INSTITUTO DE BIOTECNOLOGÍA Y ECOLOGÍA APLICADA...
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INSTITUTO DE BIOTECNOLOGÍA Y ECOLOGÍA APLICADA UNIVERSIDAD VERACRUZANA DIVERSIDAD GENÉTICA Y ESTRUCTURA POBLACIONAL DE Ceratozamia mexicana Brongn. TESIS QUE PRESENTA PARA OBTENER EL GRADO DE DOCTOR EN CIENCIAS EN ECOLOGÍA Y BIOTECNOLOGÍA M. EN C. ANDRÉS RIVERA FERNÁNDEZ DRA. LOURDES GEORGINA IGLESIAS ANDREU DIRECTORA XALAPA, VERACRUZ, MÉXICO, 26 DE OCTUBRE DE 2012
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INSTITUTO DE BIOTECNOLOGÍA Y ECOLOGÍA APLICADA
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
DIVERSIDAD GENÉTICA Y ESTRUCTURA POBLACIONAL
DE Ceratozamia mexicana Brongn.
TESIS QUE PRESENTA PARA OBTENER EL GRADO DE DOCTOR EN
CIENCIAS EN ECOLOGÍA Y BIOTECNOLOGÍA
M. EN C. ANDRÉS RIVERA FERNÁNDEZ
DRA. LOURDES GEORGINA IGLESIAS ANDREU
DIRECTORA
XALAPA, VERACRUZ, MÉXICO, 26 DE OCTUBRE DE 2012
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INSTITUTO DE BIOTECNOLOGÍA Y ECOLOGÍA APLICADA
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
ECOBIOT-18DAR
DECLARATORIA DE AUTORÍA
Quien suscribe M.en C. Andrés Rivera Fernández (número de matrícula S08017857)
estudiante del Doctorado en Ciencias en Ecología y Biotecnología con salida lateral de
Maestría, hace constar que es autor del Trabajo para la obtención del Grado de Doctorado
intitulado: “Diversidad Genética y estructura poblacional de Ceratozamia mexicana
Brongn.”, (número de registro 005), el cual constituye la elaboración personal realizada
únicamente con la dirección del Comité Tutoral siguiente:
Dra. Lourdes Georgina Iglesias Andreu
Dra. Norma Flores Estévez
Dr. Lázaro Rafael Sánchez Velásquez
Dr. Santiago Mario Vázquez Torres
Dr. Mauricio Luna Rodríguez
En tal sentido, manifiesto la originalidad de los conceptos, base de datos registrados
(Bitácora), interpretación de los datos, conclusiones y recomendaciones. Por último, dejo
establecido que los aportes intelectuales de otros autores se han referido debidamente en el
texto y en la sección de literatura citada de dicho trabajo.
_______________________________________
M. en C. ANDRÉS RIVERA FERNÁNDEZ
Xalapa de Enríquez, Veracruz, 26 de octubre de 2012.
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3
AGRADECIMIENTOS
Un trabajo de investigación exige la integración de un grupo multidisciplinario, no es una obra
individual. Fueron muchas las instituciones y personas que participaron de diferentes maneras
para que se llevara a cabo este este trabajo. Sin su apoyo y/o contribución hubiese sido
imposible concluir satisfactoriamente este documento. Por ello agradezco profundamente:
A la Universidad Veracruzana y a las autoridades que me otorgaron la licencia para realizar
los estudios dentro del programa de posgrado del Instituto de Biotecnología y Ecología
Aplicada.
Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por la beca otorgada para la
realización de mis estudios de posgrado.
A la Dra. Lourdes G. Iglesias Andreu, mi directora de tesis, por su orientación, amistad y
confianza en compartir conmigo su experiencia de vida y ciencia. Gracias por el ejemplo de
amor a la ciencia y a la docencia.
A la Dra. Norma Flores Estévez, por su participación en este trabajo desde su conformación
y diseño, en Seminario de Investigación, y orientación hasta su finalización.
Al Dr. Lázaro R. Sánchez Velásquez, por su amistad y orientación concedida y cuyo apoyo
fue fundamental en la realización de este trabajo.
Al Dr. Santiago M. Vázquez Torres, por su invaluable apoyo y orientación. Gracias Don
Mario por haberme invitado a incursionar en el mundo maravilloso de las cícadas y gracias
por enseñar con pasión sus experiencias con estas plantas.
Al Dr. Mauricio Luna Rodríguez, por su paciencia, orientación y amistad ofrecidas en todo
momento. Gracias por la sencillez y nobleza con la que te comprometes a participar en
laboratorio y aulas. Muchas gracias por los apoyos en el Latex.
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Al Dr. Pablo Octavio Aguilar por su orientación, apoyo, entrega al trabajo, enseñanzas,
comprensión y sobre todo por tu amistad. Gracias por tus críticas y sugerencias y por
ayudarme a encontrar en cada trabajo de investigación cosas nuevas y relevantes.
Al Laboratorio de Alta Tecnología de Xalapa (LATEX) y a su Director el Dr. Angel Trigos
Landa, por haber brindado sus instalaciones, materiales y equipo en la realización de la
parte molecular del trabajo. Gracias Dr. Trigos por su entusiasmo y aliento en el desarrollo
de investigaciones de primer nivel.
A la Dra. Nadia Sánchez Coello por su amistad y su decidida e incondicional participación
en las actividades de laboratorio.
Al Biol. Héctor Hernández Andrade por proporcionar su propiedad en Coacoatzintla, Ver. y
por conservar con tanto entusiasmo ese maravilloso relicto de Ceratozamia mexicana, en
un ambiente prácticamente imperturbado.
Al Sr. Cirilo Hernández por proporcionar el potrero de su propiedad en la realización del
presente trabajo.
A Maricela Durán y a Cristopher Teoba por su amistad, apoyo, paciencia y entrega en las
actividades de laboratorio y campo, respectivamente.
A la M.C. Cristina Elizabeth Zúñiga Castañeda y a la Biol. Luz del Carmen Alarcón por
espíritu de colaboración en actividades de laboratorio e invernadero, por su amistad y por
su entusiasmo.
A mis amigos y compañeros de generación: Luis, Antonio, Claudia, Jacel, Margarita, Luz,
Eder, Arturo, por su aliento continuo y entusiasmo contagioso.
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INSTITUTO DE BIOTECNOLOGÍA Y ECOLOGÍA APLICADA
UNIVERSIDAD VERACRUZANA
ECOBIOT-17A
AGRADECIMIENTOS Y CRÉDITOS INSTITUCIONALES
El presente trabajo se realizó bajo la dirección de la Dra. Lourdes Georgina Iglesias
Andreu dentro de la Línea de Generación y Aplicación del Conocimiento: “Conservación,
manejo y mejora genética vegetal”, pertenecientes al Cuerpo Académico: Clave CA-UV-
234 “Biotecnología Aplicada a la Ecología y Sanidad Vegetal” registrado en el Instituto
de Biotecnología y Ecología Aplicada de la Universidad Veracruzana en Xalapa,
Veracruz.
El trabajo doctoral se desarrolló dentro del proyecto: Estudio de las Cícadas mexicanas.
Aprobado por el fondo 83156 y 152073, mismo al que se le agradece su apoyo.
Se agradece al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por su apoyo al
estudiante con la beca académica bajo el No de becario 223898.
Se agradece al programa de posgrado Doctorado en Ciencias en Ecología y Biotecnología,
con Salida Lateral de Maestría, siendo el Coordinador el Dr. Francisco Díaz Fleischer y al
Instituto de Biotecnología y Ecología Aplicada siendo director el Dr. Juan Carlos Noa
Carrazana.
Xalapa de Enríquez, Veracruz, 26 de octubre de 2012.
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CONTENIDO
DECLARATORIA DE AUTORÍA ............................................................................ 1
AGRADECIMIENTOS .............................................................................................. 3
AGRADECIMIENTOS INSTITUCIONALES ........................................................ 5
CONTENIDO ............................................................................................................... 6
ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................ 9
ÍNDICE DE TABLAS ................................................................................................ 10
ÍNDICE DE ANEXOS ............................................................................................... 10
ABREVIATURAS ...................................................................................................... 12
RESUMEN GENERAL ............................................................................................. 13
CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN ............................................................................ 15
1.1 INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 16
1.2 ANTECEDENTES. ............................................................................................. 19
1.2.1 Ceratozamia mexicana .................................................................................. 19
1.2.2 Perturbaciones antrópicas. .......................................................................... 23
1.2.3 Demografía. ................................................................................................... 26
1.2.4 Genética de poblaciones. .............................................................................. 27
1.2.5 Diversidad genética ...................................................................................... 28
1.2.6 Estructura genética a escala fina. ................................................................ 32
1.2.7 Marcadores moleculares en el análisis de la diversidad genética ............ 33
1.2.8 Preguntas de investigación. .......................................................................... 36
1.2.9 Hipótesis ........................................................................................................ 37
1.2.10 Objetivo General ....................................................................................... 37
1.2.11 Objetivos particulares ................................................................................ 37
1.2.12 Sitio de estudio. .......................................................................................... 37
1.3 Bibliografía. ......................................................................................................... 40
CAPÍTULO II. ESTRUCTURA POBLACIONAL Y DISTRIBUCIÓN ESPACIAL
DE Ceratozamia mexicana BRONGN. (ZAMIACEAE) EN AMBIENTES
CONSERVADO Y PERTURBADO. ........................................................................ 51
7
POPULATION STRUCTURE AND SPATIAL DISTRIBUTION OF Ceratozamia
mexicana BRONGN. (ZAMIACEAE) IN AN PRESERVED AND DISTURBED
ENVIRONMENT ...................................................................................................... 52
2.1 RESUMEN ........................................................................................................... 53
2.2 SUMMARY ......................................................................................................... 53
2.3 INTRODUCCIÓN ............................................................................................... 54
2.4 MATERIALES Y MÉTODOS ........................................................................... 56
2.5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN......................................................................... 60
2.6 CONCLUSIONES ............................................................................................... 66
2.7 REFERENCIAS .................................................................................................. 66
CAPÍTULO III. IMPACT OF DISTURBANCE ON DEMOGRAPHY OF Ceratozamia
mexicana BRONGN.: AN ENDANGERED SPECIES ............................................. 73
Impact of disturbance on the demography of the endangered species Ceratozamia
mexicana Brongn. ...................................................................................................... 74
Table of Contents ...................................................................................................... 75
3.1 Abstract ................................................................................................................ 76
3.2 Resumen ............................................................................................................... 77
3.3 Introduction ......................................................................................................... 78
3.4 Materials and methods ....................................................................................... 79
3.5 Results .................................................................................................................. 84
3.6 Discussion ............................................................................................................. 90
3.7 Acknowledgments ............................................................................................... 93
3.8 Literature Cited ................................................................................................... 93
CAPÍTULO IV. EFECTO DEL DISTURBIO SOBRE LA ESTRUCTURA
GENÉTICA ESPACIAL DE Ceratozamia mexicana: UNA APROXIMACIÓN
MICROEVOLUTIVA. ............................................................................................... 99
Effect of disturbance on the genetic spatial structure of Ceratozamia mexicana: a
micro-evolutionary approximation. ....................................................................... 100
4.1 ABSTRACT ....................................................................................................... 101
4.2 RESUMEN ......................................................................................................... 101
8
4.3 INTRODUCTION ............................................................................................. 101
4.4 MATERIALS AND METHODS ..................................................................... 103
4.5 RESULTS ........................................................................................................... 108
4.6 DISCUSSION .................................................................................................... 111
4.7 ACKNOWLEDGEMENTS .............................................................................. 114
4.8 REFERENCES .................................................................................................. 114
CAPÍTULO V. DISCUSIÓN GENERAL. ............................................................... 119
5.1 Discusión general ............................................................................................... 120
5.2 El efecto del disturbio. ...................................................................................... 121
5.3 Efecto del disturbio sobre Ceratozamia mexicana. ......................................... 122
5.4 Estrategias para mantener la diversidad de Ceratozamia mexicana. ........... 125
5.5 Conclusiones ...................................................................................................... 127
5.6 Bibliografía ........................................................................................................ 127
9
ÍNDICE DE FIGURAS
CAPÍTULO I.
Figura 1. Cícadas endémicas de México A. Ceratozamia mexicana, B.
Zamia furfuracea y C. Dioon edule. Fotos tomadas por A.
Rivera.
pag.21
Figura 2. Fase larvaria y adulto de Eumaeus sp. sobre el follaje de
Ceratozamia mexicana en Coacoatzintla, Veracruz. Fotos tomadas
por A. Rivera
pag. 25
Figura 3. Localización geográfica del área de estudio en el estado de
Veracruz. pag. 39
CAPÍTULO II.
Figura 1. Distribución de individuos (en 200 m2) de Ceratozamia mexicana
por categoría de tamaño en dos sitios contrastantes (conservado y
perturbado).
pag.61
CAPÍTULO III.
Figure 1. Life cycle graph for C. mexicana. NRM Non-reproductive mature,
RM Reproductive mature. Pi is the proportion of individuals in
stage i that progress to stage i + 1 from one time (t) step to the next
(t + 1), Gi is the proportion of individuals in stage i that remain in
that stage from time step t to t + 1, and Fi is the average number of
seeds produced by individuals in stage i from time steps t to t + 1
that survive to the first census at time step t + 1. Rij denotes the
proportion of individuals in stage i that return to stage j between
time steps t and t + 1.
pag. 85
CAPÍTULO IV.
Fig. 1. Spatial autocorrelation coefficients rij for multiple loci (continuous
lines) and intervals of confidence (broken lines) at 95% (99
bootstrap, 99 permutations) a) Disturbed site, b) Undisturbed site.
pag. 110
10
ÍNDICE DE TABLAS
CAPÍTULO I.
Tabla 1. Marcadores genéticos usados para el análisis de la variación
genética en cícadas
pag. 35
CAPÍTULO II.
Tabla 1. Índice de Morisita por cada etapa de desarrollo de los individuos de
Ceratozamia mexicana ubicados en el sitio conservado.
pag. 64
CAPÍTULO III.
Table 1.
Number of reproductive individuals of Ceratozamia mexicana from
March 2009 to February 2011. pag. 85
Table 2. Ceratozamia mexicana transition matrices by treatment and year
pag.86
Table 3. Ceratozamia mexicana elasticity matrices by treatment and year pag.88
Table 4. Differences between average transition matrices and life table
response experiment (LTRE) effects for 12 life-cycle transitions of
Ceratozamia mexicana.
pag.89
Table 5. Comparative population values for various species of cycads:
population growth rate (λ), elasticity (L: stasis, G: transition and F:
fecundity).
pag.90
11
CAPÍTULO IV.
Table 1. Relation of the ISSRs Primers used.
Pag. 106
Table 2. Comparison of the evaluation sites of C. mexicana (Mean ± SD). Pag. 108
Table 3. Indicators of genetic variability, reproductive individuals for each
condition and effective population size.
Pag. 109
Table 4. Values of the autocorrelation coefficient (rij), with its interval of
confidence (U / L), which are significantly different from those
expected in a random distribution.
Pag. 110
ÍNDICE DE ANEXOS
Anexo 1 Distribución geográfica de las especies del género Ceratozamia y
categoría de riesgo. Pag. 129
Anexo 2 Variedades identificadas de la especie Ceratozamia mexicana. Pag. 130
Anexo 3 Sinonimia de Ceratozamia mexicana Pag. 130
12
ABREVIATURAS
Abreviatura Significado
ADNg Desoxirribonucleic Acid genomic
AFLP Amplified Fragment Length Polymorphism
AMOVA Analysis of Molecular Variance
BMAA β-N-Metilamino-L-alanina
CITES Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora
CTAB Cetyl Trimethyl Ammonium Bromide
DNA Desoxirribonucleic Acid
EDTA Ethylenediaminetetraacetic acid
EST Expressed Sequence Tag
ISSR Inter Simple Secuence Repet
ITS Internal Transcribed Spacer
IUCN International Union for Conservation of Nature and Natural Resources
LATEX Laboratorio de Alta Tecnología de Xalapa
LTRE Life Table Response Experiment
PCR Polymerase Chain Reaction
RAPD Random Amplified Polymorphic DNA
rDNA ribosomal DNA
RFLP Restriction Fragment Length Polymorphism
SSR Simple Sequence Repeat
STR Short Tandem Repeat
TFPGA Tools for Population Genetic Analyses
UBC University of British Columbia
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RESUMEN GENERAL
Ceratozamia mexicana Brongn., es una especie de lento crecimiento, larga vida y es
endémica de México. En la región central del estado de Veracruz, se le localiza en el
sotobosque del bosque mesófilo de montaña, uno de los ecosistemas más diversos del país
pero también uno de los más fragmentados. La destrucción del hábitat por las actividades
agropecuarias ha provocado una disminución en el tamaño de las poblaciones y su
aislamiento. El objetivo de este estudio fue analizar las características demográficas y de
diversidad genética en C. mexicana en dos hábitats contrastantes en Coacoatzintla,
Veracruz. Uno de los sitio estuvo localizado en un área donde no se encontró ningún
disturbio humano en el hábitat de esta especie; el segundo sitio se localizó en las
inmediaciones de un pastizal con acceso a ganado vacuno y caprino con remanentes de
bosque.
En una primera etapa el trabajo comprendió el análisis de densidad, la estructura por etapa
de crecimiento poblacional y de sexos, así como la distribución espacial dentro de cada
subpoblación. Se encontró que la densidad poblacional fue mayor en el sitio conservado.
Este sitio mostró una estructura demográfica de “J” invertida, mientras que el perturbado
varió ligeramente con una distribución discontinua. La proporción sexual no difirió
estadísticamente entre los sitios. La distribución espacial para todas las fases de desarrollo
de la planta fue aleatoria, con excepción de la etapa de plántula, que fue agregada.
La segunda etapa cubrió los aspectos demográficos de los sitios con y sin perturbación
durante el período febrero de 2009 a marzo de 2012. Se estimaron las proyecciones de
matrices, tasas de crecimiento poblacional (λ), sensibilidad, elasticidad y los experimentos
de respuestas de tablas de vida (LTRE) para cada población. La tasa de crecimiento
poblacional fue de λ > 1 en ambos casos. Las transiciones que contribuyen más a las tasas
de crecimiento poblacional en ambos sitios fue la permanencia de juveniles y adultos no
reproductivos.
Finalmente, el análisis genético no arrojó diferencias significativas en la heterocigosis
calculada para ambas condiciones. El Análisis de Varianza Molecular (AMOVA) mostró
diferenciación entre los sitios. El análisis de cuello de botella bajo el método de equilibrio
14
deriva-mutación fue significativo para el sitio perturbado indicando un cuello de botella
reciente. El análisis de autocorrelación espacial mostró que los vecindarios genéticos del
sitio perturbado son menores (6m) que los del sitio conservado (10m).
Los resultados de ambos estudios indican la existencia de una reciente transformación del
sitio perturbado por las actividades agropecuarias, situación que coincide con una reciente
expansión de esa actividad. Es conveniente, en este momento, tomar medidas correctivas
que eviten aún más la degradación del bosque y la subsecuente pérdida de diversidad.
La estructura de esta tesis comprende: A) Capítulo I: proporciona antecedentes generales
sobre la especie en estudio, el impacto del disturbio, causado por la ganadería, sobre la
demografía y la genética. B) Capítulo II: analiza el impacto del disturbio sobre la densidad
de población, la estructura por etapas de crecimiento y de sexos y la distribución espacial
de la especie. C) Capítulo III: establece una comparación entre los sitios de estudio y la
demografía de C. mexicana. D) Capítulo IV: se analiza la distribución de la diversidad
genética bajo las dos condiciones ambientales y finalmente, E) Capítulo V: plantea una
discusión general a partir de la información generada y propone una estrategia de
conservación de la especie.
15
CAPÍTULO I. INTRODUCCIÓN
16
1.1 INTRODUCCIÓN
1.1 Introducción.
México es uno de los países que más ha contribuido a la diversidad de especies de las
cícadas con más de 53 de las 326 conocidas a nivel mundial (Vovides et al. 2003, Haynes
2011). Los géneros presentes en el país son: Ceratozamia, Dioon y Zamia. De estos,
Ceratozamia es el más importante por el número de especies que posee (26) seguido de
Zamia (14) y Dioon (13) (Haynes 2011). El género Ceratozamia tiene una distribución que
comprende las vertientes del Golfo de México y del Océano Pacífico. Se le ha identificado
desde la región serrana del sur de Tamaulipas, así como en San Luis Potosí, Hidalgo,
Veracruz, Oaxaca y Chiapas. En Centroamérica se han localizado poblaciones en Belice,
Guatemala y en Honduras. Se les encuentra en un amplio rango de ambientes aunque tiene
mejor desarrollo en condiciones húmedas (Whitelock 2004). Ceratozamia mexicana es la
especie tipo del género y es endémica del país; habita en el sotobosque de hábitats forestales:
bosque de encinos, bosque de pino-encino y el bosque mesófilo de montaña (Vovides et al.
1983, Alejandre et al. 1990, Rzedowski 2006).
La fragmentación del hábitat es una de las principales amenazas a la diversidad de especies
(Bennett 2003, Fischer y Lindenmayer 2007), puede afectar la estructura genética y
demográfica de las poblaciones, favorece la deriva genética, aumenta la endogamia, reduce
la capacidad de apareamiento, altera la interacción con los polinizadores y modifica las
condiciones ambientales (Honnay et al. 2005, Octavio-Aguilar et al. 2008).
17
El estudio de la diversidad genética es fundamental para la sustentabilidad de las especies
debido a que proporciona la materia prima para la evolución (Rajora y Mosseller 2001),
mientras que las perturbaciones humanas alteran la distribución de la variabilidad genética
generando estructuración genética espacial (Lacerda y Kageyama 2003).
La estructura genética espacial en las poblaciones de plantas está determinada por lo
siguiente: la limitada dispersión de semillas y polen, el aislamiento de los mismos en
pequeños manchones, la mortalidad diferencial y la selección para micro hábitats. La
estructura genética espacial está influida por la dinámica de la endogamia biparental,
depresión por endogamia y la acción de la selección natural (Epperson 1993, Epperson y
Álvarez-Buylla 1997).
Las poblaciones de plantas pueden mostrar cambios en su estructura genética espacial en
diferentes etapas de vida y a través de las generaciones. Estas transiciones demográficas en
la estructura genética pueden proporcionar nuevos conocimientos sobre la función relativa
de la dispersión de polen y semillas, sistema de apareamiento, la deriva genética y la
selección natural en la modelación de los patrones espaciales y genéticos dentro de las
poblaciones naturales de plantas (Jones y Hubbel 2006).
Una de las herramientas que más se han ocupado en los estudios genético-poblacionales
son los marcadores moleculares basados en la amplificación del DNA por la reacción en
cadena de la polimerasa (PCR). Dentro de estos, los marcadores denominados Repeticiones
de Secuencias Intersimples (ISSRs por sus siglas en inglés) se han utilizado con éxito en
cícadas por su sencillez y por su bajo costo para el análisis de: la diversidad genética (Xie
18
et al. 2004, Xiao et al. 2004, 2005, Wang et al. 2006), la historia molecular y las relaciones
dentro del género (Treutlein et al. 2005), la determinación del sexo (Gangopadhyay 2007 y
Sánchez-Coello sin publicar) y las relaciones interpoblacionales en complejos de Cycas
balansae (Xiao y Gong 2006). En otras especies los ISSR han sido aplicados con
excelentes resultados en diversos estudios como: filogenia, etiquetado génico, mapeo
genómico y biología evolutiva (Zietkiewicz et al. 1994, Pradeep et al. 2002) identificación
de cultivares estrechamente relacionados (Nagaoka y Ogihara 1997), biogeografía, así
como el estudio de diversos aspectos relacionados con la ecología de algunas especies
vegetales (Liston et al. 2003, Wallace 2003).
Al igual que el análisis de la diversidad genética, los análisis demográficos constituyen
herramientas poderosas que permiten visualizar la viabilidad de las poblaciones a largo
plazo (Pickett et al. 1989).
Son escasos los trabajos demográficos realizados en cícadas (Pérez-Farrera et al. 2000). Se
ha analizado la dinámica poblacional de: C.mexicana (Alejandre et al. 1990), C. matudai
(Pérez-Farrera et al. 2000), Encephalartos cycadifolius y E. villosus (Raimondo y
Donaldson 2003), C. mirandae (Pérez-Farrera et al. 2006) y Dioon edule (Octavio-Aguilar
et al. 2008), dentro de los más destacados. Los estudios demográficos permiten evaluar la
viabilidad poblacional de una especie a partir de la estimación de su tasa de crecimiento
poblacional (Bennett 2003), es decir, si la población crece o disminuye de tamaño. Otra
aplicación importante es la estimación de la probabilidad de extinción de una especie.
También sirve como referente para comparar predicciones de modelos muy detallados que
incluyan factores ecológicos como: la heterogeneidad del hábitat, la sucesión, la
19
dependencia de la densidad y del medio ambiente y la estocasticidad demográfica (Alvarez-
Buylla et al. 1996).
Una de las mayores amenazas que pueden comprometer la viabilidad de C. mexicana es la
severa pérdida y destrucción de su hábitat, que ha ocasionado una disminución en sus
poblaciones (Donaldson 2003). En este trabajo se analizan los procesos demográficos y
microevolutivos de C. mexicana en dos condiciones ambientalmente contrastantes (con y
sin perturbación) con el propósito de evaluar la persistencia de la especie.
1.2 ANTECEDENTES.
1.2.1 Ceratozamia mexicana
Las cícadas constituyen un grupo de gimnospermas dioicas parecidas a las palmas y que se
caracterizan por ser longevas, de lento crecimiento y habitar en las regiones tropicales y
subtropicales del planeta (Vovides 2000, Jones 2002). Su distribución comprende cuatro
grandes áreas: África y las islas del Océano Índico, Australia, Asia (donde se incluye:
Malasia, Papúa-Nueva Guinea, Indonesia y Filipinas) y América (Donaldson 2003).
La diversidad de las cícadas está más uniformemente distribuida a nivel de especie con
amplias radiaciones evolutivas en Cycas, Encephalartos, Macrozamia, Zamia, Ceratozamia
y Dioon. Con base en el número de especies, destacan a nivel continental: América y
África; y a nivel de país Australia; por contener en cada caso, más de 60 especies. Como
centros importantes de diversidad, sobresalen: Australia, México, Sudáfrica, China y
Vietnam que en conjunto representan más del 70% de la población mundial de cícadas
20
(Donaldson 2003, Osborne et al. 2008); aunque es aceptado que México y la región
Centroamericana poseen la mayor diversidad de cícadas (Jones 2002).
En México, se encuentran únicamente dentro de la familia Zamiaceae los géneros
Ceratozamia, Dioon y Zamia (Vovides et al., 1983) con alrededor de 54 especies
(SEMARNAP 2000, Haynes 2011) Figura 1. Ceratozamia y Dioon son típicamente
mexicanos (Vázquez-Torres 1989) mientras que Zamia se distribuye más ampliamente en
el continente Americano. El género Zamia es más extendido por el continente Americano y
es el más diverso con 69 especies; y de estas, 15 están representadas en México (Haynes
2011). El género Dioon cuenta con 13 especies en nuestro país y sólo una se comparte con
Honduras (D. mejiae). Ceratozamia tiene registradas 26 especies en México, de las cuales
C. robusta se localiza también en Guatemala y Belice y C. hondurensis es endémica de
Honduras. Sin embargo, la NOM-059-SEMARNAT hace referencia a 23 de ellas y algunos
autores citan otras sin antecedentes en la literatura. La Cycad Society hace una compilación
de las especies descritas y reconoce a 28 (Anexos 1, 2 y 3) y están documentadas por
Haynes (2011).
21
Figura 1. Cícadas endémicas de México A. Ceratozamia mexicana B. Zamia
furfuracea y C. Dioon edule. Fotos tomadas por A. Rivera.
Por el número de especies que contiene, su amplia distribución geográfica y la diversidad
de hábitats que ocupa, el género Ceratozamia constituye un modelo de gran importancia
para los estudios demográficos y de diversidad genética que permitan caracterizar su estatus
actual y vislumbrar su condición a largo plazo. Una de las especies de mayor interés dentro
de este género es C. mexicana determinada como especie tipo por el botánico francés
Adolphe Theodore Brongniart en 1846 (Stevenson 1992).
C. mexicana, conocida también como: Costilla de león, Palma imperial, piña de monte o
palmita (Alejandre et al. 1990) es una cícada endémica de México con amplia distribución,
que se adapta a elevaciones de los 800 msnm a los 1850 msnm (Vovides et al. 1983). Se le
ha identificado en los estados de Veracruz, Hidalgo, Querétaro, San Luis Potosí y Puebla
(Jones 2002, Hill et al. 2004, Stevenson et al. 1986); creciendo en hábitats forestales bajo el
dosel de bosques de encinos, bosque de pino-encino y el bosque mesófilo de montaña
(Vovides et al. 1983; Alejandre et al. 1990; Rzedowski 2006). A esta especie se le
22
encuentra en su hábitat natural en laderas con pendientes pronunciadas, suelos rocosos,
poco profundos y ricos en materia orgánica (Vovides et al. 1983, Whitelock 2002).
Al igual que la gran mayoría de las cícadas, C. mexicana es una especie que se le ha
declarado como vulnerable y con poblaciones decrecientes, principalmente por la
fragmentación y por la pérdida de su hábitat (NOM-059-SEMARNAT 2010, IUCN 2011).
El factor principal de alteración del hábitat de esta cícada en Coacoatzintla, Veracruz, uno
de los sitios con mayor densidad de C. mexicana, es el cambio de uso del suelo impulsado
por un acelerado crecimiento de la actividad ganadera. La superficie agrícola reportada para
el municipio fue de 750 ha, mientras que la superficie dedicada al pastoreo o a la
producción de pastos fue de 2605 ha; por su parte la superficie boscosa tan solo cubre 145
ha (INEGI 2005). Otra actividad que afecta la viabilidad del bosque lo constituye la
extracción de piedra basáltica para su uso en la construcción; esta actividad no está
consignada en las estadísticas del municipio ni en las del INEGI. El crecimiento de la
frontera agropecuaria del municipio involucra una tala inmoderada con la consecuente
fragmentación del bosque mesófilo de montaña.
C. mexicana es una especie dioica; las plantas femeninas inician la diferenciación de sus
estructuras reproductivas femeninas (megastróbilos) de julio a febrero y requieren de doce
meses para madurar. Los conos masculinos o microstróbilos maduran en un período de
tiempo menor (Vovides et al. 1983, Sánchez-Tinoco et al. 2000). La dispersión del polen es
efectuada por pequeños escarabajos (curculiónidos y langúridos), que polinizan la planta
femenina cuando su cono está receptivo. La semilla presenta un período de posmaduración
23
de hasta un año después de la desintegración del megastróbilo (Sánchez-Tinoco et al.
2000).
Las semillas de C. mexicana tienen una limitada dispersión debido a que sus poblaciones
son de tamaño reducido y ello a su vez les impide intercruzarse con poblaciones vecinas.
Este aislamiento, a través de cientos o miles de años puede dar lugar la formación de
poblaciones genéticamente diferentes o a un proceso de especiación (Whitelock 2004).
1.2.2 Perturbaciones antrópicas.
Los términos perturbación, disturbio y estrés se han utilizado en varios contextos
ecológicos a menudo como sinónimos, de manera inconsistente y ambiguamente (White y
Pickett 1985, Rykiel 1985). Sin embargo, para este estudio el disturbio será considerado
como el conjunto de procesos que modifican los patrones espaciales y temporales de
composición de especies, así como a la estructura, dinámica y funcionamiento de las
poblaciones (Bormann y Likens 1979, Pickett y White 1985). El término perturbación será
usado para hacer referencia a los efectos de un disturbio en un sistema como lo sugieren
Pickett et al. (1989).
Los disturbios pueden ser caracterizados en términos de distribución espacial, área o
tamaño, intensidad, severidad, frecuencia, tasa de retorno, periodo de rotación, y
sinergismo (interacción con otros factores de perturbación) (White y Pickett 1985).
Los disturbios juegan un importante papel en los ecosistemas terrestres que, dado que por
su acción continua han provocado la adaptación de las especies y han generado parte de la
diversidad del planeta. Desempeñan también una función relevante en la disponibilidad de
24
recursos, situación fundamental para la permanencia de algunas especies y constituyen un
agente de selección natural en las historias de vida (Sousa 1984).
La transformación del paisaje por los disturbios naturales o por las actividades antrópicas
ha provocado un importante deterioro de los recursos naturales (Armenteras et al. 2003). El
hombre es el principal responsable de la prolongada historia de perturbaciones relacionadas
con el sobre pastoreo y la agricultura extensiva, la tala indiscriminada y la expansión
urbana. Los bosques nativos son de los ecosistemas que más han sido afectados por la
intervención humana favoreciendo su fragmentación (Bustamante y Grez 1995, Pinto et al.
2004).
La fragmentación conduce a la pérdida de continuidad de un ecosistema y produce cambios
importantes en la estructura de las poblaciones y comunidades de plantas y animales y en el
ambiente físico, afectando su funcionamiento (Saunders et al. 1991, Fischer y Lindenmayer
2007). Las consecuencias de la fragmentación involucran aspectos demográficos y
genéticos en las poblaciones de plantas (Lande 1988, Schemske et al. 1994, Álvarez-Buylla
et al. 1996, Bennet 2003) reduciendo su tamaño e incrementando el aislamiento espacial
(Fischer y Lindenmayer 2007). Por otro lado, la degradación del hábitat se traduce como un
paulatino deterioro de su calidad y conlleva a que una especie se vea disminuida en número
o sea incapaz de crecer o reproducirse, dado que las poblaciones pequeñas y aisladas
tienden a manifestar depresión endogámica (Barrett y Kohn 1991, Ellstrand y Elam 1993).
Así mismo se altera de manera importante la dinámica poblacional (Laurance et al. 1998)
debido a cambios significativos en las características ambientales como: la luminosidad, la
humedad atmosférica y la humedad del suelo (Laurance y Williamson 2001).
25
Uno de los ecosistemas que más ha sufrido la fragmentación y la pérdida de hábitat es el
bosque mesófilo de montaña, donde crece C. mexicana (Acosta 2004). Este ecosistema
contiene aproximadamente el 10% de la riqueza florística de México en una superficie
cercana al 1% del territorio nacional. Por lo tanto, es el más diverso por unidad de
superficie que cualquier otro de la república (Rzedowski 1996).
El factor principal de perturbación del hábitat de C. mexicana en Coacoatzintla, Veracruz,
uno de los sitios con mayor densidad de individuos, es el cambio de uso del suelo
impulsado por una rápida expansión de la actividad ganadera. Recientemente se ha
detectado una creciente herbivoría en C. mexicana causada por la fase larvaria de un
lepidóptero del género Eumaeus (Figura 2). El crecimiento continuo de la frontera
agropecuaria del municipio involucra la tala inmoderada con la consecuente fragmentación
del bosque.
Figura 2. Fase larvaria y adulto de Eumaeus sp. sobre el follaje de Ceratozamia mexicana
en Coacoatzintla, Veracruz. Fotos tomadas por A. Rivera
26
1.2.3 Demografía.
Los análisis demográficos están orientados al estudio de la estructura y la dinámica de
poblaciones biológicas con el propósito de caracterizar sus cambios en términos de
nacimientos, muertes y transiciones entre diferentes estados, tamaños o edades (Begon
2006). Las matrices de proyección constituyen una de las más útiles y poderosas
herramientas en los estudios demográficos (Caswell 2001). En la actualidad son los
modelos dominantes en la demografía de plantas debido a que son relativamente sencillas
de aplicar, permiten ordenar datos complejos de una manera estructurada y manejable
analíticamente, proporcionan numerosos parámetros con significado biológico directo,
permiten hacer frente a preguntas generales o específicas, experimentales y teóricas en el
ámbito ecológico y evolutivo y producen resultados uniformes, permitiendo comparaciones
directas entre los resultados de diferentes estudios (Salguero-Gómez y de Kroon 2010).
Las matrices de transición por estados (Lefkovitch 1965) se adaptan fácilmente para
modelar la dinámica poblacional de plantas; en algunos casos, el tamaño o estado de
desarrollo son determinantes más importantes del comportamiento demográfico que la edad
cronológica (Kohyama 1993, Condit et al.1998). Estos modelos matriciales constituyen una
herramienta óptima para describir la historia de vida de una especie, analizar la persistencia
de una población y comparar la dinámica entre diferentes poblaciones (Silvertown et al.
1993, Caswell 2001). En este campo, la mayor parte de las hipótesis se ha centrado en
analizar si los sistemas biológicos están o no en equilibrio (MacArthur y Wilson 1967,
Connell 1978, Muller-Landau et al. 2006, Coomes y Allen 2007), fundamentos que
27
permiten determinar el potencial de uso y aprovechamiento de recursos naturales en
bosques húmedos tropicales, para un manejo sustentable (Svenning y Balslev 1997).
El modelo general de la matriz es Nt+1=P • Nt, donde N representa la población del vector
de estado, cuyos elementos son el número de individuos de una determinada categoría de
crecimiento, y P es una matriz cuadrada no negativa de las tasas vitales. Para una t grande,
las proporciones de individuos en diferentes etapas será constante, y la población crecerá
exponencialmente a una tasa finita constante (λ), que es el mayor autovalor valor positivo
de P (Caswell 2001). Por lo tanto, λ<1 implica que la población disminuye
exponencialmente hacia la extinción. Si λ > 1 indica que la población aumenta y cuando λ
= 1 indica estabilidad de la población. A partir de estos modelos es posible derivar
sensibilidades y elasticidades de λ con respecto a cualquiera de las entradas de la matriz.
Las elasticidades son recomendadas debido a que miden la sensitividad relativa y se puede
comparar entre poblaciones y especies (de Kroon et al. 1986).
1.2.4 Genética de poblaciones.
La genética de poblaciones es la disciplina biológica que contribuye a los principios
teóricos de la evolución. Para lo cual se parte del supuesto de que los cambios evolutivos a
pequeña escala, dentro de las poblaciones, contienen todos los elementos necesarios para
explicar toda la evolución. Casi todas las especies comprenden una o más poblaciones de
individuos que se cruzan entre sí, formando una comunidad de intercambio genético
denominada población mendeliana. La genética de poblaciones es también el estudio de los
cambios en las frecuencias génicas y, como tal, se relaciona estrechamente con la genética
28
evolutiva porque la evolución depende, en gran medida, de los cambios en las frecuencias
génicas (De Vicente et al. 2004).
Desde un punto de vista genético, la evolución es el cambio en las frecuencias alélicas en
una población en el tiempo. Charles Darwin describió la evolución como el resultado de la
selección natural sobre las poblaciones. El argumentó que los organismos varían y se
reproducen y que dichos cambios son trasmitidos a las siguientes generaciones, y en
consecuencia las poblaciones evolucionan. Es decir, aquellos individuos con características
más favorables para la supervivencia y la reproducción no sólo tendrán más descendencia,
sino que heredarán sus características a sus descendientes. El resultado será un cambio en
las características de la población (Feria y Nieto 2003, Hartl y Clark 2007).
En los años 1920 y 1930, los genetistas Wright, Fisher y Haldane, propusieron los modelos
algebraicos para describir los procesos evolutivos. La unión de las teorías darwiniana y la
de genética de poblaciones que se ha llamado el neo-darwinismo. En 1908, Hardy y
Weinberg descubrieron que el equilibrio genético simple se produce en una población si
esta es grande, tiene el apareamiento al azar, y tiene efectos insignificantes de la mutación,
la migración, y la selección natural. Este equilibrio proporciona a los genetistas de
poblaciones un modelo para la comparación de las poblaciones para “cuantificar” la
evolución (Hedrick 2011).
1.2.5 Diversidad genética
Las poblaciones naturales y domesticadas de especies forestales longevas se caracterizan
por sus elevados niveles de variabilidad genética, causados por mutaciones y
29
recombinaciones. Pero esta variabilidad puede verse afectada por los procesos que
conducen a la erosión y la deriva genética (Beja-Pereira y Ferrand 2005).
La fragmentación y pérdida del hábitat disminuye el tamaño de las poblaciones y su
diversidad genética; favorece el aislamiento y la vulnerabilidad de las poblaciones a
eventos ambientales, demográficos y genéticos. La diversidad genética, por lo tanto, es
fundamental para la conservación de las especies pues actúa como amortiguadora ante la
estocasticidad ambiental y permite la adaptación, evolución y supervivencia de las
poblaciones (Rajora y Mosseller 2001). El concepto de diversidad genética se refiere a
todas aquellas variaciones heredables que ocurren en cada organismo, entre los individuos
de una población y entre las poblaciones dentro de una especie. Por lo que su conocimiento
y comprensión es importante para la conservación y la genética evolutiva (Piñero et al.
2008).
La diversidad genética al igual que la diversidad biológica, se ve afectada por la
destrucción de hábitats por actividades antrópicas, cambio climático, sobreexplotación e
introducción de especies exóticas (Lande 1988). Por lo tanto, la distribución de la
diversidad genética entre y dentro de poblaciones es influenciada por la interacción de su
forma de reproducción y diversos fenómenos ecológicos. La estructura genética es
generada por la dispersión, sobrevivencia y reproducción de individuos en la población a
través del tiempo; una apreciación de la genética evolutiva de una especie debe tomar en
cuenta no solamente los eventos genéticos como la fecundación y el sistema de
apareamiento, sino también las características ecológicas e historia de vida y la influencia
de la dinámica ecológica y evolutiva de la población (Loveless et al. 1998).
30
El sistema de reproducción de las plantas y los mecanismos de dispersión de polen y
semillas son fundamentales en la distribución de la variación genética (Hamrick 1983,
Hamrick y Loveless 1986).
Los análisis de diversidad genética pueden incluir lo siguiente:
1. La descripción de la diversidad. Dentro de una población, entre poblaciones y en zonas o
regiones. 2. La estimación de las distancias (geométrica o genética) entre todos los pares de
clases analizadas en el estudio. 3. La expresión de estas relaciones con un método de
ordenación y/o clasificación disponible. Algunos de estos métodos permitirán comparar los
resultados con otros tipos de datos, como los geográficos (De Vicente 2004).
La presencia o carencia de la variabilidad genética es explorada en la actualidad por los
marcadores moleculares a través de los polimorfismos expresados en los geles. Estos
polimorfismos genéticos permiten calcular las frecuencias alélicas y genotípicas.
El conocimiento de la variación genética dentro y entre poblaciones es esencial para el
establecimiento de prácticas de conservación en plantas amenazadas. Varios aspectos de la
biología de la conservación, como la pérdida de diversidad genética y restauración de las
poblaciones, sólo pueden ser abordadas por estudios detallados de genética poblacional
(Hamrick y Godt 1996).
Los estudios de diversidad genética en cícadas, como es el caso de C. mexicana, son
relevantes en términos de conservación, debido a que se encuentran en un estatus de
amenazadas y en peligro de extinción (Donaldson et al. 2003). Pese a ello, no se tienen
actualmente suficientes estudios sobre genética poblacional. Entre los estudios reportados,
31
destacan los realizados en Dioon (González-Astorga et al. 2003, 2005, 2009, Octavio-
Aguilar et al. 2008, 2009, Cabrera-Toledo et al. 2008), Zamia (González-Astorga et al.
2006) y Microcycas (Pinares et al. 2009).
Los estudios genético-poblacionales efectuados en diversas especies de Dioon han
mostrado valores elevados comparados con otras especies endémicas y con distribución
restringida (González-Astorga et al. 2003). De igual forma los valores de diferenciación
genética promedio encontrados para este género han variado cuando se comparan con otras
cícadas. Esto puede estar determinado por la alta especificidad de polinizadores, el
aislamiento genético por distancia (González-Astorga et al. 2003), el efecto reciente de
cuellos de botella (González-Astorga et al. 2005), así como la fragmentación diferencial
tanto natural como antropogénica que han sufrido estas poblaciones (Piñero et al. 2008)
En el género Ceratozamia se ha detectado, mediante marcadores AFLPs, una leve variación
dentro de la especie así como una baja correlación entre las distancias genéticas y las
geográficas (De Castro et al. 2006). Con el uso de regiones no codificantes de cloroplastos
y genomas nucleares (ITS y trnL-F) se ha encontrado que existe una baja variación entre las
especies de Ceratozamia (González y Vovides 2002). Los datos moleculares sugieren que
el aislamiento y especiación del género es relativamente reciente porque las secuencias de
DNA muestran bajos niveles de divergencia (Vovides et al. 2004). Sin embargo, no se
cuenta en C. mexicana con un estudio sobre su diversidad genética que permita asociarlo a
planes de manejo y estrategias de conservación, que mantengan y preserven su diversidad
(Pérez-Farrera et al. 2006). Se requiere para ello del conocimiento de patrones ecológicos
en ambientes diferentes como densidad de población, distribución espacial, estructura
32
poblacional, edad, fecundidad entre otros comprendidos en los estudios demográficos.
(Sánchez-Velásquez et al. 2002, Quintana-Ascencio et al. 2003, Picó y Quintana-Ascencio
2005). La complementariedad de estudios demográficos y genéticos proporcionará una
herramienta de gran valía en la puesta en marcha de acciones de protección de los recursos
naturales.
1.2.6 Estructura genética a escala fina.
El nivel y la organización espacial de la diversidad genética dentro de las poblaciones es el
resultado del proceso evolutivo que incluye tanto factores genéticos como demográficos. El
sistema de apareamiento, la dispersión de polen y semillas, la migración genética entre
poblaciones, la selección natural, así como la posición espacial de los individuos, la
mortalidad denso-dependiente y las variaciones anuales del esfuerzo reproductivo,
interactúan para crear y modificar el nivel de diversidad dentro de una población y su
estructura genética espacial (Sagnard et al. 2011). La estructura demográfica puede ser
estable, con persistencia de las poblaciones locales en cada área de forma continua durante
largos períodos, o inestables, con los grandes cambios demográficos que ocurren con
frecuencia en la historia evolutiva de una especie (Slatkin 1987).
La estructuración de la variabilidad genética en poblaciones naturales y la relación espacial
de los individuos a nivel poblacional es de interés para la biología evolutiva y de la
conservación. Éstas pueden dar indicios tanto del pasado como del potencial evolutivo de
las especies (Hanski y Gilpin 1997), señalando problemas de baja variabilidad genética que
limitan la respuesta a cambios en el ambiente (Lande 1988, Lande y Shannon 1996), o que
33
son el resultado de reducciones históricas en el tamaño poblacional (Frankham 1995,
Luikart et al. 1998). En general y al igual que en la fragmentación del hábitat, la
estructuración genético-espacial conduce a que la mayoría de las especies presenten una
organización en grupos poblacionales locales con alto grado de aislamiento (Gaggiotti y
Hanski 2004), llevando muchas veces a la pérdida de variación genética en la población.
La estructura genética dentro de las poblaciones es generada por límites de las distancias de
dispersión de padres a hijos; es decir, bajo un modelo de aislamiento por distancia, en
donde la probabilidad de flujo génico disminuye al incrementarse la distancia espacial
(Aguirre 2007, Epperson 2007). El aislamiento por distancia despliega correlaciones
genéticas espaciales que son relativamente grandes para pares de individuos adyacentes o
cercanos y generalmente disminuye paulatinamente cuando la distancia de separación
aumenta (Epperson 2007).
1.2.7 Los Marcadores moleculares en el análisis de la diversidad genética
El uso de marcadores moleculares ha impulsado fuertemente la dinámica de los estudios de
ecología, evolución y diversidad genética; son herramientas que permiten obtener una
detallada descripción de genes, individuos o poblaciones, prácticamente sin interferencia
(Bachmann 1994). Los marcadores moleculares detectan polimorfismos en la secuencia del
ADN del núcleo, mitocondria o cloroplasto. Existen diferentes tipos de estos marcadores y
se distinguen por su capacidad de detectar polimorfismos en loci únicos o múltiples y son
de tipo dominante o codominante (Parker et al. 1998).
34
Los análisis genéticos basados en frecuencias alélicas han dominado con mucho las
aplicaciones de marcadores moleculares en ecología y conservación. Estos datos permiten
diferenciar genéticamente la composición de distintas poblaciones de una especie y
describir el nivel de diferenciación a través de índices de distancia o de fijación (Godoy
2009). Existe un consenso entre los investigadores de que estos estudios han aportado
grandes contribuciones a la comprensión de la dinámica de la biodiversidad en el tiempo y
el espacio (Francisco-Ortega 2004).
La diversidad genética puede medirse a través de marcadores morfológicos, pero estos son
influenciados por el ambiente y son numéricamente limitados (De Vicente y Fulton 2003).
Otros marcadores de gran utilidad en estudios de diversidad genética, han sido los
bioquímicos; aunque también son afectados por el ambiente y el tejido vegetal. Así mismo,
son relativamente limitados los sistemas enzimáticos polimórficos (Faleiro 2007).
El uso de marcadores moleculares en cícadas ha sido extenso y con diferentes fines. La
aplicación de estos marcadores ha sido para estudios filogenéticos principalmente, y para el
análisis de la diversidad genética en cícadas han sido escasos. Una compilación de los
principales análisis moleculares en estas plantas es presentada en la Tabla 1. En esta se
pueden observar los más utilizados recientemente.
35
Tabla 1. Marcadores genéticos usados para el análisis de la variación genética en cícadas
Marcador Iniciadores Referencia
Alozimas
12-19 loci 6PGD, PGM, MDH, GDH,
IDH
Byrne y James 1991
González-Astorga et al. 2003
Sharma et al. 2004
González-Astorga et al. 2005
González-Astorga et al. 2006
Nguyen et al. 2006
Keppel et al. 2008
Pinares et al. 2009
Octavio-Aguilar et al. 2009
Cabrera-Toledo et al. 2010
AFLP
Shuguang et al. 2006
ITS
trnL-F cpDNA ITS 1,2,3,4
c, e, f González y Vovides 2002
ISSR 11 iniciadores UBC 807-857
10 iniciadores UBC
Xiao et al. 2004
Xie et al. 2004
Xiao et al. 2005
Wang et al. 2006
Xiao y Gong 2006
RAPDS 8 Primers OPA, OPB, OPJ Chaiprasongsuk et al. 2007
DNA repetitivo 8 microsatélites Min et al. 2009
EST-STR´s 14 EST microsatélites Cibrián-Jaramillo et al. 2010
Los ISSRs son marcadores semiarbitrarios amplificados por la reacción en cadena de la
polimerasa (PCR) a partir de la presencia de un oligonucleótido o iniciador complementario
a un microsatélite (Kantety et al. 1995). Estos iniciadores, están diseñados para unirse a
trinucleótidos (evitando los mononucleótidos presentes en el cloroplasto). Los iniciadores
de ISSRs incluyen una secuencia repetida y un par de bases arbitrario en el extremo 3’,
utilizando un primer a la vez por reacción de amplificación. Estas repeticiones sucesivas de
36
secuencias simples como (CT)n ó (CA)n, se encuentran ubicadas entre secuencias no
repetitivas del genoma nuclear eucarionte (González y Aguirre, 2007).
Cuando dos secuencias repetidas se presentan dentro de una distancia amplificable y con
una orientación invertida, el decanucleótido complementario puede inducir la amplificación
del segmento de DNA intermedio. La molécula generada, con un tamaño particular, se
considera un “locus”, que representa el segmento de DNA entre los microsatélites. Al
analizar electroforéticamente una muestra se genera un patrón característico de productos
de PCR de un individuo que se considera una “huella digital genética”. El polimorfismo
entre individuos de la misma población puede detectarse, ya que el análisis es sensible a la
presencia/ausencia del elemento genómico reconocido por el iniciador y a la longitud de la
secuencia intermedia amplificada (Zietkiewicz et al. 1994).
La aplicación de ISSR´s, en el estudio de la diversidad genética, en cícadas se ha efectuado
en: Cycas guizhouensis (Xiao et al. 2004), C. debaoensis (Xie y Liu 2004), C. fairylakea
(Wang et al. 2006), C. balansae, C. parvula, C. shiwandashanica y C. tanqingii y C.
simplicipinna (Xiao et al. 2006).
1.2.8 Preguntas de investigación.
¿Es diferente la estructura poblacional de C. mexicana en ambientes contrastantes?
¿Contribuye el disturbio en los diferentes parámetros poblacionales tales como la tasa finita
de crecimiento poblacional, la elasticidad y la LTRE?
¿El disturbio disminuye la diversidad genética de C. mexicana?
37
1.2.9 Hipótesis
Si los disturbios son determinantes en la estructura y dinámica de las poblaciones, esperamos
que haya diferencias significativas entre los atributos poblacionales de Ceratozamia
mexicana entre los sitios con y sin disturbio, en Coacoatzintla, Veracruz.
Si la modificación del hábitat ha sido relativamente reciente, las poblaciones de Ceratozamia
mexicana en Coacoatzintla, Veracruz, ubicadas en condiciones contrastantes de disturbio
tendrán similares niveles de diversidad genética.
1.2.10 Objetivo General
Evaluar la dinámica poblacional de C. mexicana Brongn. así como la diversidad genética de
dos poblaciones bajo condiciones contrastantes (con y sin disturbio) con el fin de identificar
el estatus en que se encuentra la especie
1.2.11 Objetivos particulares
1. Describir y comparar la dinámica poblacional de C. mexicana bajo dos condiciones
contrastantes de disturbio durante un período de 3 años.
2. Identificar la contribución relativa de cada etapa del ciclo vital en la tasa de
crecimiento poblacional bajo dos condiciones de disturbio.
3. Determinar los niveles y patrones de la variación genética en la población de C.
mexicana bajo dos ambientes contrastantes.
4. Efectuar un diagnóstico del estado de conservación de la población de C. mexicana con
base en sus parámetros demográficos y sus indicadores de diversidad
1.2.12 Sitio de estudio.
El estudio se efectuó en la zona montañosa central del Estado, denominado Sierra de
Chiconquiaco en las inmediaciones de la Sierra Madre Oriental; comprendió dos
localidades del municipio de Coacoatzintla, Ver. Ambos sitios tuvieron tanto laderas
38
escarpadas y lomeríos de basalto, comunes en la región. La primer localidad estuvo
ubicada a menos de 1 Km líneal a la cabecera municipal y la segunda en la comunidad de
Tlachinola, a 2.6 km. La distancia entre sitios es de 3.1 Km. Este municipio se caracteriza
por poseer un clima templado-húmedo (Cfw), con una temperatura media anual de 18ºC y
una precipitación media anual es de 1,780 milímetros con lluvias todo el año, aunque con
una distribución muy irregular. El período seco (menos de 50 mm) se inicia en noviembre y
se prolonga hasta el mes de mayo. Los suelos son andosoles someros que comúnmente
están asociados con roca basáltica. El uso del suelo es dedicado en gran medida a pastizal
(57%) y a bosque (36%) (INEGI 2009).
El tipo de vegetación del sitio corresponde al bosque mesófilo de montaña, probablemente
el ecosistema más amenazado en el país (Challenger 1998). Dada su extensión, este tipo de
vegetación no cubre menos del 1% de la superficie del país (Rzedowski 1996). En este tipo
de vegetación, el dosel de la mayoría de los árboles son especies caducifolias típicas de
climas templados, mientras que en el sotobosque pueden predominar especies perennifolias
de origen tropical (Challenger 2003). Se considera que aproximadamente un 50% de la
superficie original de este ecosistema ha sido reemplazada por otros tipos de cobertura
(Challenger, 1998). Dentro de las especies de clima templado más comunes son: Quercus
spp., Alnus jorullensis y Clethra mexicana; y Ficus sp., Lysiloma divaricata, Trophis
racemosa, dentro de las de clima tropical. También se localizan otras especies de las
familias Piperaceae, Bromeliaceae y Orchidaceae entre otras (Alejandre et al 1990).
El estudio se llevó a cabo en una población de C. mexicana con dos subpoblaciones con
diferente grado de disturbio. El clima de la región es templado húmedo con una
39
temperatura media anual de 18 °C y una precipitación de 1780 mm (INEGI 2009). El sitio
conservado tiene un área aproximada de 4 ha con accesos restringido, el sitio con disturbio
tiene un área similar y se encuentra inmerso en un potrero.
Figura 3. Localización geográfica del área de estudio en el estado de Veracruz
No obstante la importancia de las cícadas como grupo, existen pocos estudios que integran
aspectos demográficos y genéticos en estas plantas. Hasta la fecha se han publicado sólo
una veintena de estudios (Piñero et al. 2008). En particular, aunque C. mexicana mantiene
un estatus de amenazada, prácticamente no existen estudios demográficos o genéticos para
esta especie (NOM-059-SEMARNAT 2010).
40
1.3 Bibliografía.
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51
CAPÍTULO II. ESTRUCTURA POBLACIONAL Y DISTRIBUCIÓN ESPACIAL
DE Ceratozamia mexicana BRONGN. (ZAMIACEAE) EN AMBIENTES
CONSERVADO Y PERTURBADO.
52
POPULATION STRUCTURE AND SPATIAL DISTRIBUTION OF Ceratozamia
mexicana BRONGN. (ZAMIACEAE) IN AN PRESERVED AND DISTURBED
ENVIRONMENT
Andrés Rivera-Fernández1, Pablo Octavio-Aguilar
2,
Nadia G. Sánchez-Coello3,
Lázaro R. Sánchez-Velásquez3, Santiago M. Vázquez-Torres
4, Lourdes G. Iglesias-
Andreu3*,
1Facultad de Ciencias Agrícolas-Xalapa, Universidad Veracruzana, Circuito Gonzalo
Aguirre Beltrán s/n Zona Universitaria C.P. 91090 Xalapa, Veracruz, México.
2Instituto Tecnológico de Ciudad Victoria, Boulevard E. Portes Gil No. 1301 poniente,
C.P.87010, Cd. Victoria, Tamaulipas, México. [email protected]
3Instituto de Biotecnología y Ecología Aplicada, Universidad Veracruzana, Av. de las
Culturas Veracruzanas No.101 Col. E. Zapata C.P. 91090 Xalapa, Veracruz, México.
4Centro de Investigaciones Tropicales, Universidad Veracruzana, Ex-Hacienda Lucas
Martín Privada de Araucarias s/n Col. Periodistas, C.P. 91019, Xalapa, Veracruz, México.
*Autor de correspondencia: e-mail: [email protected]
53
2.1 RESUMEN
Las poblaciones son afectadas tanto por factores bióticos como abióticos que influyen en
los procesos de regeneración poblacional. El objetivo de este trabajo es conocer la
distribución y estructura poblacional de Ceratozamia mexicana bajo dos condiciones
ambientales (perturbado vs. conservado) utilizando ocho parcelas permanentes de 25 m2
(5
x 5m) dentro de cada sitio. Se determinó la estructura y distribución espacial de los sitios.
Los métodos incluyeron análisis de varianza, índices de distribución espacial además de
factores edáficos y climáticos determinados por métodos convencionales para su
comparación. El sitio conservado mostró una estructura demográfica de “J” invertida,
mientras que el perturbado varió ligeramente con una distribución más discontinua. La
densidad poblacional fue de 0.78 individuos/m2 para el sitio conservado, y en el perturbado
fue de 0.26 individuos/m2. La distribución espacial para todas las fases de desarrollo de la
planta fue aleatoria, con excepción de la etapa de plántula, que fue agregada. Estos
resultados muestran que la perturbación disminuye la densidad de las plantas además de
eliminar individuos reproductivos, situación que pone en riesgo la persistencia de la
población.
Palabras Clave: distribución espacial; perturbación; cícadas; estructura sexual.
2.2 SUMMARY
The populations are affected by biotic and abiotic factors, which influence the regeneration
process. The aim of this study was to determine the distribution and population structure of
Ceratozamia mexicana under two environmental conditions (disturbed vs. conserved) using
eight plots of 25 m2 (5 x 5 m) within each site. It was determined the structure and spatial
distribution of the sites. The methods included analysis of variance, spatial indexes besides
climatic and soil factors determined by conventional methods to be compared. Conserved
site showed a population structure of a reverse "J", while the disturbed varied slightly with
a discontinuous distribution. Population density was 0.78 individuals/m2 for the conserved
site, whereas in the disturbed was 0.26 individuals/m2. The spatial distribution for all stages
of plant development was random, with the exception of the seedling stage which was
cluster. These results show that the perturbation decreases the density of plants in addition
to removing reproductive individuals, a situation that threatens the persistence of the
population.
Key words: spatial distribution; perturbation; cycads; sexual structure.
54
2.3 INTRODUCCIÓN
México es uno de los países con mayor diversidad de cícadas, plantas longevas
consideradas como fósiles vivientes. Cuenta con 54 especies de las 326 conocidas a nivel
mundial. De los géneros Ceratozamia, Dioon y Zamia, el primero es el más importante en
el país por número de especies (25), seguido de Zamia (16) y Dioon (13) (Haynes, 2011).
Ceratozamia mexicana Brongn., es endémica de México (Chamberlain, 1919; Sánchez-
Tinoco et al., 2000; Whitelock, 2002), amenazada por el comercio, la extracción ilegal y la
destrucción de su hábitat (Vovides et al., 1997; Sánchez-Tinoco et al., 2000; Diario Oficial
de la Federación, 2010). La lista roja de la Unión Internacional para la Conservación de la
Naturaleza la registra como vulnerable y con poblaciones decrecientes (Vázquez et al.,
2010).
Las perturbaciones alteran la estructura de los ecosistemas, cambiando la disposición de los
recursos y el medio físico (White y Walker, 1997). La fragmentación ejerce una presión de
selección particular sobre las categorías menos adaptadas, consecuentemente, induce
cambios demográficos que incrementan el riesgo de extinción de las poblaciones (Barrett y
Kohn, 1991). Existe bastante información científica que muestra la relación entre la pérdida
de hábitat, la disminución drástica de las poblaciones y la fragmentación de la vegetación
(González y Hamrick, 2005).
El impacto de la perturbación puede ser estimado a partir de diversos indicadores
(Tomimatsu y Ohara, 2003) tales como la estructura de edades y sexos, ya que estos pueden
considerarse como mediciones integradoras y con buena representatividad (INE, 2003); así
como los patrones de agregación espacial, ya que estos se ven afectados drásticamente por
las presiones antrópicas (Clark y Clark, 1987; Yamada y Suzuki, 1997; Dias y Nunes-
55
Freitas, 2004) además de múltiples factores ambientales como el clima, el suelo, el relieve,
la geología y factores bióticos como dispersores y depredadores (Caldato et al., 2002). La
mayoría de las plantas del sotobosque en los bosques tropicales, como es el caso de Zamia
skinneri, se ven afectadas por los cambios en la disponibilidad de luz (Clark y Clark, 1987),
por lo tanto, cualquier alteración en las características del dosel afecta la germinación, la
tasa de crecimiento y supervivencia de las plantas (Brienen y Zuidema 2006).
Los árboles tropicales y subtropicales se distribuyen de manera agregada (Hubbell, 1979;
Sakai y Oden, 1983; Martínez-Ramos y Álvarez-Buylla, 1995) de igual manera las especies
de estadios iniciales de sucesión y de hábitats fragmentados (Nasi, 1993). Este patrón está
asociado a una baja dispersión y a una alta mortalidad denso dependiente en las etapas
tempranas, probablemente por favorecer las condiciones que atraen a patógenos y plagas
(Janzen, 1970). Aunque de manera contraria pueda existir un efecto de facilitación entre las
plántulas y la planta madre (Howe, 1989). Solo pocas plantas, las mejor adaptadas, llegan a
transitar a etapas posteriores. Aunque la alta mortalidad por factores ambientales podría
favorecer la supervivencia de aquellas plantas establecidas en mejores condiciones y no
necesariamente aquellas con mayor adecuación. En este caso el patrón de agregación
espacial en etapas posteriores sería denso independiente, favorecido por la mortalidad
compensatoria de plantas agregadas alrededor de la madre (Janzen, 1970; Connell, 1971),
dando lugar a distribuciones dispersas o uniformes.
Los estudios sobre la densidad y la estructura poblacional en áreas perturbadas,
principalmente en especies amenazadas, proporcionan información básica para analizar su
persistencia a largo plazo y para la toma de decisiones en la aplicación de técnicas de
manejo y conservación (Terra et al., 2001; Álvarez-Yépiz et al., 2011). En este contexto,
56
las poblaciones de cícadas son frecuentemente escasas y con distribuciones espaciales
agregadas en amplitudes ambientales restringidas (Ornduff, 1985; Norstog y Nicholls
1997). Tal es el caso de Dioon edule (Octavio-Aguilar et al., 2008), D. merolae (Lázaro-
Zermeño et al., 2011), Ceratozamia matudae (Pérez-Farrera et al., 2000; Pérez-Farrera y
Vovides, 2004), C. mirandae y Zamia soconuscensis (Pérez-Farrera et al., 2006).
Con base en lo anterior se plantearon los siguientes objetivos para el presente trabajo: 1)
Conocer la estructura poblacional de C. mexicana bajo dos condiciones contrastantes (con y
sin disturbio), y 2) Determinar si la estructura sexual, la densidad poblacional y la
distribución espacial de C. mexicana son modificadas por efectos de la perturbación como
los cambios en la luminosidad y en la humedad del suelo.
2.4 MATERIALES Y MÉTODOS
El estudio se llevó a cabo en una población de C. mexicana, en un área conservada y otra
perturbada, en la localidad de Coacoatzintla, Veracruz (19°39’14” N y 96°56’30” O) a una
altitud de 1460 msnm. El clima es templado húmedo con temperatura media anual de 18 °C
y precipitación media anual de 1780 mm (INEGI, 2006). El sitio conservado tiene un área
aproximada de 4 ha con acceso restringido; el sitio con disturbio tiene un área similar y se
encuentra inmerso en dos potreros.
Datos de campo
El estudio se inició en febrero de 2009 y concluyó en septiembre de 2010, ya que en esos
meses se pueden encontrar estróbilos masculinos y femeninos maduros (Sánchez-Tinoco et
al., 2000). El sexo de los individuos se determinó por la presencia de los estróbilos o por la
base persistente de los mismos del ciclo anterior. Con esta información se estimó la
57
proporción sexual poblacional. Debido a la naturaleza hipogea de la planta, se determinó
utilizar el perímetro del tronco como una medida correlacionada con los atributos de vida
de la especie. En cada parcela se registraron y etiquetaron todas las plantas y se clasificaron
con base en su etapa de crecimiento para determinar la estructura poblacional de cada uno
de los sitios:
1. Plántulas: se contabilizaron todos los individuos que presentaban una o dos hojas
con seis folíolos o menos y estaban unidas a la semilla.
2. Juveniles: todas aquellas plantas con más de seis foliolos y con una circunferencia
menor a 34 cm, talla correspondiente al primer evento reproductivo registrado.
3. Adultos reproductivos: individuos con estructuras reproductivas o vestigios de las
mismas. El más pequeño tenía un tallo con 34 cm de perímetro.
4. Adultos no reproductivos: individuos mayores de 34 cm de perímetro pero sin
estructuras reproductivas o vestigios visibles de las mismas.
Sitio conservado
Este sitio se encuentra inmerso en un manchón conservado de bosque mesófilo de montaña,
con una pendiente promedio mayor a 60°, lo que dificulta el acceso de ganado bovino y
personas. Se seleccionaron mediante un muestreo sistemático ocho parcelas permanentes de
25 m2
(5x5 m) con una superficie total de 200 m2. Las parcelas se ubicaron a lo largo de un
gradiente altitudinal en 1550 hasta 1700 msnm; alejadas a más de 250 m de cualquier
construcción y/o camino. Es un predio particular cercado, lo que garantiza aún más la
restricción del acceso.
58
Sitio con perturbación
El estudio se centró en dos potreros con presencia de remanentes de vegetación dentro de
los cuales se localizó a C. mexicana; para estos casos las parcelas no fueron aleatorizadas,
sino que el muestreo fue dirigido y se eligieron exclusivamente las zonas donde se
presentaba la planta, ya que no había una continuidad de la vegetación. La pendiente de
este sitio es variable con un máximo de 30°. De igual manera se localizaron ocho parcelas
de 25 m2 para facilitar el contraste con el sitio conservado.
Índices de perturbación
El impacto de la perturbación fue medido a partir de tres indicadores: la cobertura del dosel,
la humedad y la profundidad del suelo. La medición de la cobertura del dosel fue realizada
con un densiómetro esférico de 24 cuadros (Forestry Suppliers) para medir la cantidad de
luz que penetra el dosel. En cada parcela se realizaron cuatro lecturas en cada punto
cardinal y una en el centro con lo que se obtuvo un promedio por parcela. Los valores de
porcentaje de luminosidad por parcela en cada sitio fueron comparados después de la
transformación por el arco seno de la √x.
La humedad del suelo fue calculada para cada parcela mediante la extracción de 1 kg de
este a una profundidad de 0-20 cm en los cuatro puntos cardinales y en el centro de la
misma. El método de determinación fue gravimétrico por pesaje de cada muestra y secado
en estufa hasta peso constante.
Se determinaron por parcela, las variables edafológicas: contenido de humedad, pH,
materia orgánica, nitrógeno, fósforo, potasio, calcio y magnesio (Diario Oficial de la
59
Federación, 2002). Para estas medidas se tomaron cinco muestras de 1 kg por cuadrante,
que se mezclaron para tomar finalmente 1 kg de la mezcla para el análisis.
Con los datos obtenidos se realizó un análisis múltiple de Kruskal-Wallis para muestras
independientes, debido a que los datos no correspondían con una distribución normal, y
posteriormente correlaciones múltiples de Spearman con una corrección de Bonferroni para
conocer si existía una relación entre las variables del suelo y la proporción de sexos.
Para el caso de la profundidad de suelo, se efectuaron perfiles de suelo en cada parcela
donde se midió la profundidad del mismo. Los valores registrados para estas dos últimas
variables fueron comparados bajo un diseño experimental completamente aleatorizado.
Densidad poblacional
Cada individuo fue mapeado dentro de los cuadrantes utilizando un GPS. Con estas
referencias se calcularon las distancias en metros entre individuos. Usando la matriz de
distancias euclidianas, se determinó si existía una relación espacial significativa entre los
sexos a través de un análisis de varianza, y pruebas de t para la comparación de promedios
de las distancias entre individuos masculinos y femeninos.
La densidad poblacional se calculó con base en el número promedio de plantas por parcela
(juveniles y adultos en 25 m2) en cada sitio. La comparación de los valores encontrados de
número de individuos por parcela, se realizó mediante parcelas pareadas de Wilcoxon
mediante el programa InfoStat.
60
Distribución espacial
Se determinó la distribución espacial de C. mexicana mediante el índice de Morisita (1959).
Cuando este índice de agregación es igual a 1, la distribución es al azar, si es mayor que 1,
agregada, y si es menor que 1 será uniforme.
2.5 RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Estructura poblacional
Con base en las categorías por edad y considerando las ocho parcelas para el sitio
conservado se contabilizaron: 183 plántulas, 102 juveniles, 21 adultos no reproductivos y
33 adultos reproductivos, de los cuales 21 fueron masculinos y 12 femeninos. El sitio
perturbado estuvo constituido por 48 plántulas, 18 juveniles, 20 adultos no reproductivos y
14 adultos reproductivos, de los cuales 7 individuos fueron masculinos y 7 femeninos.
La estructura de las poblaciones conservada y perturbada por cada categoría de desarrollo
puede observarse en la Figura 1. Esta estructura corresponde a la curva tipo I de acuerdo
con Bongers et al., (1988), donde se encuentra una elevada frecuencia de plántulas y
juveniles y una reducción en las frecuencias de los adultos. Esta estructura también es
conocida como “J” invertida o curva Deevey tipo-III (Vovides et al., 2004).
61
Figura 1. Distribución de individuos (en 200 m2) de Ceratozamia mexicana por categoría
de tamaño en dos sitios contrastantes (conservado y perturbado).
Es decir, ocurre una importante mortandad inicial de individuos que disminuye conforme
transcurren las etapas de desarrollo. Esta alta mortalidad de las categorías tempranas es
coincidente con lo señalado por Silvertown et al. (1995) para las especies forestales de
larga vida en bosques tropicales. En estudios previos con otras especies de cícadas, se han
encontrado respuestas similares (Octavio-Aguilar et al., 2008; Octavio-Aguilar et al.,
2009), donde se observa una alta densidad de plántulas pero el número decae en etapas
posteriores.
La comparación de la distribución de etapas de desarrollo de las plantas en los sitios,
conservado y perturbado, arrojó diferencias altamente significativas (p ≤ 0.0001), donde en
este último existe una drástica disminución de individuos en cada categoría, con excepción
62
en los adultos no reproductivos. Sin embargo, es más acentuada la disminución de plántulas
en el sitio perturbado. Esta situación podría estar relacionada con las presiones ambientales
sobre los genotipos, como el déficit hídrico, haciendo que la mortalidad sea independiente
de la densidad en estas localidades perturbadas. Lo anterior sin favorecer a ningún fenotipo,
sino más bien eliminando a las plantas de manera aleatoria. Este efecto fue observado en
Dioon edule contrastando ambientes más expuestos (Octavio-Aguilar et al., 2008).
Los cambios en la estructura de las poblaciones pueden deberse, entre otros factores, a
diferencias microclimáticas que afectan a las etapas de desarrollo más vulnerables de los
organismos, como las semillas y las plántulas (Murcia, 1995; Álvarez-Yépiz et al., 2011).
En este estudio se encontró que la mayoría de las plántulas muere en el periodo entre marzo
y abril, cuando las condiciones de calor y sequía son más pronunciadas, coincidiendo con
lo reportado por Vovides (1990), que indica que la mayor mortalidad ocurre en la época
seca, particularmente en etapas tempranas del desarrollo.
Índices de perturbación
Se encontraron diferencias entre los indicadores de perturbación entre el sitio conservado y
perturbado. La luminosidad fue mayor en el sitio perturbado que en el conservado. En las
parcelas conservadas fue de 9.5% ± 5.9 y en las parcelas perturbadas de 23.5% ± 6.3 que
se traducen en diferencias significativas (p ≤ 0.0001).
La humedad del suelo varió de 30.5 a 59.5 %, en el sitio conservado, con una media de
43.82% ± 10.9, y para el caso del sitio perturbado fluctuaron entre 22 a 33 %, con una
media de 28.6% ± 4.1. Estos valores fueron significativamente diferentes (p ≤ 0.05).
63
La profundidad del suelo varió en el sitio conservado, osciló entre 23.8 y 41.6 cm, con una
media de 32.77± 5.6 cm, y en el sitio perturbado varió entre 8 y 20.2 cm, con una media de
11.9± 4.1 cm. El análisis de varianza arrojó diferencias altamente significativas para esta
variable (p ≤ 0.001), por lo que nuevamente el sitio perturbado tiene menos profundidad de
suelo que el conservado.
Las diferencias en estos indicadores muestran que el medio físico del sitio perturbado
puede ser más restrictivo para el establecimiento de las plántulas y por lo tanto puede
afectar la dinámica poblacional de C. mexicana. Además, la exposición de estas durante los
periodos de sequía es mayor en el sitio perturbado, decayendo notablemente la probabilidad
de supervivencia de la población.
La proporción sexual en el sitio conservado es de 1.42 masculinos por cada femenino y en
el sitio perturbado es de 1.64 masculinos por cada femenino. No se detectó relación
significativa entre los nutrientes del suelo y la proporción de individuos masculinos y
femeninos. Esto indica que la conificación de las plantas no está asociada con ningún
nutriente que pudiera favorecer algún sexo sobre otro. Por lo tanto, la diferencia en la
proporción sexual de los sitios debe obedecer a otro factor intrínseco de las plantas. En
general, las cícadas producen mayor cantidad de conos masculinos que femeninos puesto
que requiere menor esfuerzo reproductivo (Vovides, 1991). Sin embargo, parece ser que la
perturbación favorece la emergencia de las estructuras reproductivas masculinas.
Densidad poblacional
En el sitio conservado la densidad, de juveniles y adultos, fue de 156 individuos en 200 m2,
mientras que en el sitio con perturbación se tuvo una densidad de 52 individuos en 200 m2.
64
La prueba de Wilcoxon confirmó que hay una densidad significativamente mayor en el sitio
conservado (p ≤ 0.002). Las mayores diferencias entre sitios se localizan en las etapas de
plántulas y juveniles, que corresponden a las etapas con mayor mortalidad. En los adultos
no reproductivos las frecuencias de individuos son prácticamente iguales; mientras que en
los adultos reproductivos, el sitio perturbado presenta el 42.4% de los individuos del sitio
conservado. La perturbación generalmente está relacionada negativamente en la
supervivencia de las plantas y la fecundidad. Sin embargo, la respuesta de la población
puede involucrar aspectos complejos, como la variación genética y epigenética de la
población para responder de forma adaptativa a los cambios ambientales (Soulé 1986).
Distribución espacial
El patrón de distribución espacial fue agregado para las plántulas y aleatorio para los
juveniles y los adultos, tanto productivos como improductivos. (Tabla 1).
Tabla 1. Índice de Morisita por cada etapa de desarrollo de los individuos de Ceratozamia
mexicana ubicados en el sitio conservado.
Etapa de desarrollo Iδ conservado Iδ perturbado Distribución
Plántula 1.22* 1.56* Agregado
Juveniles 1.24 Ns 1.8 Ns Aleatorio
Adultos no reproductivos 1.21 Ns 1.77 Ns Aleatorio
Adultos reproductivos 1.03 Ns 1.17 Ns Aleatorio
Iδ: Índice de Morisita. *Significativo (n-1 gl, p=0.05). NS = No significativo.
65
Algunas poblaciones se encuentran agregadas en los sitios donde han ocurrido claros
ocasionados por la caída de árboles, o por deficientes mecanismos de dispersión de semillas
y baja depredación de las mismas, y otras muestran agregación en relación con las
características topográficas y edáficas de los sitios (Martínez-Ramos y Álvarez-Buylla,
1995). Para el caso de las cícadas, las plántulas se agregan alrededor de las madres debido a
la ausencia de dispersores naturales (Vovides, 1990; Pérez-Farrera et al., 2004). Sin
embargo, la pendiente podría generar una mayor dispersión de semillas, produciendo
distribuciones aleatorias, como el caso de C. mirandade (Pérez-Farrera et al., 2006) y
Dioon edule (Octavio-Aguilar et al., 2008). En el presente estudio, aunque el coeficiente
de agregación para las plántulas parece no tener diferencias con el resto de las categorías, el
número de individuos por clase es distinto, lo que explica las diferencias significativas en la
categoría de plántulas con relación al cero.
En ambos sitios, las plántulas están agregadas, aunque la pendiente es diferente. Cabría
esperar que en el sitio conservado, al tener una pendiente mayor, las plántulas tampoco
tuviesen una agregación significativa. Sin embargo, la profundidad del suelo brinda un
sustrato adecuado para la germinación y por lo tanto existe mayor reclutamiento y un efecto
de facilitación aparente.
Como se ha mencionado antes, la agregación de las plántulas podría favorecer la mortalidad
denso-dependiente por competencia y depredación (Janzen, 1970). Al respecto, el sitio
perturbado presenta una mayor mortalidad y se asume que es denso-independiente puesto
que el reclutamiento es bajo, es decir, no hay fenotipos o genotipos favorecidos, condición
esperada en la mortalidad denso-dependiente. Sin embargo, en el sitio conservado sí hay
66
reclutamiento, por lo que la mortalidad específica de este lugar podría tener un componente
denso-dependiente, situación que solo se puede corroborar con un estudio genético que
indique si existen genotipos favorecidos en esta condición.
2.6 CONCLUSIONES
La perturbación afecta significativamente la distribución y estructura de las poblaciones de
Ceratozamia mexicana disminuyendo la cantidad de individuos reproductivos, alterando
los patrones de dispersión y disminuyendo el reclutamiento. La principal causa de esta
disminución es que el sitio perturbado está más expuesto a los factores ambientales y por lo
tanto se favorece la mortalidad por desecación de las semillas y las plántulas. Por lo cual,
este estudio nos brinda información para el manejo de las poblaciones bajo el supuesto que
los individuos, una vez establecidos, son menos susceptibles a las condiciones ambientales.
Concretamente se recomienda detener la extracción de adultos e introducir plantas que
hayan pasado las primeras etapas del desarrollo para garantizar su supervivencia. Esto
último en sitios donde se tenga la seguridad de no continuar con la perturbación antrópica.
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73
CAPITULO III. IMPACT OF DISTURBANCE ON DEMOGRAPHY OF
Ceratozamia mexicana BRONGN.: AN ENDANGERED SPECIES
74
Impact of disturbance on the demography of the endangered species Ceratozamia
mexicana Brongn.
Andrés Rivera-Fernández1, Lourdes G. Iglesias-Andreu
1, Lázaro R. Sánchez-Velásquez
1,4,
Pablo Octavio-Aguilar1, Mario Vázquez-Torres
2, Norma Flores-Estévez
1, Mauricio Luna-
Rodríguez3
1 Instituto de Biotecnología y Ecología Aplicada, Av. de las Culturas Veracruzanas No.101
Col. E. Zapata C.P. 91090 Xalapa, Veracruz, México.
2 Centro de Investigaciones Tropicales, Ex- Hacienda Lucas Martín priv. Araucarias C.P.
91110 Xalapa, Veracruz, México.
3 Laboratorio de Alta Tecnología de Xalapa, Universidad Veracruzana. Calle Médicos No.
5, Col. Unidad del Bosque C. P. 91010, Xalapa, Veracruz, México.
4Author for Correspondence; e-mail: [email protected].
75
Table of Contents
I. Abstract
I. Resumen
II. Introduction
III. Materials and Methods
A. Species studied
B. Study area
C. Field data
D. Fecundity
E. Matrix construction and population growth rate (λ)
F. Confidence limits for λ
G. Sensitivity and elasticity analysis
H. Life table response experiments (LTRE)
IV. Results
A. Size class distribution and population growth rates
B. Fecundity
C. Matrix construction and population growth rate
D. Elasticity analysis
E. Life table response experiments
V. Discussion
A. Population structure
B. Matrices and LTRE analysis
VI. Acknowledgments
VII. Literature Cited
76
3.1 Abstract
Demographic studies of plants in contrasting habitats can contribute to the conservation of
rare and endangered species. Cycads are long-lived dioecious plants that can often be
vulnerable, threatened or endangered. Ceratozamia mexicana is a cycad endemic to
Mexico. The objective of this study was to compare the demography of two populations
with different management histories (with and without disturbances). Matrix projections,
population growth rates (λ), sensitivity, elasticity and life table response experiments
(LTRE) were conducted for each population. Confidence limits for λ were 1.0268±0.0081
and 1.1361±0.0036 for disturbed and non-disturbed populations, respectively. The
transitions found to contribute most to λ in both populations were the stasis of juvenile and
non-reproductive mature plants. The components of the mean elasticity matrix for the non-
disturbed population were: stasis 0.502, transition 0.414 and fecundity 0.085, while for the
disturbed population, these were: stasis 0.479, transition 0.429 and fecundity 0.092.
Comparative analysis (LTRE) between populations revealed that the contribution of
disturbance to the difference between population growth rates was significant (6.75%).
Key words: Ceratozamia mexicana, cycad, demography, disturbance, LTRE analysis,
matrices.
77
3.2 Resumen
Los estudios demográficos de plantas en hábitats contrastantes pueden ayudar para la
conservación de especies en peligro de extinción. Las cícadas son plantas longevas dioicas,
vulnerables, amenazadas o en peligro de extinción. Ceratozamia mexicana es una cícada
endémica para México. El objetivo de este estudio fue comparar la demografía de dos
poblaciones con diferentes historias de manejo (con y sin disturbios). Las proyecciones de
matrices, tasas de crecimiento poblacional (λ), sensibilidad, elasticidad y los experimentos
de respuestas de tablas de vida (LTRE) fueron estimados para cada población. Los límites
de confianza para λ fueron 1.1361±0.0036 y 1.0268±0.0081, para la población sin disturbio
y con disturbio, respectivamente. Las transiciones que más contribuyen a las tasas de
crecimiento poblacional en ambas poblaciones fueron las permanencias de juveniles y
maduros no reproductivos. Los componentes de la matriz de elasticidad promedio sin
disturbio fueron: permanencia 0.502, transición 0.414 y fecundidad 0.085. Y para la
población con disturbio fueron: permanencia 0.479, transición 0.429 y fecundidad 0.092.
El análisis comparativos (LTRE) entre ambas poblaciones reveló que la contribución del
disturbio para las diferencias entre λ fue significativo (6.75%).
Palabras clave: análisis LTRE, Ceratozamia mexicana, cícada, demografía, disturbio,
matrices.
78
3.3 Introduction
Comparative investigation of populations under contrasting management conditions, such
as in disturbed and non-disturbed areas with, can provide a better understanding of changes
in population demographic dynamics than can be gained from studies conducted in one
single area (Watson et al., 1994; Sánchez-Velásquez et al., 2002; Souza & Martins, 2006).
An understanding of environmental effects on demographic processes is therefore
important to enable appropriate decision making related to conservation.
Population dynamics can be represented schematically by employing matrix models
to simulate management scenarios through time; determining demographic growth rates
and the contribution of different sizes or age classes to population growth rates, among
others (Lefkovitch, 1965; Caswell et al., 2004). In general, matrix models are appropriate
for analysis of the life cycles of perennial plants and providing the basis for comparative
analysis between populations from same species (Franco & Silvertown, 2004). Identifying
size class or age with greater sensitivity enables the appropriate application of management
policies. Life table response experiments (LTRE) can similarly inform management efforts
(Horvitz et al., 1997; Caswell, 2001) by quantifying population-level responses to
environmental or biological factors that have individual-level effects on vital rates (Caswell
1989, 2001). Population studies that involve contrasting management conditions enable
improved understanding of demographic parameters (Sánchez-Velásquez & Pineda-López,
2010).
Species rareness refers to those plants that may be abundant locally but are scarce
regionally (Schemeske et al., 1994); thus, a rare species is one that has restrictions in terms
of population size and habitat (Rabinowitz et al., 1986). Populations of rare species are
influenced by a large number of deterministic and stochastic factors (Esparza, 2004).
Disturbance increases environmental stochasticity and has a consequent impact on the
structure and dynamics of populations (Salguero-Gómez & De Kroon, 2010). This process
acquires greater importance when dealing with endemic and threatened species, as is the
case with certain cycad species (Vovides et al., 1997).
79
Mexico occupies second place worldwide for its diversity of cycads (Vovides et al.,
2002); their conservation is therefore considered a national priority and they are protected
under national and international law (NOM-059-ECOL, 2001; IUCN, 2010). However, few
matrix projection studies exist for this group (Negrón-Ortiz et al., 1996; Raimondo &
Donaldson, 2003; Pérez-Farrera et al., 2006; Octavio-Aguilar et al., 2008; Álvarez-Yépiz et
al., 2011) because of the longevity of the species, which makes it difficult to evaluate
transitions between stages unless studies are available that cover prolonged periods or
feature various categories so that minimal variation can be detected. Another important
factor that can explain the scarcity of demographic studies for this group is the physical
location of the populations; cycads are generally located in inaccessible sites with steep
gradients and dry climates (Pérez-Farrera et al., 2006).
Ceratozamia mexicana Brongn. (Zamiaceae) is a dioecious (Norstog & Nicholls,
1997) endemic Mexican cycad distributed in the central zone of Mexico (Vovides, 1983).
This cycad, in common with the rest of the group, has commercial value as an ornamental
plant, as well as considerable value as a Mexican genetic resource because of its longevity
(Vovides & Iglesias, 1994). Due to loss and fragmentation of its habitat, a narrow
distribution and certain attributes of its life history (obligate out-crossing, long life and
dioeciousness), this species is currently in the threatened category, and protected by the
Mexican government through NOM-059 (SEMARNAT, 2010).
In this study, we evaluated the impact of disturbance on the demography of C.
mexicana. Specifically, we posed the following questions: 1) Are population growth rates
and matrices of transition significantly different in contrasting areas? 2) Which size classes
contribute most to the population growth rate? 3) Which size classes feature the highest
vital rate-specific changes or variation? 4) How do disturbances contribute to differences in
λ? 5) How different are the parameters of C. mexicana population compared with those of
other studied cycad populations?
3.4 Materials and methods
A. Study species
80
Ceratozamia mexicana Brongn. is a long-lived and slow-growing dioecious species that
rarely reaches more than 1 m in height. Its stem is semi-hypogeous and occasionally
branched (Vovides et al., 2003). Males release their pollen from late February until June and
pollination is carried out by beetles (Vovides, 1991). The females grow a megastrobile
beginning in September and seed release initiates13 months later. Seeds are dispersed
mainly by gravity and to a lesser extent by certain rodents (Pérez-Farrera et al., 2000;
Sánchez-Tinoco et al., 2000). Seeds begin to germinate in August, some 10 months
following dispersion (Sánchez-Tinoco et al., 2000). Each megastrobile contains an average
of 80 ± 10 seeds, each measuring 26 ± 2 mm in length and 16 ± 1 mm in width (unpublished
data). There is no evidence indicating the presence of a C. mexicana seed pool, however
there is evidence that the seeds require a 12-month post-maturation process (Sánchez-Tinoco
et al., 2000).
B. Study area
This study was carried out in two populations of C. mexicana from Coacoatzintla, Veracruz,
Mexico (19º 39’ 37’’N; 96º 57’ W) that feature different degrees of disturbance. The climate
is mild and damp with a mean annual temperature and precipitation of 18º C and 1780 mm,
respectively (INEGI, 2006). One population had experienced no recent disturbance (due to
restricted access to site) while the other population experienced constant disturbance (site
immersed within pastureland).
C. Field data
In the population with no recent disturbance, eight 25 m2 plots were established. The plots
were located from 1550 to 1700 masl, which corresponds to the altitudinal distribution limits
of the species. In the population with disturbance, eight plots of the same size were
established.
The study was conducted over three periods: from March 2009 to September 2010,
September 2010 to February 2011 and from February 2011 to March 2012; during which
both male and female strobili could be found (Sánchez-Tinoco et al., 2000). The sex of
individuals was determined through the presence, or evidence of the strobile. With this
81
information, the sexual proportions of the population were estimated. Due to the hypogeous
growth exhibited by C. mexicana, we used the trunk diameter in order to categorize size.
All of the plants in each population were labeled and classified as follows: 1) Seed:
Observed and estimated from the algebraic product of the observed number of female cones
and the average number of seeds per cone for each population and period; 2) Seedling: All
individuals presenting 1 or 2 leaves with 6 leaflets or less and joined to the seed; 3) Juvenile:
All those plants with 6 or more leaflets and a circumference of less than 34 cm, which is the
size corresponding to the first reproductive event registered; 4) Non-reproductive mature:
Individuals with a diameter greater than 34 cm, but without reproductive structures or visible
vestiges thereof; 5) Reproductive mature: Individuals with reproductive structures.
D. Fecundity
To determine the fecundity within each population, the average number of seeds per cone
was estimated and their viability evaluated by means of the tetrazolium chloride biochemical
test (ISTA, 1996). We used 120 seeds each from the disturbed and non-disturbed sites during
the megastrobile disintegration period of September 2009.
Seeds were disinfected by immersion in a solution of sodium hypochlorite 10% for
10 minutes; then hydro-conditioned for 24 hours (Marín et al., 2007). Hydrated seeds were
sectioned lengthwise with a scalpel, so as to leave the tegument and the embryo exposed.
Thereafter they were placed in Petri dishes with a solution of tetrazolium chloride 1% for 4
hours, until pigmentation of the seminal structures occurred. Uncolored seeds were assumed
to be unviable.
In the field, the number of strobili or their vestiges was recorded for both females and
males, as were on-site mortality of the seeds and recruitment per site and period, in order to
establish the existence of a seed pool. Fecundity was calculated as the algebraic product of
the number of reproductive mature plants at the end of the period, proportion of females,
average of seeds per cone, viability obtained through the tetrazolium test and the survival of
seeds in the field (Octavio-Aguilar et al., 2008). Seed survival was estimated for each
population and period.
82
E. Matrix construction and population growth rate (λ)
From the measurements, we established stasis per category size (nt /nt-1), transition to the
next stage (ng /nt-1) and the regression from the reproductive to the non-reproductive stage
(nrtg/nrtg-1), where: nt is the number of individuals in a category at time t, nt-1 is the number
of individuals in a category at time t-1, ng is the number of individuals in transit from one
category to the next, nrtg is the number of reproductive mature individuals returning to the
non-reproductive state at time t, and nrtg-1 is the number of reproductive mature individuals at
time t-1. With these data we constructed a Lefkovitch (L) matrix for both populations in each
of the three periods 2009-2010, 2010-2011 and 2011-2012.
Finite rate of population growth (λ), temporal projection, the reliance interval of λ
and the matrices of sensitivity and elasticity were estimated from the Lefkovitch matrices by
using the program RAMAS/stage (Ferson, 1990). This program assumes that the population
size after one generation corresponds to the product of the transition matrix L multiplied by
the initial vector N0, i.e. the number of individuals per category at time 0 (t0). The process
repeats itself until the proportion of individuals per category remains stable and corresponds
to the right vector (w). The finite rate of population growth (λ) is obtained from the matrix
projection using the following formula: Nt / Nt-1, where Nt corresponds to the total number of
individuals in the population at time t and Nt-1 is the number of individuals at time t-1
(Caswell, 1989; 2001; Caswell & Trevisan, 1994; Silvertown et al., 1995).
F. Confidence limits for λ
Confidence limits were determined with the same program (RAMAS), which uses the
analytic method. This method assumes that the errors of the elements Lij-th are small and
have a normal distribution; λ will then also have a normal distribution, in which case the
confidence interval (at 95%) is approximately twice the standard error (λ+2σ). Thus,
variances for the probabilities of transition were estimated with the formula Var Lij = Lij [1-
Lij] / n, where Lij is the probability of transition from state j to state i in matrix L, and n is
the number of individuals used to calculate said transition. Once the variance has been
estimated, σ is calculated as the square root of the estimate (Álvarez-Buylla & Slatkin,
1991, 1994).
83
G. Sensitivity and elasticity analysis
Sensitivity matrices are constructed from the vectors w and v. The left vector (v) represents
the proportional reproductive values for each class and is obtained through iteration of the L
matrix transposed by the initial vector N0 until stability is reached. Once obtained, the
vectors are multiplied as follows: v1w1 + v2w2 + .... + viwj, the product of which
corresponds to the scalar value vw. The elements of the sensibility matrix S are obtained with
the equation: Eij=(Lij/λ)Sij, where Eij corresponds to the ij-th element of the elasticity matrix,
Lij is the ij-th element of the L matrix, Sij is the ij-th element of the sensibility matrix, and λ
is the finite rate of population growth obtained by the initial iteration of the L matrix (De
Kroon et al., 2000; Caswell, 1989; 2001).
The values of elasticity are defined as the proportional changes in population
growth attributed to a change in one of the elements of the transition matrix L (De Kroon et
al., 2000, Benton and Grant, 1999). The elasticity, eij, of a matrix element aij, is (aij / λ )sij,
therefore the sum of the elasticities of λ with respect to aij equals 1. Elasticity can be used
to evaluate the relative importance of matrix elements (Heppell et al., 2000) and to
determine which aspects of the life cycle of a given species should be targeted for
management action (Link & Doherty, 2002).
H. Life table response experiments (LTRE)
The LTRE approach is an extension of sensitivity analysis that incorporates vital rate-
specific changes or variation (Mills & Lindberg, 2002). LTRE analysis (Ehrlén & Van
Groenendael, 1998; Caswell, 2001) breaks down the total effects of experimental
treatments or total differences between population contributions from each transition. In
contrast to elasticity analysis, which calculates the response of λ to changes in the past
transition rate, LTRE analysis measures the contribution of the past variation in the
transition rate to variation in λ (Ehrlén & Van Groenendael, 1998). An estimate of the
sensitivity of the population growth rate to tangible perturbations (LTRE effects) is:
,/ meanijijij aVLTRE
84
where ijV is the standard deviation of the transition rate ija , and meanija / is the
sensitivity evaluated at the mean matrix. We used this LTRE analysis for each treatment
(disturbed and non-disturbed populations).
We also used LTRE analysis to determine how the treatments contribute to
differences in λ. Following Caswell (2001), this method considers T1…TN treatments with
population growth rates λ(1)
,….., λ (N)
. We chose a reference matrix A(r)
as a baseline
against which to measure treatment effects, where A(r)
is the mean matrix i
i
N
)((.) 1AA .
With the mean matrix A(r)
, we estimated λ(r)
. Similarly, with the mean matrix A(m)
from
treatment without disturbance, we estimated λ(m)
.
Expanding λ, as a function of the aij, around A(r)
gives the growth rate in treatment
m as:
,)/()(,
)()()()(EAij
ji
r
ij
m
ij
rm aaa m = 1,…, N
where AE
= (A(m)
+ A(r)
) / 2. The terms in the summation (∑) are the contributions of aij to
the effect of treatment m on population growth. The difference between λ(m)
(estimated
from the matrix A(m)
), and λ(r)
(estimated as a function of aij, around A(r)
), determines how
the treatments contribute to differences in λ lambda (Caswell, 2001).
3.5 Results
A. Size class distribution and population growth rates
At the end of the study, the size class distributions in the non-disturbed and disturbed
populations were 1743 vs. 706 seeds, 151 vs. 48 seedlings, 38 vs. 12 juveniles, 147 vs. 53
non-reproductive matures and, 1 vs. 3 reproductive matures, respectively (Table 1).
85
Table 1. Number of reproductive individuals of Ceratozamia mexicana from March 2009
to February 2011.
Population Sex Data recording period
Mar 2009 Sep 2009 Mar 2010 Sep 2010 Feb 2011 Total
Non-disturbed Females 12 15 12 14 7 18
Males 21 13 19 9 15 29
Disturbed Females 7 4 4 2 5 8
Males 7 4 3 2 3 10
The proportion of individuals in each class size did not differ significantly between
populations (χ2 = 0.001, p = 0.99). Mature individuals are not reproductive every year (Fig.
1).
Figure 1. Life cycle graph for C. mexicana. NRM Non-reproductive mature, RM
Reproductive mature. Pi is the proportion of individuals in stage i that progress to stage i +
1 from one time (t) step to the next (t + 1), Gi is the proportion of individuals in stage i that
remain in that stage from time step t to t + 1, and Fi is the average number of seeds
produced by individuals in stage i from time steps t to t + 1 that survive to the first census
at time step t + 1. Rij denotes the proportion of individuals in stage i that return to stage j
between time steps t and t + 1.
86
B. Fecundity
In both populations, 78% of the seeds showed embryos with different degrees of coloring
and at different stages of development. The average number of seeds per strobilus in the
non-disturbed population was 205.72 ± 56.5, with a coefficient of 0.46 females from the
total of reproductive mature individuals at the end of the period. For the disturbed
population, the mean number of seeds per strobilus was 92 ± 19.1, with 0.51 as the
coefficient of females from the total of reproductive mature individuals at the end of the
period and 0.015 for survival of seeds in the field.
C. Matrix construction and population growth rate
Growth rates in the non-disturbed population were greater than 1 in all three study periods,
while in the disturbed population they were higher in the second cycle (Table 2). Number of
individuals was always higher (more than double) in the non-disturbed population. On
occasion, a juvenile achieved the reproductive mature stage (second cycle non-disturbed
population: Table 2). Confidence limits for λ were 1.1361 ± 0.0036 and 1.0268 ± 0.0081, for
non-disturbed and disturbed populations, respectively.
Table 2. Ceratozamia mexicana transition matrices by treatment and year.
Non-disturbed Disturbed
Year 2009-2010
S Sl J NRM RM S Sl J NRM RM
S 0.222 0.000 0.000 0.000 85 0.063 0.000 0.000 0.000 47
Sl 0.152 0.171 0.000 0.000 0.000 0.247 0.368 0.000 0.000 0.000
J 0.000 0.086 0.6923 0.000 0.000 0.000 0.053 0.75 0.000 0.000
NRM 0.000 0.000 0.3077 0.802 0.364 0.000 0.000 0.25 0.868 0.714
RM 0.000 0.000 0.000 0.198 0.242 0.000 0.000 0.000 0.053 0.143
λ =1.110 λ =0.985
N 1020 187 52 53 12 304 36 7 33 5
87
Table 2. Cont.
Year 2010-2011
S Sl J NRM RM S Sl J NRM RM
S 0.467 0.000 0.000 0.000 115 0.156 0.000 0.000 0.000 67
Sl 0.109 0.229 0.000 0.000 0.000 0.361 0.204 0.000 0.000 0.000
J 0.000 0.052 0.75 0.000 0.000 0.000 0.083 0.7143 0.000 0.000
NRM 0.000 0.000 0.1932 0.926 0.828 0.000 0.000 0.2857 0.737 0.658
RM 0.000 0.000 0.0333 0.074 0.08 0.000 0.000 0.000 0.132 0.079
λ = 1.067 λ =1.080
N 922 201 80 87 7 335 49 6 35 5
Year 2011-2012
S Sl J NRM RM S Sl J NRM RM
S 0.243 0.000 0.000 0.000 103 0.131 0 0.000 0.000 42
Sl 0.303 0.69 0.000 0.000 0.000 0.208 0.51 0.000 0.000 0.000
J 0.000 0.189 0.8511 0.000 0.000 0.000 0.204 0.1111 0.000 0.000
NRM 0.000 0.000 0.1383 0.766 0.777 0.000 0.000 0.8889 0.657 0.686
RM 0.000 0.000 0.000 0.064 0.0212 0.000 0.000 0.000 0.057 0.029
λ =1.158 λ =0.977
N 682 140 90 94 18 320 48 19 32 2
S Seeds, Sl Seedlings, J Juveniles, NRM Non-reproductive mature, RM Reproductive mature.
D. Elasticity analysis
The transitions that contribute most to population growth rates in both populations were the
stasis of juvenile and mature non-reproductive individuals, except in the third cycle disturbed
population, in which it was the stasis of the non-reproductive mature individuals and the
transition from reproductive mature to mature non-reproductive (Table 3). The sizes classes
that contributed most to population growth rates were juvenile and non-reproductive; in all
cases these provided more than 50% of the λ.
88
Table 3. Ceratozamia mexicana elasticity matrices by treatment and year.
Non-disturbed Disturbed
Year 2009-2010
S Sl J NRM RM S Sl J NRM RM
S 0.021 0.000 0.000 0.000 0.085 0.003 0.000 0.000 0.000 0.045
Sl 0.085 0.015 0.000 0.000 0.000 0.045 0.027 0.000 0.000 0.000
J 0.000 0.085 0.141 0.000 0.000 0.000 0.045 0.142 0.000 0.000
NRM 0.000 0.000 0.085 0.303 0.031 0.000 0.000 0.045 0.537 0.028
RM 0.000 0.000 0.000 0.116 0.032 0.000 0.000 0.000 0.072 0.012
Total 0.106 0.100 0.226 0.419 0.148 0.048 0.072 0.187 0.609 0.085
Year 2010-2011
S Sl J NRM RM S Sl J NRM RM
S 0.039 0.000 0.000 0.000 0.050 0.015 0.000 0.000 0.000 0.091
Sl 0.050 0.014 0.000 0.000 0.000 0.091 0.021 0.000 0.000 0.000
J 0.000 0.050 0.118 0.000 0.000 0.000 0.091 0.177 0.000 0.000
NRM 0.000 0.000 0.038 0.506 0.039 0.000 0.000 0.091 0.261 0.031
RM 0.000 0.000 0.012 0.077 0.007 0.000 0.000 0.000 0.122 0.010
Total 0.089 0.064 0.168 0.583 0.096 0.106 0.112 0.268 0.383 0.132
Year 2011-2012
S Sl J NRM RM S Sl J NRM RM
S 0.022 0.000 0.000 0.000 0.083 0.017 0.000 0.000 0.000 0.110
Sl 0.083 0.123 0.000 0.000 0.000 0.110 0.121 0.000 0.000 0.000
J 0.000 0.083 0.231 0.000 0.000 0.000 0.110 0.014 0.000 0.000
NRM 0.000 0.000 0.083 0.183 0.010 0.000 0.000 0.110 0.260 0.016
RM 0.000 0.000 0.000 0.094 0.002 0.000 0.000 0.000 0.127 0.004
Total 0.105 0.206 0.314 0.277 0.095 0.127 0.231 0.124 0.387 0.130
S: Seeds, Sl: Seedlings, J: Juveniles, NRM: Non-reproductive Mature, RM:
Reproductive Mature.
The components of the mean elasticity matrix of the non-disturbed population were: stasis
(L) 0.502, transition (G) 0.414 and fecundity (F) 0.085, and for the disturbed population: L
= 0.479, G = 0.429 and F = 0.092 (Table 4).
E. Life table response experiments
89
The vital rates that contributed the most to the variation in λ for the non-disturbed
population were the transitions from seedling to juvenile and non-reproductive mature to
reproductive mature. In the disturbed population, however, variation was concentrated in
both the same size classes i.e. juvenile stasis and the transition from juvenile to non-
reproductive mature (Table 4).
Table 4. Differences between average transition matrices and life table response
experiment (LTRE) effects for 12 life-cycle transitions of Ceratozamia mexicana.
Matrix of differences: This is the mean
transition matrix with disturbance – the mean
transition matrix without disturbance.
Matrix of contributions. This is the
multiplication of matrix of differences and
the matrix of sensitivity overall mean.
S Sl J NRM RM S Sl J NRM RM
S -0.194 0 0 0 -49 -0.0219 0 0 0 -0.0635
Sl 0.084 -0.0027 0 0 0 0.0362 -0.0004 0 0 0
J 0 0.0043 -0.2393 0 0 0 0.0039 -0.0529 0 0
NRM 0 0 0.2618 -0.0773 0.02967 0 0 0.0719 -0.0312 0.0012
RM 0 0 -0.0111 -0.0313 -0.0307 0 0 -0.0095 -0.0396 -0.0039
Life table response experiment (LTRE).
Non-disturbed
Mean elasticity matrix.
Non-disturbed.
S Sl J NRM RM S Sl J NRM RM
S 0.0159 0 0 0 0.0144 0.0320 0 0 0 0.0849
Sl 0.0523 0.0355 0 0 0 0.0849 0.0399 0 0 0
J 0 0.0631 0.0209 0 0 0 0.0849 0.1747 0 0
NRM 0 0 0.0343 0.0315 0.0116 0 0 0.0744 0.2745 0.0262
RM 0 0 0.0207 0.0762 0.0141 0 0 0.0105 0.1006 0.0124
Life table response experiment (LTRE).
Disturbed.
Mean elasticity matrix.
Disturbed.
S Sl J NRM RM S Sl J NRM RM
S 0.0050 0 0 0 0.0240 0.0118 0 0 0 0.0917
Sl 0.0275 0.0217 0 0 0 0.0917 0.0497 0 0 0
J 0 0.0664 0.0674 0 0 0 0.0917 0.0960 0 0
NRM 0 0 0.0712 0.0469 0.0011 0 0 0.0917 0.3231 0.0251
RM 0 0 0 0.0662 0.0073 0 0 0 0.1169 0.0104
S Seeds, Sl Seedlings, J Juveniles, NRM Non-reproductive mature, RM Reproductive mature.
90
The comparative analysis (LTRE analysis) between λ from both treatments
(disturbed and non-disturbed) revealed that the contribution of the absence of disturbance
to λ was significant (6.75%).
3.6 Discussion
A. Population structure
Statistically, both populations are dominated by young individuals (seeds and seedlings)
that subsequently die from desiccation, leading to the low recruitment of seedlings and
juveniles, a situation already reported for Zamia amblyphyllidia (Negrón-Ortiz et al., 1996),
Encephalartos cycadifolius, Encephalartos villosus (Raimondo & Donaldson, 2003),
Ceratozamia mirandae (Pérez-Farrera et al., 2006) and Dioon edule (Octavio-Aguilar et al.,
2008). On the other hand, the sexual proportion in both disturbed and non-disturbed
populations does not differ significantly. When seasonal variation is examined in detail,
however, the proportion of females is higher in the non-disturbed population, but remains
stable in the disturbed population (Table 5), a situation reported previously by Alejandre-
Rosas et al. (1990).
Table 5. Comparative population values for various species of cycads: population growth
rate (λ), elasticity (L: stasis, G: transition and F: fecundity).
Species
λ
Elasticity
L G F
Encephalartos villosus 1 1.047 0.806 0.173 0.021
E. cycadifolius 1 1.000 0.986 0.014 0
Zamia amblyphyllidia (1982-1983) 2 0.966 0.958 0.042 0
Z. amblyphyllidia (1983-1984) 2 0.999 0.95 0.05 0
Dioon edule (“Monte Oscuro” Non-disturbed) 3 0.999 0.839 0.161 0
D. edule (“Monte Oscuro” Disturbed) 3 0.995 0.966 0.034 0
D. sonorense 4 1.098 0.608 0.333 0.059
D. merolae (“El Campanario” Non-disturbed) 5 1.000 0.829 0.147 0.024
D. merolae (“El Sáuz” Disturbed) 5 1.000 0.894 0,095 0,011
Ceratozamia mirandae (“Tres Picos” Non-disturbed) 6 1.039 0.195 0.499 0.306
C. mirandae (“La Sombra” Disturbed) 6 0.860 0.048 0.783 0.169
C. mexicana (Present study. Non-disturbed) 1.1361 0.5335 0.3816 0.0849
C. mexicana (Present study. Disturbed) 1.0268 0.491 0.4173 0.0917
91
1 Raimondo y Donaldson (2003),
2 Negrón-Ortiz et al. (1996),
3 Octavio-Aguilar et al.
(2008) 4
Álvarez-Yépiz et al. (2011), 5
Lázaro-Zermeño et al. (2011), 6
Pérez-Farrera et al.
(2006).
This study found the highest value of λ found among all the demographic studies of
cycads to date (calculated from mean matrix on the population without disturbance). It is
also noted that stasis in all species of the genus Ceratozamia is lower than in other species
of cycads studied (Table 5).
Most of the studies of cycads report a decrease in the number of reproductive
females in disturbed conditions (Pérez-Farrera et al., 2000; Pérez-Farrera et al., 2006). In
our case, the sexual proportion for the disturbed site remained balanced between males and
females (10 and 8, respectively). Even with the same number of males and females,
however, there are still only eight reproductive individuals at the end of the period, whereas
in the undisturbed site there are 22 reproductive adults. Thus, disturbance does not alter the
sexual proportion, but rather the reproductive potential of cycad populations by drastically
reducing the number of reproductive adults within the population. This correlates directly
with environmental stochasticity (Vovides, 1990) or anthropogenic disturbance (Octavio-
Aguilar et al., 2008; Lázaro-Zermeño et al., 2011).
The periodicity of reproductive events and high persistence of female reproductive
structures in C. mexicana allow us to establish more realistic sexual proportions. It should
be noted that non-reproductive adults constitute an unavailable source of information, a
situation that had led to underestimation of population fecundity in D. edule (Octavio-
Aguilar et al., 2008). Thus, one of the major contributions of this study has been to
demonstrate that the male-female proportion of C. mexicana remains stable over time, even
under disturbed conditions. Nevertheless, it is necessary to recognize the decrease in the
number of reproductive adults, and associated reduction in population fecundity, in the
presence of agricultural activities.
B. Matrices and LTRE analysis
92
In agreement with the population growth rates for cycads studies, the λ tend to remain
stable through time. However, disturbances reduce the population growth rates of
Ceratozamia mirandae, Dioon edule (Table 5) and C. mexicana (present study). In
addition, disturbance can cause the the importance of stasis (L) to diminish (e.g. C.
mirandae and C. mexicana) or increase (e.g. D. edule and D. merolae (Table 5).
Differences depend on the type of disturbance and life history of populations. This study
shows that disturbance affects stasis and transition more than fecundity (Table 5).
The stages that contribute most to λ are very similar in both populations studied
(Table 3); the most important stages for the conservation of both populations are juvenile
and non-reproductive mature stasis (Table 3). However, the highest variation did not
correspond to the same life cycles (Table 4), e.g. in the case of the non-disturbed
population, the transition stages from seedling to juvenile and from reproductive mature to
non-reproductive mature are those that present high variation, while in the disturbed
population this was spread across four stages: the juvenile stasis and the transitions from
seedling to juvenile, juvenile to non-reproductive mature and from non-reproductive mature
to reproductive mature (Table 4). In the disturbed population, there were more life cycles
with high variation than in non-disturbance population, hence to management plan will be
more complex for to disturbed population (Tables 3, 4).
Perhaps the main difference among cycad demography studies is the method by
which life cycle categories are established; Pérez-Farrera et al. (2006) constructed
categories for Ceratozamia mirandae from stem height, giving rise to various categories
that make it possible to establish transitions with greater precision; whereas for C.
mexicana, these were based on trunk diameter, and phases in the life cycle associated with
reproductive activity were considered in an approach similar to the one used for Dioon
edule (Octavio-Aguilar et al., 2008).
The distribution of elasticity in the different stages of development varies in relation
to the life history of the species. In arboreal species, elasticity is explained mainly by the
persistence of individuals (L), whereas in annual plants the major component of elasticity is
93
fecundity (F) (Silvertown et al., 1993, 1995). Besides life history, disturbance also modifies
the distribution of elasticity patterns, both in short-lived plants such as Zea diploperennis
(Sánchez-Velásquez et al., 2002) and in other cycads (Ceratozamia mirandae, Pérez-Farrera
et al., 2006; Dioon edule, Octavio-Aguilar et al., 2008).
In short, Ceratozamia mexicana is a long-lived plant of high stasis, this latter attribute
making a large contribution to λ; it is also of very low fecundity, regardless of disturbance.
This study found the highest population growth rate reported in demography studies of
cycads. Disturbance has a greater affect on stasis and transition than on fecundity. In the
disturbed population, there were more life cycles with high variation than in non-disturbance
population, hence to management plan will be more complex for to disturbed population.
Disturbance can contribute to differences between matrices of transition and thus to the life
history of the species.
3.7 Acknowledgments
The author thanks the National Council for Science and Technology (CONACyT) for the
grant received for conducting graduate studies. We also gratefully acknowledge funding
from the project No: 83156. Thanks to Warren Haid and Keith MacMillan for their
comments, and Maricela Duran for her assistance.
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Cycadales). Current Topics in Plant Biology 4: 159-174.
Watson, L.E., G.E. Uno, N.A. McCarty & A.B. Kornkven. 1994. Conservation biology of
a rare species, Eriocaulon kornickianum (Eriocaulaceae). American Journal of Botany
82:980–986. doi:10.2307/2445291
99
CAPITULO IV. EFECTO DE LA PERTURBACIÓN SOBRE LA ESTRUCTURA
GENÉTICA ESPACIAL DE Ceratozamia mexicana: UNA APROXIMACIÓN
MICROEVOLUTIVA.
100
Effect of disturbance on the genetic spatial structure of Ceratozamia mexicana: a
micro-evolutionary approximation.
Andrés Rivera-Fernández1, Pablo Octavio-Aguilar
2, Mauricio Luna-Rodríguez
3, Nadia G.
Sánchez Coello1, Norma Flores-Estévez
1, Santiago M. Vázquez-Torres
4, Lourdes G.
Iglesias-Andreu1*
1 Instituto de Biotecnología y Ecología Aplicada, Universidad Veracruzana, Av. de las
Culturas Veracruzanas No. 101, Campus para la Cultura, las Artes y el Deporte, Col.
Emiliano Zapata, C.P. 91090, Xalapa, Veracruz, México.
2 Instituto Tecnológico de Ciudad Victoria. Blvd. Emilio Portes Gil No. 1301, C.P 87010.
Ciudad Victoria, Tamaulipas, Mexico.
3 Laboratorio de Alta Tecnología de Xalapa. Calle Médicos No. 5 Col. Unidad del Bosque,
C.P. 91010, Xalapa, Veracruz, México.
4 Centro de Investigaciones Tropicales, Universidad Veracruzana, Ex-Hacienda Lucas
Martin Privada de Araucarias s/n Col. Periodistas, C.P. 91019, Xalapa, Veracruz, México.
*Corresponding author: telephone/ fax number (52-228-8422773), e-mail: [email protected]
4.1 ABSTRACT
Diverse factors affect the dynamics of populations at different levels. ISSR markers were
employed to study the genetic spatial structure of Ceratozamia mexicana under two
conditions of disturbance. This study seeks to determine the effect of disturbance on the
fine-scale genetic spatial structure of an endemic Mexican cycad. No significant differences
were found in the heterozygosis value calculated for both conditions (H=0.23 and H=0.24,
disturbed and preserved, respectively). The Analysis of Molecular Variance (AMOVA)
showed differentiation between the sites (ɸ= 0.185), with a genetic distance of Nei of 0.106
(χ2 = 28.127, g.l. = 1, p < 0.001). The bottleneck analysis with the method of drift mutation
equilibrium was significant for the disturbed site. This indicates the presence of a recent
bottleneck; therefore the differentiation cannot be defined by the absence of gene flows.
The size of genetic neighborhoods was determined by means of the autocorrelation rij index
starting from the correlation between geographic distances and genetic distances. The
spatial autocorrelation analysis showed that the genetic neighborhoods of the disturbed site
101
are smaller (6m) than those of the preserved site (10m), which might indicate a reduction in
the size of the neighborhoods associated with the detected bottleneck caused by the
disturbance.
Keywords: disturbance, Ceratozamia mexicana, spatial autocorrelation, genetic
neighborhoods.
4.2 RESUMEN
Diversos factores afectan la dinámica de las poblaciones en diferentes niveles. Este estudio
tuvo como objetivo determinar el efecto de la perturbación en la estructura genética
espacial a escala fina de una cícada endémica de México. Fueron empleados marcadores
ISSR para estudiar la estructura genética espacial de Ceratozamia mexicana bajo dos
condiciones de perturbación. No se encontraron diferencias significativas en el valor de
heterocigosis calculado para ambas condiciones (H = 0.23 y H = 0.24, perturbado y
conservado, respectivamente). El análisis de varianza Molecular (AMOVA) mostró la
diferenciación entre los sitios (ɸ = 0.185), con una distancia genética de Nei de 0.106 (χ2 =
28.127, g.l. = 1, p < 0.001). El análisis de cuellos de botella por el método de equilibrio
deriva mutación fue significativo para el sitio perturbado. Esto indica la presencia de un
cuello de botella reciente; por lo tanto la diferenciación no puede definirse por la ausencia
de flujos de genes. El tamaño de los vecindarios genéticos fue determinado mediante el
índice de autocorrelación rij a partir de la correlación entre las distancias geográficas y las
distancias genéticas. El análisis de autocorrelación espacial mostró que los vecindarios
genéticos del sitio perturbado son más pequeño (6 m) que el sitio conservado (10 m), lo que
podría indicar una reducción en el tamaño de los vecindarios asociados con el cuello de
botella causado por la perturbación.
Palabras clave: Disturbio, Ceratozamia mexicana, autocorrelación espacial, vecindarios
genéticos.
4.3 INTRODUCTION
Genetic diversity is reflected of the resources available to a population when faced by
short-term ecological events, determining its potential of adaptation in an evolutionary
plane (Frankel and Soule, 1981).
The maintenance of this variability depends on “proximate” factors, such as the life history
of a particular population, and “ultimate” factors such as de diverse evolutionary forces
102
acting on diversity to homogenize it or diversify it through geographic scales (Slatkin,
1987). In small populations, gene drift acts by drastically reducing diversity and may
become the most important evolutionary force. The isolation of these populations can
increase the drift effect as the gene flow diminishes increasing differentiation; this
conduces the populations through a process of endogamy that potentiates these differences,
leading them into the vortex of extinction through the expression of lethal alleles and the
loss of evolutionary potential (Wright, 1978).
The reduction in population size is closely related to certain events in time that lead to
geographic isolation through processes of fragmentation and disturbance (Nguyen et al.,
2006). An understanding of how these processes can affect the viability of a population,
how genetic diversity is distributed among the populations and into the resulting fragments,
is clearly necessary in order to establish effective conservation strategies (Segelbacher et al.
., 2010).
However, the effect of the disturbance on genetic variability depends largely on the type of
organism being evaluated. Thus, in long-lived species, the effect of population reduction
may be imperceptible, due to long generational periods and because the persistence of
individuals constitutes a source of genetic variability which, through multiple reproductive
events, introduces the alleles that otherwise would be lost through gene drift (Epperson,
2000), hence the demographic importance of the persistent presence of adults (Octavio-
Aguilar et al., 2008). Only the loss of reproductive individuals, the reduction of the
effective size of the population, if the disturbance occurs at random, might pose a risk for
the population by diminishing genetic variability and increasing the effect of gene drift
(Hedrick, 2005).
At the population level, genetic variability is distributed consistently with the geographic
micro-scale in direct relation to the nature of the dispersion, which itself is affected by
fragmentation (Epperson, 2007). In contrast, the existence of good dispersers of pollen and
seeds may counteract the effect of the disturbance by introducing gametes from different
locations, thereby producing an interchange of alleles and enriching the genetic pool of the
103
fragments affected by the reduction of the effective population (Epperson, 2000; Zhou and
Chen, 2010). Therefore it is important to study the disturbance under a comparative local
focus as a part of more complete studies considering the geographic scale (Cabrera-Toledo
et al., 2012).
In this work we propose to evaluate the effect of disturbance on the fine-scale genetic
structure of a long-lived species endemic to Mexico: Ceratozamia mexicana Brongn., at
two sites in the center of the state of Veracruz.
4.4 MATERIALS AND METHODS
4.4.1 Species under study
Ceratozamia mexicana Brongn., is a palm-like species that groups beneath the tropical
cloud forest; it is endemic to Mexico and has been located in the states of Veracruz, Puebla,
Queretaro, San Luis Potosi and Hidalgo (Stevenson et al., 1986; Vovides et al., 1983). This
species is threatened by commercial interest, illegal extraction and the destruction of its
habitat (Diario Oficial de la Federacion 2002; Sanchez-Tinoco et al., 2000), for which
reason the red list of the International Union for the Conservation of Nature (IUCN) has
registered it as vulnerable, with declining populations (IUCN, 2012). It is therefore
included in Appendix I of the Convention on the International Commerce of Threatened
Species of Wild Flora and Fauna (CITES, 2012).
This long-lived species grows slowly and rarely attains more than 1m in height, its stem
being semi-hypogeous and occasionally branched (Vovides et al, 2003). Ceratozamia
mexicana it is dioecious, the male plants liberating pollen from late February until June.
The pollinization is effected by small beetles of the Languridae group (Vovides, 1991). The
female plants start to develop their megastrobile in September, and 13 months later the
liberation of “seeds” begins. The same as in other cycads, the seed dispersion occurs
mainly through gravity, and occasionally by some rodents (Pérez-Farrera et al. 2000). The
seeds start germinating in August, 10 months after their dispersion (Sanchez-Tinoco et al.,
2000). The megastrobiles contain an average of 144 seeds ± 58, each one measuring 26 mm
± 2 in length and 16 mm ± 1 in width (Rivera et al., personal communication). There are no
104
antecedents of the existence of a seed bank in C. mexicana although existing information
suggests that the seed requires a post-ripening process of 12 months (Sanchez-Tinoco et al.,
2000).
4.4.2. Study area
The study was conducted in a C. mexicana population, in the mountainous region of central
Veracruz state, locality of Coacoatzintla, situated at 19° 39’11.66’’ north latitude and 96°
56’37.55’’ west longitude, at an altitude of 1460 masl. The climate is temperate and wet,
with a mean annual temperature of 18 °C and a rain fall of 1780 mm; the native vegetation
consists of tropical cloud forest and occupies 1586 has or 36% of the municipal surface
area; livestock is the most important productive activity in this place and the most
expansive, occupying more than 2600 has of the municipality (INEGI, 2009). The IUCN
(2012) estimates that in the last 50 years, the population of C. mexicana have been reduced
between 30 and 50%, mainly due to the immoderate destruction of the forest to obtain
charcoal and to agricultural activities. In particular, the extraction of basalt has caused an
important disturbance in the local forest.
The study sites were selected after surveying the area and identifying the fragments of
forest immersed in grazing lands, as well as the areas that have not yet been transformed
and are located at scare points where the vegetation is continuous. The denomination of
disturbed site was given to the lands containing remnants of tropical cloud forest within
summer pastures in which the presence of C. mexicana was detected. The disturbance in
these was due to the change in land use from forest to grazing land. A well-preserved site
was located in areas undisturbed by human activities and with restricted access for people
and domestic animals.
Five experimental parcels of 25 m2 were selected for the disturbed site through a directed
sampling within the local pasture lands; for the preserved site we used 8 experimental
parcels of 25 m2
each, selected a systematic sampling within the forest between 1450 and
1700 masl.
105
The impact of the disturbance was determined from three indicators: the forest canopy, the
moisture and the depth of the soil. Measuring the covering from the canopy was done with
a densitometer in order to measure the amount of light penetrating the canopy; this was
recorded directly in each parcel with a spherical densitometer (Forestry Suppliers) al chest
height. These readings were carried out in two periods (February and September) for two
consecutive years. On each occasion the readings were taken at 5 different points in each
parcel.
To evaluate the depth of the soil, 4 sites were excavated with the aid of a drill in each parcel
of each site during the rainy season (September), avoiding damage to the roots of the
plants. The moisture in the soil was registered in five samples taken from each parcel of
each site on just one occasion (in the dry season corresponding to the month of March);
these were placed in plastic bags and that same day were transported to the laboratory to
determine their moisture content. The method used was based on the quotient of dry weight
over fresh weight expressed as percentage. To this end, the fresh soil was kept in a stove at
105°C until reaching a constant weight (Diario Oficial de la Federacion, 2002).
The data registered for each variable in the study were transformed by means of the arc sine
of the √%, so as to comply with the supposed normality. An analysis of variance split plot
randomized complete block was used for comparing the sites, after verifying the normality
of the data.
4.4.3 The taking of foliar samples and the extraction of DNA
The samples taken in the field consisted of a young foliole, completely developed and
undamaged by parasitic agents. These were placed in plastic bags with the date and the
identification of the site, parcel, plant and phenologic stage of development. Thirty three
samples were collected from the disturbed site and 51 from the preserved site, for a total of
84 individuals. Subsequently, the samples were refrigerated for transportations to the
laboratory. Samples of plant leaves and strobiles were also collected to be compared in the
herbarium of the Biological Research Institute at the Veracruzana University.
106
The extraction and purification of genomic DNA was done with the Mini Kit DNeasy Plant
(QIAGEN, Chatsworth, CA). The quality of DNA obtained was determined at a wave of
260/280 nm (Eppendorf BioPhotometer plus), and the concentration concentration is
deduced from that 1 U of absorbance at 260 is equal to 50 ng/μl of dsDNA. The
amplification reactions were performed with a volume of 25 μL containing 1x of tampon
PCR, 2.5 mM MgCl2, 0.4 mM dNTPs, 25 pmol of each primer, 1.5 units of de Taq DNA
polymerase (Promega) y 20 ng of DNA. First, 6 ISSR primers, from the University of
British Columbia (UBC), were analyzed. On the basis of the results obtained, 4 of them
(Table 1) were selected to amplify most of the conspicuous and reproducible bands.
Table 1. Relation of the ISSRs Primers used.
Primer
ISSR
Sequence *
5’ - 3’
Annealing Temperature
(Tm) °C
UBC-841 GAGAGAGAGAGAGAGAYC 54
UBC-856 ACACACACACACACACYA 55
UBC-890 VHVGTGTGTGTGTGTGT 54
UBC-891 HVHTGTGTGTGTGTGT 54
(*) Y = (C o T), V = (A, C o G), H = (A, C o T)
The amplifications were performed with an Eppendorf Mastercycler personal thermocycler.
After an initial denaturalization phase of 7 min at 94 °C, there followed another 45 cycles
of denaturalization lasting 30 s at 94°C, 45 s at 54-55°C as annealing temperature
dependent on the primer (Table 1), 90 s of extension at 72°C and a final extension phase of
10 min at 72°C.
The products of amplification were separated through horizontal electrophoresis in 2.5%
agarose gel with 1x TBE (Tris-Borate EDTA), which elapsed at 90 volts during 1.5 h; then
they were dyed with ethidium bromide. A DNA marker of 100 pb (AMRESCO, Solon, OH,
USA) was used to determine the size of the bands. The DNA fragments were visualized in
a photodocumenter (DNr-MicroBIS, Bio-imaging Systems). Only those bands showing an
107
adequate resolution and repeatability on test, performed in duplicate, were taken into
account for subsequent analysis.
4.4.4. Data analysis
A binary matrix was constructed from the amplified fragments obtained and the bands were
registered as present (1) or absent (0). Each band was assumed to represent a simple gene
locus. The average number of individual analyzed (N), the percentage of polymorphism at
95%, the average of alleles per locus and the effective number of alleles per locus were
estimated (Hedrick 2005). Due to the dominant nature of the marker, the total heterozygosis
was determined on the basis of the genotypic frequencies observed according to Lynch and
Milligan (1994); for this we used the statistic package TFPGA (Tools for Population
Genetic Analyses; Miller 1997). The estimated heterozygosis between the populations was
compared by applying Wilcoxon’s non-parametric test for dependent samples, to do that it
was used the Statistica software (v.8) (StatSoft, 1984-2007). The PhiPT differentiation
coefficient was determined with an AMOVA analysis that considered 999 permutations,
besides a Nei’s (1978) genetic distances was calculated using the GenAlEx program
(Peakall and Smouse, 2006). The PhiPT value turns out to be analogous to the Theta values
proposed by Cockerham (1973); therefore we proceeded to perform a significance test for
these values in order to determine whether they differ significantly from zero with the
formula: χ2 = (2N) PhiPT (k-1), and with (k-1)(s-1) degrees of liberty, k equaling the mean
number of alleles analyzed and s the number of populations (Workman and Niswander,
1970).
A bottleneck analysis was performed with the Bottleneck program (Cournet et al., 1999) by
using Stepwise-mutation model (SMM) to determine whether there has been a recent
reduction in population size, this was performed by means of a two-tailed Wilcoxon test to
establish the number of loci showing a deficiency or an excess of heterozygosis.
The effective population size (Ne) was determined for each condition of disturbance with
the formula Ne = (4Nf Nm)/(Nf + Nm), where Nf corresponds to the number of reproductive
females in the population and Nm to the number of males in the same population, with data
108
recorded in the period from March, 2009 to February, 2011. Finally, the size of the genetic
neighborhoods was determined by using a spatial autocorrelation analysis for each site with
the GenAlEx program (Peakall and Smouse, 2006). For this, a matrix of geographic
distances was considered for each site in relation to the matrix of genetic similitude
(Smouse and Peakall, 1999). The correlation coefficient (rij) varies between -1 and 1, and
those values significantly greater than a unit indicate a pattern of non-random aggregation.
The interval of confidence for rij was obtained with the bootstrap method at 99 steps, while
the error for the coefficient was estimated from random permutations at 99 steps.
4.5 RESULTS
4.5.1 Disturbance indicators
The ANOVA showed significant differences between the sites for the variable: cover from
the canopy, depth and moisture of soil (Table 2).
Table 2. Comparison of the evaluation sites of C. mexicana (Mean ± SD)
Site Canopy cover Soil depth Soil moisture
Preserved 90.49 ± 3.7 a 32.8 ± 5.6 a 43.8 ± 10.9 a
Disturbed 76.46 ± 7.8 b 11.9 ± 4.1 b 28.6 ± 4.1 b
S.D.: Standard Deviation; those values followed by a distinct letter are significantly
different (p < 0.05).
4.5.2 Spatial Genetic Structure
A total of 84 individual, 33 from the disturbed site and 51 from the preserved site, were
analyzed with UBC primer 841, 856, 890 and 891. A total of 44 conspicuous bands (loci)
were observed, and these were considered for subsequent statistic analysis. Table 3 shows
the values obtained for the indicators of genetic variability, the effective population size,
and the number of males and females observed during three years, for each site examined.
109
Table 3. Indicators of genetic variability, reproductive individuals for each condition and
effective population size.
SITE % P A + S.D. ne H + S.D. ♂ ♀ Nr Ne
Disturbed 70.45 1.88 + 0.32 1.31 0.24 + 0.19 10 8 18 17.777
Preserved 77.27 1.93 + 0.25 1.30 0.23 + 0.16 29 18 47 44.425
% P: Percentage of polymorphic loci, A: Average of alleles per locus, S.D.: Standard
Deviation, ne: Effective number of alleles per locus, H: Total Heterozygosis, ♂: Number of
males, ♀: Number of females, Nr: Number of reproductive individuals, Ne: Effective
population size.
The total heterozygosis values do not differ significantly between sites (Z2,82 = 0.6025, p =
0.5467). The AMOVA shows a PhiPT differentiation index of 0.185 with a Nei genetic
distance of 0.106 between the preserved and the disturbed sites. The Chi-squared analysis
indicates that these differences are significant between the two different perturbation
conditions (χ2 = 28.127, g.l. = 1, p < 0.001).
The bottleneck analysis shows that the disturbed site has 26 loci with a deficiency of
heterozygosis and 18 with an excess, out of a total of 44 loci. Under the Stepwise-mutation
model (SMM) a total of 21.44 loci with excessive heterozygosis can be expected, this result
showing a significant deficiency of heterozygous loci (p = 0.04). In contrast, the preserved
site has 24 loci with a deficiency and 20 loci with an excess of heterozygous in comparison
with the 21.13 expected under the same model, without any significant differences between
the observed and the expected amounts (p = 0.35).
Finally, the spatial autocorrelation analysis shows that the genetic neighborhoods of the
disturbed site are more reduced than those of the preserved one (Figure 1).
110
Fig. 1. Spatial autocorrelation coefficients rij for multiple loci (continuous lines) and
intervals of confidence (broken lines) at 95% (99 bootstrap, 99 permutations) a) Disturbed
site, b) Undisturbed site.
The correlation graph was drawn under the premise of one interval between distances of 5
with 7 categories for the preserved site, according to the size of the patches. The
autocorrelation coefficients together with their interval of confidence are given in Table 4.
Table 4. Values of the autocorrelation coefficient (rij), with its interval of confidence (U /
L), which are significantly different from those expected in a random distribution.
Site Distance (m) rij U / L P
Disturbed
2
4
6
0.226
0.189
0.115
0.077 / 0.069
0.053 / 0.046
0.063 / 0.051
0.01
0.01
0.01
Preserved 5
10
0.072
0.033
0.016 / 0.016
0.020 / 0.023
0.01
0.01
b)
a)
111
rij: Genetic- geographic autocorrelation coefficient, U:Upper level, L: Lower level, P:
values of the coefficient in relation to zero.
4.6 DISCUSSION
Since the first study performed with ISSR makers to quantify the genetic diversity in
Pseudotsuga menziesii and Cryptomeria japonica (Tsumura et al., 1996), about 150 studies
have been carried out on more than 170 species with this type of molecular markers in a
diversity of fields, e.g., phylogenetics, genetic mapping, detection of somaclonal variation,
and population genetics. Making a superficial estimate, we can say that the number of
primers used to evaluate genetic variation in these works averages 18.3. This datum draws
attention to the fact that, in this study, we evaluated only 4 primers, which might restrict the
scope of our conclusions. Nevertheless, we must point up the number of polymorphic loci
obtained with primers UBC-841, 856, 890 and 891, which were selected for this purpose
from six primers previously tested. The nature of the primers used, rich in (AG), (GA),
(CT), (TC), (AC) and (CA) (Table 1), enables them to be highly polymorphic (Pradeep et
al., 2002).
Various studies show that valuable information can be obtained with few primers. A study
on Lupinus albus demonstrated that, from ten primers tested, two were sufficient to
distinguish among 37 accessions studied (Gilbert et al., 1999). Similarly, four primers were
sufficient to distinguish among 34 varieties of potatoes (Prevost and Wilkinson, 1999) and
three primers could distinguish sixteen genotypes of red currant (Lanham and Brennan,
1998). Consequently, the use of highly informative primers reduces cost, time and work
when analyzing genetic diversity.
The results obtained revealed the utility of the ISSR technique for studying the effect of
disturbance on the spatial genetic structure in C. mexicana although the low numbers of
primers that showed distinctive and reproducible bands were not so high the results
obtained in this study could be representative of the genome and, therefore of this type of
study. On the basis of these results, a notorious difference was found between the
environments studied here (preserved and disturbed). A reduction of the forest canopy
112
means greater luminosity for shade-tolerant plants like C. mexicana. In turn, this condition
may favor colonization by pioneer species, intolerant of shade, which will then compete for
resources with the cycads, mainly during the initial stages of development such as seed
germination and the establishment of plantlets (Denslow, 1987; Dalling et al., 1998).
Heterogeneity, caused by natural factors, is commonly found at landscape level, although
human activity fends to accentuate said variation. The fragmentation and deterioration of
the habitat, due to the expansion of agriculture and stock raising, are the principal causes of
the extinction of species (Santos and Telleria, 2006). The results obtained through this work
constitute an approximation to the foregoing; they show notable changes in the
environment characteristics, preserved and disturbed, based on three variables: the canopy
covering, the depth and moisture of soil. These results agree with those reported by Lopez
(2008); who compared contrasting environments in which Zamia melanorrachis grows. She
compared fragments with native vegetation to fragments with secondary vegetation,
designating the latter as degraded or low-quality habitat. She found that the survival of
juveniles and adults, as well as the transition from one stage of growth to the next, respond
differently in a disturbed fragment than in one with native vegetation. Low moisture and
scarce depth of the soil may lead to greater stress in plants of Ceratozamia and other cycads
species in the first stages of growth, and this can compromise their survival in critical
periods such as drought (Octavio-Aguilar et al., 2008).
Disturbance, then, modifies the conditions for the establishment of species; it also changes
the possibility of maintaining the genetic structure of populations, restricting gene flow by
eliminating pollinizers and restricting seed dispersion (Dunphy and Hamrick, 2007),
besides creating fine-scale environmental heterogeneity (Godoy and Jordano, 2001).
This heterogeneity propitiates the loss of individuals in the fragments; this leads to
bottlenecks, complicating the calculation of the gene flow between the sites analyzed and
thereby violating the assumptions of the FST (Dunphy and Hamrick, 2007). In this work,
therefore, we have not calculated the gene flow, considering that a recent bottleneck exists
in the disturbed site; besides, the life history of the patches, because of their location and
113
change in land use, suggest a common origin which, in long-lived plants, could cause us to
overestimate the real flow between the two patches. Adding this to the results regarding the
size of the neighborhood, we might suggest that there is really no constant flow of pollen or
seeds, since the environmental matrix does not permit the pollinizers or dispersers to carry
variation from one site to another.
In the micro-evolutionary context, this restriction in the flow added to the reduction of the
neighborhood and of the effective size of the population threat the disturbed site, thus
increasing the possibilities of its extinction.
Although no differences were found between the heterozygous of the two subpopulations,
the AMOVA indicated significant differences between the sites, a situation indicating that
the factors of the disturbance alter the genetic composition. The first item can be explained
by the possibly recent isolation between both subpopulations and by the short distance
between them, not more than 5 km. The alteration of the habitat favors an increased
depredating of seeds, possibly by rodents (Vovides, 1991) or, since they are dispersed
mainly through gravity, an increased probability of reaching a site with less favorable
conditions for their germination, thereby fomenting mortality density- independent
(Octavio-Aguilar et al., 2008).
When the autocorrelation values are positive, as in the present study, it is due to a low
dispersion of seed or to factors restricting their dispersion, thus creating a spatial grouping
among genetically related individuals (Barbujani, 1987; Hardy et al., 2006). The spatial
autocorrelation analysis in this work reveals that the plants are related to individuals
situated at distances of less than 6 m in the disturbed site and 10 m in the preserved site.
This agrees with the ranges of pollen dispersion indicated for other cycads, assuming a
radius of not more than 30 meters (Whitelock, 2002). It should be noted that spatial
autocorrelation studies are sensitive to the size of the sample (Cabrera-Toledo et al., 2012),
which also restricts the extent of our results; nonetheless, the sample is representative of the
population, particularly that of the disturbed site, since it constitutes a census of all the
individuals located in the small patches immersed in the matrix of pastures.
114
The neighborhoods of the preserved site are larger than their spatial correlation coefficient
is lower (rij 0.033 to 0.072) compared with the coefficient of the disturbed site (rij 0.115 to
0.226) which indicates that their range of dispersion is greater, similar to that expected for
species dispersed by the wind or the birds (Epperson, 2003). With this information, we
could affirm that the genetic neighborhoods of the preserved site maintain a wider range of
dispersion than those of the disturbed site.
Finally, the seed dispersion of Ceratozamia mexicana is favored by the slope, as it occurs
through gravity, although some authors suggest that rodents may function as potential
dispersers, and even as predators (Norstog and Nicholls, 1997). In this respect, the
preserved site slopes as much as 45°, whereas the disturbed site is situated on the lower part
of Coacoatzintla hill in sites that are nearly level, a situation that does not favor the size of
the neighborhood since it creates an aggregation of individuals due to the lack of incline.
This is similar to a report on Dioon edule (Octavio-Aguilar et al., 2008), in which the
plantlets were even growing on the mothers in a total absence of dispersion for one of the
populations studied.
4.7 ACKNOWLEDGEMENTS
We thank the National Council of Science and Technology for the scholarship granted to
the chief author and for the financial support assigned to project CB-152073. We are also
thankful to Dr. Jorge González Astorga for his wise comments to the document and to
Maricela Duran for her assistance in the laboratory.
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119
CAPITULO V. DISCUSIÓN GENERAL.
120
5.1 Discusión general
El conocimiento de las características demográficas y genéticas de C. mexicana es esencial
para la adopción de estrategias eficientes para la conservación de la especie en condiciones
in situ y ex situ. Esto es particularmente importante cuando la especie es afectada por la
perturbación del hábitat.
Los resultados obtenidos a partir de este estudio sugieren que ha ocurrido un cambio
poblacional importante, desde el punto de vista genético, ocasionado por el deterioro del
hábitat de C. mexicana, en Coacoatzintla, Ver. Estos cambios se consideran recientes y
coinciden con la actividad pecuaria incipiente en la región, que surge de manera paulatina
desde aproximadamente 50 años y que en fechas recientes se ha venido incrementando de
manera preocupante. Sin embargo, desde la perspectiva demográfica se refleja un
crecimiento poblacional leve en la condición con disturbio y acentuada en la condición
conservada. Circunstancia que coloca a C. mexicana como la cícada con mayor tasa de
crecimiento poblacional. Un incremento en λ similar fue encontrado en Zamia
fairchildiana en hábitats forestales degradados. En estas condiciones, las plantas expuestas
a una mayor disponibilidad de luz los individuos crecieron más rápido, se reprodujeron
tempranamente e invirtieron más en la reproducción que las plantas ubicadas en el bosque
nativo (López-Gallego y O´Neil 2010).
Los estudios para la conservación de las poblaciones naturales deben considerar criterios
demográficos y genéticos. Los primeros dirigidos al tamaño de las poblaciones y su cambio
121
temporal, y los segundos a la variación genética y su distribución dentro de las poblaciones
(Álvarez-Buylla et al. 1996).
5.2 El efecto del disturbio.
Las especies perennes reaccionan fisiológicamente ante cambios en su entorno después de
una perturbación leve. Un incremento en la perturbación puede causar una reducción en su
tasa de de crecimiento y su capacidad de reproducción; pero cuando la perturbación es lo
suficientemente grave, los individuos mueren. La mortalidad de plantas puede variar de uno
o unos pocos individuos a poblaciones enteras. Por lo tanto, un mismo fenómeno puede
provocar respuestas que van desde aclimatación fisiológica, a la extinción de la población,
dependiendo de la magnitud de la variación (Sousa 1984).
A medida que aumenta el cambio del paisaje, por el disturbio, la vegetación nativa se
pierde, la intensidad del uso del suelo en áreas modificadas aumenta, y los remanentes de
vegetación nativa están cada vez más influenciados por procesos originados en áreas
modificadas. La pérdida del hábitat conduce a su degradación y al aislamiento de las
poblaciones. Se hacen patentes dos tipos de amenazas, las exógenas que están relacionadas
con cambios en la biología y comportamiento de las especies y sus interacciones; y las
endógenas que tienen que ver con la estocasticidad ambiental, demográfica y genética
(Fischer y Lindenmayer 2007).
Las perturbaciones alteran las características de los suelos en los bosques y crean
condiciones para el establecimiento de “malezas” o ruderales. Los claros por la extracción
de madera, leña y especies de importancia económica, proporcionan aumentos temporales
122
de nutrientes y otros recursos y mejora las condiciones para dichas ruderales. La reducción
de la competencia de dosel permite también la germinación de plantas pioneras que
competirán con las arbustivas del sotobosque como es el caso de C. mexicana. En las
condiciones de Coacoatzintla, donde la actividad pecuaria es más importante que la
agrícola, la siembra de especies invasoras como algunos pastos introducidos, podrán
desplazar a corto y mediano plazo a las especies endémicas como las cícadas. Las especies
forrajeras que existen en las proximidades del bosque mesófilo de montaña no son para
corte sino para pastoreo. Esta circunstancia permite el pisoteo del ganado, perjudicando
tanto al suelo compactándolo como a las plantas, destruyéndolas y favoreciendo el
desarrollo de las introducidas (Hobbs y Huenneke 1992). La erosión y pérdida de nutrientes
del suelo es un tipo de perturbación, que limita el crecimiento de las plantas y la frecuencia
de los períodos reproductivos. Además, la capacidad de producción de semillas se ve
reducida y la viabilidad de estas es menor por falta de una adecuada fecundación de los
óvulos. Es decir, el cambio ambiental provocado por la perturbación afecta también a los
polinizadores.
5.3 Efecto del disturbio sobre Ceratozamia mexicana.
Las cícadas como C. mexicana son organismos que han sobrevivido a una serie de
disturbios a través del tiempo y pueden aportar importantes conocimientos sobre sus
estrategias de adaptación. Sin embargo, los disturbios humanos han causado una serie de
trastornos a los ecosistemas donde habita esta cícada que ponen en riesgo su permanencia a
123
largo plazo. Esto indica que estamos ante el riesgo de perder una vasta información que aún
nos pueden ofrecer estas plantas.
El disturbio más importante en el bosque mesófilo de montaña en Coacoatzintla, es el
causado por el cambio de uso de suelo, de bosque a pastizal. Para ello, son ocupadas las
partes más planas y los sitios con pendientes pronunciadas son respetados quedando como
parches de vegetación o como islas en una matriz de pastizal. Se considera que la
dispersión de semillas en C. mexicana es efectuada por gravedad debido a la topografía
accidentada y a las fuertes pendientes, al igual que en C. matudae (Pérez-Farrera y Vovides
2004) y Dioon edule (Octavio Aguilar et al. 2008). Por lo que dependiendo de la
inclinación del terreno pueden permanecer muy próximas a la planta madre. Este último
caso es muy común en C. mexicana; al germinar las semillas, las plántulas producidas
conforman un patrón de distribución agregada. Esta distribución de las semillas y plántulas,
que denota una muy limitada dispersión (Pérez-Farrera et al 2004), las vuelve vulnerables
ante la estocasticidad ambiental (Octavio Aguilar 2008).
En las cícadas, la pobre dispersión de semillas por animales también puede estar asociada a
las elevadas concentraciones de sustancias neurotóxicas como: cicacinas, macrozaminas y
β-N-metilamino-L-alanina (BMAA) (Schneider et al. 2002, Brenner et al. 2003, Pérez-
Farrera y Vovides 2004). Aunque, se han reportado algunos roedores como Peromyscus
mexicanus que contribuyen a su dispersión (Vovides 1990).
Con la eliminación de los árboles, el dosel se ve reducido de manera drástica y se
incrementa la temperatura hacia el interior del fragmento y el suelo pierde humedad con
124
rapidez. Estos cambios inciden sobre los parámetros demográficos incrementando la
desecación de las semillas y las pocas que llegan a germinar producen plántulas que en la
siguiente temporada de estiaje pueden morir, en ocasiones en su totalidad. C. mexicana
mostró una elevada mortalidad de semillas y plántulas, situación coincidente a lo
encontrado en Encephalartos villosus y E. cycadifolius por Raimondo y Donaldson (2003).
Ng et al. (2004) establecen que posterior a la dispersión de semillas, la mortalidad de
plántulas puede deberse a: competencia, heterogeneidad ambiental, herbivoría y/o
enfermedades, que afectan el patrón de distribución espacial.
Los individuos juveniles y adultos sobrevivientes en los sitios perturbados pueden sufrir
daños por pisoteo del ganado. Posteriormente, en la etapa reproductiva, estas plantas son en
general menos frondosas y sus conos y semillas son más pequeños y con menos
posibilidades de transitar a las siguientes etapas de su desarrollo. Por otro lado, las cícadas
están más expuestas a la extracción de semillas, plántulas, juveniles e incluso, como ocurrió
en este estudio, fueron arrancados algunos adultos en su etapa reproductiva.
El impacto de la perturbacion, no afectó significativamente en las características
demográficas de C. mexicana, pero si produjo variación en más etapas de crecimiento
respecto a la condición sin perturbación. En esta circunstancia, no existe una selección
natural que permita la permanencia de los individuos con mayor adecuación. Solo el azar
puede favorecer que un individuo se desarrolle en un lugar con mejores condiciones de luz,
agua y temperatura. Esto, por supuesto repercute sobre la diversidad genética de las
poblaciones y esta definirá si la población puede estar corriendo el riesgo de extinguirse.
Esto significa que aunque no haya una disminución en λ, es evidente que el aislamiento
125
permitirá el apareamiento solo entre las plantas vecinas y en pocas generaciones podrán
encontrarse individuos cercanamente emparentados.
La integración de información demográfica (número de individuos a través del tiempo,
supervivencia y descendencia producida) con la información genética (parentesco entre los
individuos, sistema de reproducción, tipos de polinización) permitirá proponer mecanismos
de conservación acordes a las características de esta planta sin comprometer su
permanencia a largo plazo.
5.4 Estrategias para mantener la diversidad de Ceratozamia mexicana.
El sitio conservado mantuvo una mayor cobertura de dosel, un 14% más en promedio que
el sitio perturbado, a lo largo del año; la profundidad del suelo fue casi 20 cm mayor y la
humedad de este fue de más de 23% respecto al sitio perturbado. La evaluación de la
germinación en C. mexicana a lo largo de 3 ciclos permitió conocer que esta se encuentra
en el orden del 78% para ambos sitios. El cono promedio para el sitio conservado tuvo más
de 90 semillas por encima del cono promedio del sitio perturbado. Estos valores establecen
una mayor expectativa de supervivencia a largo plazo en el sitio conservado, si se toman las
medidas para su rescate.
Por otro lado, en el sitio conservado hay un exceso de plántulas que en muy baja
proporción serán reclutadas hacia la siguiente etapa de desarrollo y que pueden ser
rescatadas y colocarse en un vivero donde puedan transitar hasta la etapa juvenil.
126
Para reducir el riesgo de endogamia, en cada sitio podrían practicarse polinizaciones
artificiales entre plantas alejadas a más de 10 m de distancia y con ello incrementar las
probabilidades de nuevas recombinaciones
Con base en que la permanencia de juveniles y adultos permiten que el crecimiento
poblacional se mantenga a través del tiempo en esta cícada; y considerando que la
fecundidad es muy baja y que las etapas con mayor variación corresponden a las plántulas,
lo indicado es tomar las semillas generadas en ambos sitios y germinarlas en un vivero para
su cuidado y desarrollo; al sobrepasar la etapa juvenil deben reintroducirse tanto al sitio
conservado como al perturbado.
Aunque existe un vivero comunitario de C. mexicana en Tlachinola, Coacoatzintla, Ver.,
que ha rescatado plantas de sitios perturbados con alto riesgo para esta cícada, no parece
haber interés por parte de los lugareños para hacerlo suyo y aprovecharlo racionalmente.
Tampoco ha habido un interés por conocer el mercado potencial de esta planta tanto de
manera local como regional, por lo que resulta de gran importancia su análisis para motivar
a los productores a su protección, rescate y cultivo con fines comerciales.
La protección de esta cícada por las leyes mexicanas, no son suficientes para su
conservación si no existen las condiciones que permitan mantener su hábitat y evitar en lo
posible su degradación. Es conveniente impulsar la creación de refugios que impidan la
extracción de los recursos y donde se puedan efectuar investigaciones multisciplinarias que
amplíen el conocimiento sobre estas plantas.
127
5.5 Conclusiones
Con base en los resultados obtenidos en la presente investigación se puede concluir que:
Los individuos en las etapas de juveniles y adultos son las que más contribuyen al
mantenimiento de las poblaciones a través del tiempo tanto en el ambiente conservado
como el de disturbio.
Las perturbaciones afectan significativamente la diversidad genética de C. mexicana.
El disturbio creó un significativo cuello de botella que redujo el radio de dispersión de C.
mexicana.
Es conveniente reintroducir plantas de C. mexicana en etapa de crecimiento juvenil, en las
áreas perturbadas sin posibilidades de transformarse en parcelas de cultivos o en praderas.
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129
Anexo 1. Distribución geográfica de las especies del género Ceratozamia y categoría de riesgo.
Orden Especie Distribución Año Autores Categoría*
Ceratozamia México, Belice, Guatemala, Honduras 1846 Adolphe Theodore Brongniart
1 C. purpusii Chiapas 1846 Chamberlain (Rose)
2 C. mexicana Hidalgo, Puebla, Veracruz 1846 Adolphe Theodore Brongniart A NOM 059
3 C. robusta Chiapas, Oaxaca, Veracruz 1847 Miquel A NOM 059
4 C. latifolia Hidalgo, Querétaro, S.L.P. Veracruz 1848 Miquel P NOM 059
5 C. miqueliana Chiapas, Tabasco, Veracruz 1854 H. Wendl P NOM 059
6 C. kuesteriana Tamaulipas 1857 Regel P NOM 059
7 C. fusco-viridis Hidalgo 1878 Moore -
8 C. matudae Chiapas, 1939 Lundell P NOM 059
9 C. zaragozae San Luis Potosí 1963 Medellin-Leal P NOM 059
10 C. hildae Querétaro, San Luis Potosí 1979 Landry y Wilson A NOM 059
11 C. norstogii Chiapas, Oaxaca 1982 Stevenson P NOM 059
12 C. microstrobila San Luis Potosí 1983 Vovides y J. D. Rees A NOM 059
13 C. euryphyllidia Veracruz, Oaxaca 1986 Vázquez Torres, Sabato y Stevenson P NOM 059
14 C. sabatoi Hidalgo y Querétaro 1993 Vovides, Vázquez- Torres, Schutzman e Iglesias A NOM 059
15 C. whitelockiana Oaxaca 1995 Chemnick y T. J. Greg P NOM 059
16 C. mixeorum Oaxaca 1997 Chemnick, T. J. Greg. y S. Salas-Morales P NOM 059
17 C. morettii Veracruz 1998 Vázquez- Torres y Vovides P NOM 059
18 C. alvarezii Chiapas 1999 Pérez-Farrera, Vovides e Iglesias P NOM 059
19 C. mirandae Chiapas 2001 Vovides, Pérez-Farrera e Iglesias P NOM 059
20 C. zoquorum Chiapas 2001 Pérez-Farrera, Vovides e Iglesias P NOM 059
21 C. huastecorum Veracruz 2003 Avendaño, Vovides y Castillo Campos A NOM 059
22 C. becerrae Tabasco, Chiapas 2004 Pérez-Farrera, Vovides y Schutzman A NOM 059
23 C. chimalapensis Oaxaca 2008 Pérez-Farrera y Vovides P NOM 059
24 C. decumbens Veracruz 2008 Vovides, Avendaño, Pérez-Farrera y González-Astorga P NOM 059
25 C. spinosa ? 1996 Barone, Corsaro, de Castro, Lanzetta, Mangoni y Parrilli -
26 C. brevifrons C. mexicana Veracruz 1847 Tijdschr. Wis-Natuurk. Wetensch. Eerste A
27 C. vovidesii Chiapas 2007 Pérez-Farrera e Iglesias P NOM 059
28 C. santillanii Chiapas 2009 Pérez-Farrera y Vovides -
29 C. hondurensis Honduras 2008 Whitelock, Schutzman y R.S. Adams
*A= amenazada, P= en peligro de extinción NOM 059: consideradas en la NOM-059- 2010
130
Anexo 2. Variedades identificadas de la especie Ceratozamia mexicana.
Especie Variedades Año
Ceratozamia mexicana Var. latifolia (Miquel) Schuster 1932
Var. longifólia (Miquel ) Schuster 1932
Var. longifolia f. fuscoviridis D. Moore ex Schuster -
Var. longifólia forma tenuis (Dyer) Schuster -
Var. mexicana -
Var. miqueliana (H. Wendl.) Schuster 1932
Var. robusta (Miquel) Dyer -
Var. tenuis Dyer 1884
Var. vulgaris Schuster 1932
Anexo 3. Sinonimia de Ceratozamia mexicana.
Especie sinónimo
Ceratozamia mexicana C. intermedia Miq.
C. longifolia Miq.
C. brevifrons Miq.
C. mexicana var. tenuis Dyer C. vovidesii
