anual. Arvense, ruderal y viaria. -Hojas opuestas, pecioladas y Presente en suelos dentadas. nitrificados. -Inflorescencias terminales bracteadas. -Fruto aquenio. Thymus vulgaris -Sufrútice. Lugares arbolados en -Hojas opuestas elípticas y sustratos básicos. Clima pecioladas. mediterráneo -Inflorescencia capituliforme. - Fruto tetranúcula.
Conyza canadensis -Hierba anual. Ambientes ruderales y -Tallo erecto. viarios. -Hojas lanceoladas. -Inflorescencia capituliforme. -Fruto en aquenio con vilano. Brachypodium -Hierba anual. Zonas húmedas tanto de -Tallos con hojas alternas elevada altitud como zonas distachyon envainadoras. costeras. -Inflorescencia en espiga. -Fruto cariopsides. Brachypodium stacei -Hierba anual. Pastizales secos de clima -Tallos con hojas alternas mediterráneo. envainadoras. -Inflorescencia en espiga. -Fruto cariopsides. Brachypodium hybridum -Hierba anual. Pastizales secos de clima -Tallos con hojas alternas mediterráneo, adaptable a envainadoras. climas húmedos. -Inflorescencia en espiga. -Fruto cariopsides. Sinapis alba -Hierba anual. Ambientes ruderales y - Hojas grandes serradas y viarios. pinnapartidas. -Flores en racimo. -Frutos en silicua con semillas esféricas. Ononis natrix -Hierba anual. Matorrales y pastizales -Tallos muy ramificados. nitrófilos, ambientes -Hojas trifoliadas. baldíos, ruderales y viarios. - Unifloras agrupadas en el ápice de los tallos. - Fruto en legumbre Tabla 1. Tabla descriptiva de las especies del estudio. (Información obtenida en http://www.floraiberica.es/). 2.2. Localización y contexto. La provincia de Jaén, está situada al sur de España, suroeste de Europa, esta posición la expone tanto a vientos provenientes del Norte de África, Mediterráneo, Norte de Europa o polares y vientos del Oeste. La península Ibérica se ve perturbada principalmente por los vientos del oeste, caracterizados por ser húmedos y templados (Molina-Capel, 2015). También se ve influenciada por los vientos de Levante (este) en los meses estivales principalmente, estos son más cálidos y secos que el anterior. Los vientos polares rara vez perturban la geografía peninsular (Muñoz, 1998).
En cuanto a vientos más cercanos a la superficie (10m), que son los realmente influyentes en la dispersión de las especies que estudiamos, observamos (figura 2) que la provincia presenta generalmente tonos azulados y verdosos, correspondientes a velocidades de entre 2,5-3,5 m/s, solo tomando esos colores pardos-rojizos en las cumbres de cadenas montañosas. Figura 2. Velocidades medias (m/s) a 10m. Fuente: globalwindatlas.info Dentro de la provincia de Jaén las semillas fueron recolectadas en diferentes puntos de zonas agrícolas de olivar del término municipal de Pegalajar, mientras que otras especies fueron aportadas por el departamento de Biología Animal, Biología Vegetal y Ecología (Tabla 2). Estas especies al estar localizadas en un agroecosistema tiene consecuencias directas en la capacidad dispersiva y de colonización de las especies. Especie Latitud Longitud Población Arabidopsis thaliana - - Columbia (EEUU) Urtica dioica 37.4359649 -3.390271 Pegalajar Thymus vulgaris 37.7455772 -3.6085966 Pegalajar Conyza canadensis 37.7455772 -3.6085966 Pegalajar Brachypodium distachyon 38.3868998 -3.3802235 Hinojares Brachypodium stacei 37.098183 -2.1239548 Sorbas Brachypodium hybridum 37.757837 -3.797611 Jaén Sinapis alba 37.7455772 -3.6085966 Pegalajar Ononis natrix 37.7455772 -3.6085966 Pegalajar Tabla 2. Tabla de coordenadas de localización de las especies estudiadas.
La vegetación presente en un área cercana al individuo de estudio, puede suponer tanto la competencia con los mismos en cuanto a la altura que deberían alcanzar para conseguir una óptima dispersión (a mayor altura, mayor distancia de dispersión) como una reducción en el impulso del flujo vertical y horizontal produciendo la deposición de las diásporas (Figura 3) (Okin et al., 2006). Figura 5. Relación entre densidad de plantas e interferencias en el flujo (Okin et al., 2006) Las actividades agrícolas tradicionales junto a sus técnicas de laboreo eliminan las posibles interferencias en el flujo debido a la eliminación de la cubierta vegetal, simplificando el paisaje, mejorando así la actividad eólica y aumentando las distancias de dispersión (Okin et al. 2006). La misma intensificación conlleva al deterioro del banco de semillas y consecuentemente con la posibilidad de extinción de la biodiversidad que alberga (Soons & Heil, 2002). A razón de esta reducción de biodiversidad e intensificación de la eliminación de cubiertas produce la aparición de especies ruderales, viarias y de sucesión temprana como es el caso de la mayor parte de las especies que estudiaremos, cuyo principal agente de dispersión es el viento (Soons & Heil, 2004). Las pequeñas poblaciones que quedan en parches no cultivados o baldíos, aportan heterogeneidad al paisaje, convirtiéndose así en fuentes de colonización de las demás áreas cultivadas no ocupadas debido al laboreo (Kaparinen et al., 2009; Teller et al., 2014).
2.3. Fase de muestreo. Para desarrollar la fase de muestreo se acudió a olivares cercanos del término municipal de Pegalajar. Se detectaron aquellas fincas que presentaban parches de vegetación de hierbas anuales para posteriormente tomando un margen de 15-20 metros con respecto al camino para eliminar la influencia de especies puramente viarias y ruderales. Dichos olivares presentaban en su mayaría un laboreo tradicional sin apenas presencia de hierbas anuales propias del agroecosistema olivarero. La recolección de semillas se realizó en el mes de septiembre y se basó en un muestreo aleatorio de aquellas especies encontradas en los pequeños parches de vegetación. Dichas semillas fueron almacenadas en sobres de papel transpirables para evitar daños en la semilla además de anotar la especie correspondiente o en su defecto un identificador general para su posterior identificación. 2.4. Germinación. Para esta fase, se prepararon placas de petri con papel de filtro húmedo en su interior sobre el cual se colocarían las semillas. Posteriormente las preparaciones se expusieron durante una semana a condiciones de frio (en torno a 7ºC) y oscuridad en el ambiente húmedo generado como simulación de las condiciones climáticas invernal, necesarias para romper el periodo de latencia en algunas especies. Tras este tiempo, se cambiaron las condiciones de la cámara a 22ºC con exposición a la luz (300 µmolm-2s-1) con el fin de provocar la germinación de las semillas. En ambos periodos, la cámara permaneció en condiciones normales de humedad relativa (alrededor del 45%) y concentración de CO2 (400ppm).En cambio, Arabidopsis Thaliana, debido a las dificultades que presenta su morfología, fue plantada directamente en maceta y esta, ya con las semillas, era cubierta con un plástico transparente, proporcionando así las condiciones óptimas para la germinación. El tiempo de germinación de las semillas se anota a partir de la apreciación visual de la radícula, mientras que el trasplante a una maceta se realiza tras el desarrollo de los cotiledones.
Figura 4. Preparaciones de placas de Petri con germinaciones de diferentes especies. 2.3. Mantenimiento y control de las plantas. Las plantas germinadas fueron trasplantadas con ayuda de unas pinzas a macetas cuyo sustrato fue previamente autoclavado para eliminar posibles germinaciones de semillas o aparición de hongos presentes en el sustrato comercial. Para el mantenimiento y control de las plantas fue necesaria una cámara de cultivo, misma que para la fase germinativa, la cual permitiera controlar los parámetros ambientales actuales que se precisaban para un correcto crecimiento de estas. El mantenimiento de las plantas se basó en riegos periódicos cada 3-4 días. El riego consistía en la adicción de la mayor parte del agua en las bandejas colocadas bajo las macetas con la intención de obtener un crecimiento de las raíces hacia la base de la maceta y obtener un cepellón mejor desarrollado. Además, con ayuda de un espurreador se adicionaba agua en la parte aérea de la planta.
Figura 6. Especies ya cultivadas en Figura 5. Cámara de cultivo. macetas dentro de bandejas y con cucharas usadas como identificadores. En tres ocasiones, junto al agua de riego se añadió fertilizante Hoagland en las bandejas para una absorción directa a través de las raíces, la disolución del fertilizante en agua fue de 1/3 en probeta de un litro. La fertilización se realizó tras dos y tres meses después de la germinación, en cada una de estas fertilizaciones se llevaron a cabo dos aplicaciones con tres días de diferencia entre una y otra. Debido a que algunas especies necesitan una señal de frío continuo para inducir la floración (periodo de vernalización) y así completar su ciclo vital, se volvió a cambiar las condiciones ambientales de la cámara durante cuatro semanas. La temperatura durante este tiempo descendió a 7ºC para que cuando retornaran a las condiciones de 22ºC las plantas iniciaran el proceso de floración. Una vez desarrolladas las diferentes flores o inflorescencias y debido a la diversidad de estrategias que polinización de cada una de las especies, se procedió al movimiento de las macetas al jardín experimental para una polinización anemófila o zoófila.
2.4. Análisis fisiológicos. Después de los periodos de fertilización y de un correcto crecimiento, se analizaron varios parámetros fisiológicos de las especies cultivadas con el fin de obtener información de ellas e intentar relacionar los procesos dispersivos con la fisiología de la planta. Entre ellos se realizó la medición de las curvas de saturación lumínica de la capacidad fotosintética y se calculó el contenido relativo de agua (RWC) y del área foliar específica (SLA). 2.4.1. Curvas de saturación lumínica de la capacidad fotosintética. Para esta medición fue necesario un analizador fotosintético, en este caso el instrumento LI-6800 (figura 7). El programa “Autolog_Light_response” fue el utilizado para realizar dicha medición. El equipo fue programado con los mismos parámetros de humedad relativa, concentración de CO2 y temperatura que la cámara de cultivo. En cuanto a las diferentes intensidades lumínicas, se programaron los siguientes valores en orden descendente (2000, 1800, 1600, 1400, 1200, 1000, 800, 600, 400, 200, 50, 0 ~ estos valores expresados en µmol m-² s-¹). La medida en cada valor estaba espaciada en 2 minutos para la correcta adaptación de la planta a dicha intensidad. Para cada especie, se repitió la medición a tres individuos diferentes con el fin de obtener una media representativa de cada una de ellas. Figura 7. Medición de las curvas de saturación lumínica de Brachypodium stacei con el LI_6800.
Una vez terminadas las mediciones, los valores fueron manejados a través del software RStudio a través de las librerías readxl, tidyverse ,ggpubr y ggplot2. 2.4.3. Área foliar específica. Para la medición del área foliar específica y el porcentaje de agua de la hoja, se necesitó el medidor LI-3000C (figura 8) además de una balanza analítica y una estufa de secado. Para hallar dicho parámetro en primer lugar a la hoja seccionada del tallo se le mide él área foliar con el LI-3000C, después con un pesa sustancias y una balanza analítica se procede a medir la masa de la hoja, este valor representará el valor de peso fresco. A continuación de dichas meciones se procede a meter las hojas en la estufa de secado durante tres dias para una vez seca realizar otro pesado que supondrá el peso seco en las siguientes fórmulas. Ecuación 1. Ecuación de SLA Ecuación 2. Ecuación de RWC Figura 8. Medidor de área LI-3000C. 2. 6. Caracterización de las diásporas. Una vez terminados los procesos de floración, polinización y crecimiento de las semillas se procedió a caracterizar las semillas de las diferentes especies tanto en peso como en morfología. Para el peso se usó una balanza analítica introduciendo en individualmente a las semillas en un pesa sustancias tarado con anterioridad. Aquellas semillas con un peso igual o inferior al error intrumental de la balanza, como es el caso de Arabidopsis thaliana, se pesaron en conjunto, posteriormente se procede al conteo de semillas y la cantidad medida se divide por el número de semillas.
Por otro lado, las dimensiones de las semillas fueron calculadas con una cámara de alta precisión (figura 9) acoplada a un ordenador con el software DinoCapture 2.0. Se tomaron tres tipos de medidas, longitud, ancho y profundidad. Cada una de estas medidas fue repetida en 5 semillas por especie estudiada a excepción de Sinapis alba que fue estudiada tanto en dimensiones como en capacidad dispersiva en dos tipos, con y sin vaina debido a la apreciación de la dificultad de separar algunas semillas de la vaina manualmente, por lo que el viento dificilmente podría realizar esta sepración. Figura 10. Cámara de alta precisión Figura 11. Ejemplo de colocación de acoplada a un ordenador la semilla para realizar las medidas morfológicas. 2. 5. Modelo de WALD. La finalidad de este trabajo, es el análisis de la capacidad dispersiva a través del modelo mecanicista de WALD con las predicciones que aporta este, las distancias de dispersión. Los modelos mecaniscistas como se ha explicado con anterioridad nos aportan predicciones a partir de datos reales de las variables independientes del sistema. Es por ello por lo que se realizaron distintos experimentos para la medición de cada una de las variables del modelo de WALD. Figura 12. Ecuación del modelo de WALD. Siendo:
A continuación, se describen los parámetros que aparecen en el modelo. 2.5.1. Parámetro L. Este parámetro, representa la altura de abscisión de la semilla. Para hallar el rango de las diferentes alturas a las cuales esa especie libera las semillas, así como de la media y valores máximos y mínimos, se utilizó una regla para medir dichas alturas. Se emplearon tres individuos de cada especie, así como de todas las alturas de abscisión de cado uno de los individuos ya sea semillas individuales, espigas o vainas. 2.5.2. Parámetro F. Para la velocidad terminal, correspondiente a este parámetro de gran importancia para la dispersión como ya ha sido descrito, se utilizó un túnel vertical para la caída de las diásporas sin influencia de ningún viento (Figura 12), además de una regla, un foco led y una cámara de alta velocidad junto con el software Photron FASTCAM. La posición de la cámara era opuesta a la del foco, entre ambos, el túnel vertical con la regla con el fin de obtener una imagen nítida para en blanco y negro para diferenciar más fácilmente la diáspora al caer. Gracias al conocimiento en imagen de la velocidad de grabación de la cámara (fps), tiempo transcurrido de grabación y a las distancias aportadas por la regla, se obtiene la velocidad en m/s. Para cada una de las especies se tomaron 5 semillas diferentes con el fin de obtener valores máximos, mínimos y medios, con excepción de Sinapis alba que como se comentó con anterioridad, se dividió en dos tipos de semillas, con y sin vaina. Figura 12. Túnel vertical usado para medir la velocidad terminal (F).
2.5.3. Parámetro U. Además de las variables dependientes de la planta y las propias diásporas, el modelo incluye variables correspondientes al vector de dispersión. En este caso, U corresponde a la velocidad horizontal del viento. Los datos de este parámetro fueron medidos con un anemómetro en el túnel de viento a diferentes intensidades de la potencia del ventilador concretamente al 50, 60, 70, 75, 80, 90 y 100% de esta potencia. 2.5.4. Parámetro φ. La variable φ, representa la intensidad turbulenta, comprendida como la variación de velocidades en el régimen de viento y, por tanto, es dependiente del parámetro anterior. Para esta medición se usó un anemómetro de hilo caliente PCE con el software Meeter realizando una medición en continuo de las distintas velocidades para un potencial del ventilador concreto. Cada una de las potencias era medida tres veces, de los cuales se realiza una medición media, posteriormente se normalizan dichas medias y se calculan las desviaciones típicas de estos datos normalizados. Todo ello fue calculado con el software MATLAB a partir de los datos del anemómetro PCE. 2.5.5. Parámetro r. Relacionado con la distribución de las distancias de dispersión, es el parámetro que nos predice el modelo de WALD. Para validar este modelo y comprobar que dichas distancias son similares a la realidad, se realizó una doble aproximación, una en el túnel de viento y otra a partir de una ecuación balística (r=L*U*F-1) descrita por Katul (2005) y que incorpora el modelo de WALD como µ, determinado como un parámetro de posición (Teller et al., 2014). En la aproximación mediante la ecuación balística o µ, las distancias de dispersión son un resultado de la multiplicación de la altura de abscisión y la velocidad horizontal del viento, esto queda dividido por la velocidad terminal. Estas operaciones y curvas fueron realizadas con el software Microsoft Excel.
Para obtener los resultados de estas operaciones por tanto se usaron todas las alturas de abscisión recogida en todas las especies, que darán variabilidad a los resultados para una velocidad del viento determinada y una velocidad terminal resultante de las medias obtenidas siendo una variable fija. Se realizaron curvas kernels (gráficos de estimación de densidad) para las distintas velocidades medidas y otra, efecto de la suma de las demás kernels, representativa de cada una de las especies con excepción de Sinapis alba que obtenía dos, una con vaina y otra sin ella. Por otro lado, la aproximación a partir del túnel de viento se realizó introduciendo la planta junto a la maceta dentro del túnel de viento, fuera de este se preparó sobre el suelo una superficie blanca con marcaciones cada 5 centímetros (figura 13). Para cada especie se sometía a una planta a 1 minutos de exposición con el túnel 3,3 m/s, posteriormente se procedía al conteo de semillas en las distintas mediciones preparadas. Se retiraban dichas semillas medidas y se repetía la operación a 4,6 m/s y al 6,2 m/s. La media a las distintas velocidades de tres repeticiones a la misma velocidad con plantas diferentes supondría el valor medio para la especie a esa velocidad, suma de las tres repeticiones sería el resultado general para la especie. Al igual que la ecuación balística o µ, los datos fueron analizados y tratados con Microsoft Excel. Figura 13. Túnel de viento y Figura 14. Arabidopsis thaliana como superficie medida para el conteo de ejemplo de colocación de las plantas diásporas. en el túnel de viento.
Para Brachypodium distachyon, Brachypodium stacei, Brachypodium hybridum, Sinapis alba y Ononis natrix, la intensidad turbulenta aportada por el túnel no era suficiente para que las semillas o díasporas consiguieran liberarse de la planta por lo que las mediciones de las distancias de dispersión de estas se realizaron exponiéndolas, ya liberadas, directamente al flujo de viento. Finalmente, para obtener las predicciones de las distancias de dispersión a partir del modelo de WALD, se introdujeron los datos de las componentes bióticas y abióticas calculadas con anterioridad en el software Wolfram Mathematica. Definiendo en primer lugar el modelo, las variables y los distintos máximos, mínimos y medias para cada una de las especies para obtener finalmente de cada especie curvas de predicción de mínimas, máxima y medias en cuanto a distancias de dispersión, además de un gráfico comparativo interespecífico. Además, para ofrecer el rango completo de los valores obtenidos en cuanto a velocidad terminal (F) y altura de abscisión (L). 2.6. Análisis multivariante. A través del software RStudio se realizaron análisis multivariante utilizando distintos datos tomados con anterioridad. Fueron necesarias las librerías lme4 (Bate D. et al., 20015), Matrix (Bate D. & Maechler M., 2021), relaimpo (Grömping U., 2006), ggplot2 (Wickham H., 2016) y readxl (Wickham H., 2019).
3. Resultados y discusión. 3.1. Tasas de germinación. A lo largo de la etapa de germinación se realizaron varios intentos de germinación de las semillas recolectadas. Esto se debió a la baja germinabilidad de las especies recogidas en campo, no así de las especies proporcionadas por el departamento de biología animal, biología vegetal y ecología, tal y como aparece en la figura 15. Estas tasas de germinabilidad tan bajas en las especies recolectadas pueden deberse al tardío periodo de recolección, finales de septiembre, donde el ciclo de vida de estas especies ya había concluido y las semillas presentes en la planta eran aquellas no dispersadas y posiblemente en su mayoría no viables. Figura 18. Tasas de germinación (en %) por especie. 3.2. Relación entre factores y distancias de dispersión. Como se describió con anterioridad, existen múltiples relaciones de los diferentes componentes bióticos y abióticos en cuanto a la capacidad de dispersión de las diferentes especies. Entre estas relaciones encontramos en primer lugar los parámetros propios de la planta que tienen trascendencia en las distancias de dispersión, como son la altura de abscisión y la velocidad terminal de la semilla (Tabla 3).
Spearman’s ρ p-value Altura 0,02453988 0,9464 Velocidad terminal -0,6829295 0,02951 Tabla 3. Resultados del análisis correlacional de Spearman de las distancias de dispersión medias con la altura de abscisión y la velocidad terminal. Mediante este análisis estadístico encontramos que la variación debida a los parámetros bióticos, de los resultados obtenidos de las medias del parámetro r a través del modelo de WALD, es explicada principalmente por la velocidad terminal de la especie, teniendo entre estas dos variables una relación negativa muy significativa. Tal y como era predicho por la literatura, la ecuación balística o parámetro µ del modelo de WALD, a menores velocidades terminales mayores son las distancias de dispersión. Por otro lado, es comprensible la insignificancia de la altura de abscisión con respecto a las variaciones de las distancias a pesar de ser un parámetro importante en el modelo, esto es debido a la baja variación de alturas medias de las especies estudiadas. Obteniendo estos resultados, donde es muy significativa la velocidad terminal, realizamos otro análisis comprobando que rasgo de la semilla era el más importante en dicha velocidad (Tabla 4). Spearman’s ρ p-value Largo (mm) 0,1641345 0,6505 Ancho (mm) -0,321212 0,3677 Profundidad (mm) -0,369697 0,2956 Peso 0,7841982 0,007245 Tabla 4. Resultados del análisis correlacional de Spearman relacionando los rasgos de la diáspora con la velocidad terminal. Indagando en los resultados de este análisis, encontramos como rasgo más significativo el peso de la diáspora, teniendo una correlación de Spearman de 0,78 con la variabilidad de las velocidades terminales de las especies. Otro factor importante en la velocidad terminal caracterizado por la literatura científica es la superficie de la diáspora de exposición al flujo o, concretamente en este parámetro, la superficie de la diáspora expuesta al rozamiento de la caída libre. Esta superficie, debido a la aerodinámica de las semillas y observable en los videos necesarios para la obtención de la velocidad terminal, es el producto del ancho y la profundidad de la diáspora.
Ambos rasgos tienen una relación negativa (aunque no significativa en el estudio) con la velocidad terminal, a mayores anchuras y profundidades de las semillas, obtenemos una mayor superficie de exposición y, por ende, una menor velocidad terminal. Por otro lado, tal y como Augspurger (1988) incluye en su trabajo, la masa de la diáspora tiene consecuencias tanto en la dispersión como en funciones fisiológicas de la planta, ya que hemos comprobado la influencia en la dispersión a través de la velocidad terminal, importante parámetro de la dispersión anemócora, realizamos otro análisis para ver si existen relaciones observables con los siguientes parámetros fisiológicos (Tabla 5). Spearman’s ρ p-value RWC 0,6785714 0,1095 SLA -0,8468812 0,0162 Fotosíntesis 0,8928571 0,0123 Tabla 5. Resultados análisis de correlación entre el peso de la diáspora y parámetros fisiológicos. Como podemos observar en los resultados de este análisis, existen relaciones significativas como describía Augspurger (1988). Concretamente observamos una relación positiva con la capacidad fotosintética encontrando que las especies con una mayor media en la masa de las semillas también presentan unos valores límites de fotosíntesis mayores. Otra relación muy significativa la encontramos entre la masa de la semilla y el área foliar específica, donde las especies con menor SLA (o mayor masa foliar), se corresponden a elevadas masas. Por último, y con menor significancia de las anteriores, encontramos una relación positiva entre el contenido de agua relativo en hoja (RWC) y la masa de la semilla. Estas relaciones se podrían justificar mediante los requerimientos vitales de la especie. Ya que esta especie necesita invertir estos recursos en aumentar la masa de la diáspora, necesita tener una actividad fotosintética, una masa foliar y un contenido en agua mayor para no comprometer otras actividades vitales de la planta. Por tanto, se observan relaciones significativas de las distancias de dispersión con la velocidad terminal y esta a su vez con la masa de la diáspora, además de la relación significativa de la masa con la actividad fotosintética.
Se realizó un nuevo análisis para ver si existía una relación directa de las distancias de dispersión con la actividad fotosintética de las especies o por el contrario solo una relación indirecta a través de los factores mencionados (figura 22). Spearman’s ρ p-value Fotosíntesis 0 1 RWC 0,1091089 0,8159 SLA 0 1 Tabla 6. Análisis multivariante relacionando las distancias medias de dispersión y parámetros fisiológicos. Como podemos observar, los diferentes valores fisiológicos de las especies no tienen relación directa, aunque si indirectamente, con su capacidad de dispersión. Las relaciones muy cercanas a cero de Spearman’s ρ, nos aportan información de que la variación de estos parámetros no afecta a las distancias de dispersión de forma directa. Este mismo diagnóstico se corrobora atendiendo a los valores de significancia, quedando extremadamente lejanos a 0,05.
3.3. Modelo de WALD, curvas k(r). Para la elaboración de los rangos de las distancias de dispersión, de las diferentes especies, se introdujeron tres tipos de datos. En primer lugar, las curvas de mínimos corresponden a los mínimos cuantificados en la medición de cada parámetro dependiendo de su influencia en la dispersión, es decir, la mínima altura de abscisión encontrada, la mayor velocidad terminal, la menor velocidad horizontal del viento y la intensidad turbulenta menor. Por otro lado, los máximos representan todo lo contrario, máximas alturas de abscisión y velocidades terminales menor junto a los vientos más elevados experimentados y la intensidad turbulenta mayor. En cuanto a las curvas medias, suponen el promedio de todos los parámetros del modelo para la especie. Figura 16. Curvas k(r) de Sinapis alba con y sin vaina.
Figura 17. Curvas k(r) de Arabidopsis thaliana, Urtica dioica, Thymus vulgaris y Conyza canadensis.
Figura 18. Curvas k(r) de Brachypodium distachyon, Brachypodium stacei, Brachypodium hybridum y Ononis natrix.
Como se ha comentado anteriormente, las curvas mínimas representan los valores mínimos observados tanto en los individuos estudiados como de las características del flujo de viento y las curvas máximas representan los valores máximos del modelo que proporcionan una mayor distancia de dispersión. En primer lugar, encontramos que estas curvas de máximos y mínimos se encuentran dependiendo de la especie más alejadas o cercanas entre ellas. Esto se debe a la propia variabilidad de los valores encontrados en los rasgos de la planta, ya que los valores proporcionados al modelo correspondientes al viento son iguales para cada una de las especies. Encontramos, por tanto, que aquellas especies con mayor proximidad entre las curvas de mínimos y máximos presentan una variabilidad en la altura de abscisión y velocidad terminal menor. Aquellas otras especies, por el contrario, con un mayor distanciamiento de estas curvas presentan una mayor variabilidad intraespecífica de los mencionados rasgos. Otro aspecto apreciable en las curvas K(r) lo encontramos en la amplitud de estas ya que en todas las especies encontramos que la amplitud de las curvas máximas es mayor que las de las mínimas. Esto nos aporta información sobre los procesos de dispersión extremos como por ejemplo los de colonización. Un mayor espaciado o mayor distribución real de las semillas proporciona a su vez una mayor posibilidad de encontrar un micrositio óptico para la germinación de esta semilla además de encontrar menor competencia con las semillas de la misma población. Aquellas semillas dispersadas cercanas a la población fuente debido a la poca variación espacial provocará conflictos de competencia además como está descrito en la hipótesis de denso-dependencia de Janzen-Conell. En cuanto a las curvas medias, también encontramos tendencias generales. En estas, observamos un acercamiento más próximo a las curvas mínimas que a las máximas, además de estar más próximas también en amplitud a las mínimas. Si realizáramos una gráfica que uniera todas estas curvas obtendríamos una distribución sesgada positivamente, es decir hacia la izquierda, como también encontramos en la curva de dispersión de la hipótesis de Janzen-Conell.
Podemos decir que la mayor parte de las semillas se agrupan en localidades más cercanas a la población fuente, con una tendencia de alejarse lo máximo posible para disminuir el efecto de madre nodriza además de ampliar su distribución espacial disminuyendo las relaciones de competencia. Todo ello sin alejarse demasiado de la población foco ya que cercana a ella encuentran condiciones ecológicas óptimas evitando la necesidad de buscar un micrositio adecuado para la germinación y supervivencia. Por tanto, probablemente encontremos la zona de reclutamiento cercana a las distancias descritas en la curva k(r) de medias. 3.4. Modelo de Wald. Relaciones específicas entre la altura de abscisión, velocidad terminal y distancia de dispersión. Las siguientes figuras son el resultado de la relación entre la altura de abscisión y la velocidad terminal utilizando el rango de valores de cada especie. Todo ello bajo las mismas características del régimen de viento a través del modelo mecanicista de WALD. Figura 19. Relación de la altura de abscisión y la velocidad terminal con la predicción de las distancias de dispersión de Sinapis alba con y sin vaina.
Figura 20. Relación de la altura de abscisión y la velocidad terminal con la predicción de las distancias de dispersión de Arabidopsis thaliana, Urtica dioica, Thymus vulgaris y Conyza canadensis.
Figura 21. Relación de la altura de abscisión y la velocidad terminal con la predicción de las distancias de dispersión de Brachypodium distachyon, Brachypodium stacei, Bechaypodium hybridum, Ononis natrix.
De acuerdo con los trabajos y estudios, mencionados en el primer apartado, acerca de las variables propias de las especies botánicas influyentes en la capacidad de dispersión, como son la altura y la velocidad terminal, los gráficos de las figuras de dispersión del modelo aportan una información valiosa corroborando dicha literatura. Podemos observar una tendencia a mayores distancias de dispersión a medida que encontramos tantas alturas de abscisión más elevadas y velocidades terminales menores. Estas relaciones son diferentes en cada especie como podemos apreciar en las líneas que delimitan las distancias de dispersión con diferentes colores. A medida que estas franjas toman una dirección hacia la horizontal, como ocurre en el gráfico de Conyza canadensis, cada unidad de variación en la velocidad terminal supone grandes cambios en las distancias de dispersión; no así con la variable de la altura donde en estos casos la misma variación no trasciende en grandes variaciones de las distancias de dispersión. En otros ejemplos, como Ononis natrix, las relaciones son totalmente diferentes. Las variaciones en la velocidad terminal de las semillas provocan menores modificaciones en las distancias de dispersión con respecto a las mismas variaciones de altura de abscisión. Realizando otras comparaciones a través de estos gráficos, podemos observar la importancia de las características propias de la planta. Como por ejemplo el peso, a través de las especies de (Arabidopsis thaliana y Urtica dióica). Si escogemos una misma altura para ambas especies observamos una gran diferencia en las distancias de dispersión, esta es debida a la velocidad terminal y como ninguna de las dos especies presenta estructura de vuelo específica para la anemocoria observamos que la diferencia reside en la masa de la diáspora. La masa de Arabidopsis thaliana es significativamente menor que la de Urtica dioica y por tanto Arabidopsis consigue mayores distancias de dispersión. Otro parámetro importante, en la velocidad terminal, es la superficie expuesta al rozamiento de la semilla o de exposición al flujo de viento; este también es apreciable a través de estas gráficas, concretamente en Sinapis alba. Aquellas semillas que se dispersan junto a la vaina que la envuelve presenta una velocidad terminal menor al presentar más superficie de exposición al flujo en comparación a la masa que adquiere con esta. Al reducir su velocidad terminal y ser dispersada a la misma altura que las que no disponen de dicha vaina, las distancias de dispersión son mayores en las semillas que se dispersan junto a la vaina.
3.4. Comparación interespecífica de curvas k(r). Figura 22. Comparación intraespecífica de las k(r) a partir de las medias de todos los parámetros.
Un hecho observable, a través de la figura 29, es la similitud de la relación entre distancia de dispersión y la amplitud del rango de dispersión como ocurría a nivel intraespecífico. A nivel de comunidad observamos que aquellas especies con mayores distancias de dispersión presenta a su vez mayores amplitudes en dicho rango para ocupar una mayor área de colonización, aumentar la probabilidad de encontrar un micrositio adecuado o disminuir relaciones de competencia. En las especies estudiadas encontramos una menor variabilidad en el factor de altura de abscisión que la variabilidad que encontramos en la velocidad terminal. Además, el modelo para esta gráfica fue alimentado con igualdad de condiciones del régimen de viento tanto en velocidad como en intensidad turbulenta, por lo que encontramos que la mayor parte de la variabilidad de las distancias de dispersión es ocasionada, tal y como nos informaba el análisis multivariante, por la velocidad terminal. Conyza canadensis, Thymus vulgaris y Arabidopsis thaliana son precisamente las especies con valores más bajas en dicho parámetro. Otro hecho observado y descrito con anterioridad es el fenómeno de dispersión utilizando dos tipos de diáspora en Sinapis alba, donde aquellas semillas que se dispersan junto a la vaina consiguen realizar vuelos más largos que las que se dispersan únicamente con la semilla, esto debido a un aumento en la superficie de exposición al flujo y por ende, una menor velocidad terminal. Sin embargo, tal y como se mencionaba en el primer apartado de este trabajo, las estructuras específicas para la anemocoria no son imprescindibles para realizar largas dispersiones. Claro es el ejemplo que encontramos en Arabidopsis thaliana, cuya semilla es totalmente esférica, pero basa su baja velocidad terminal en su reducida masa.
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