ESTUDIO PALINOLÓGICO, CITOLÓGICO Y DE VARIABILIDAD GENÉTICA DE LAS CACTACEAS DEL ESTADO DE DURANGO

CLAVE DEL PROYECTO: 20030313

RESPONSABLE: NORMA ALMARAZ ABARCA

ADSCRIPCIÓN: CIIDIR-IPN-DGO.

RESUMEN

Las cactáceas son plantas nativas del continente americano. Sus elementos están ampliamente distribuidos dentro del territorio nacional y en nuestro país se localizan dos de los cinco centros de diversidad reconocidos para esta familia. La diversidad estimada para México es de ± 58 géneros y ± 707 especies, números que a la fecha continúan aumentando con el descubrimiento de nuevos ejemplares en ambos niveles taxonómicos. En nuestro territorio una gran cantidad de géneros y especies constituyen notables ejemplos de endemismo. Las especies de esta familia, de considerable importancia ecológica, económica y cultural para México, con muchos de sus elementos ubicados en la condición de especies amenazadas, vulnerables o en peligro de extinción, han sido estudiadas principalmente desde el punto de vista morfológico y fisiológico (con fines taxonómicos y por las características anatómicas y los procesos fisiológicos únicos que les permiten habitar en condiciones extremas de aridez) y desde el punto de vista ecológico (por las relaciones que establecen con diferentes especies de animales en el proceso de polinización y dispersión de semillas). Sin embargo, información sobre los aspectos citológicos asociados a la variabilidad genética ha quedado rezagada, a pesar de su importancia para tener un mayor conocimiento de la familia y para desarrollar estrategias de conservación eficientes. Este proyecto tuvo como objetivo generar información sistematizada sobre la morfología de los granos de polen, basada en microscopía óptica y sobre la variabilidad citotípica, basada en cariotipos de especies de la familia Cactaceae del Estado de Durango. Los resultados obtenidos sugieren que en Durango el número de géneros de esta familia es de 17 y el de especies asciende a más de 22. Las especies más abundantes son aff. gummifera Engelmann y pectinatus var. rigidissimus (Engel.) Rümpler. La morfología de los granos de polen para los elementos de la familia Cactaceae es muy homogénea, las diferentes dimensiones son las principales variaciones que se pueden apreciar. Son granos de forma ovalada, con exina sin ornamentaciones aparentes al microscopio óptico. Los conteos mitóticos realizados indican que el número cromosómico para Coryphantha pameri es 2n = 22, y para Echinocereus pectinatus se encontraron ejemplares con número cromosómico de 2n = 22 y ejemplares con número de 2n = 33. Los análisis sobre la morfología cromosómica indican que los cromosomas de las especies trabajadas son metacéntricos.

ESTADO DEL ARTE

La familia Cactacea esta formada por plantas que tienen en común la característica de presentar areolas en sus tallos (Arreola, 1997). Esas estructuras son yemas de tejido meristemático que puede dar lugar a cualquier tipo de tejido. Si bien las areolas son el carácter distintivo de esta familia de plantas, otros caracteres como la presencia de espinas y tallos suculentos son comunes a ella, aunque estos últimos caracteres los comparte con otras familias como la Agavaceae y Crassulaceae, que como la Cactaceae habitan principalmente en zonas áridas y semiáridas. Morfológicamente, las especies de cactaceas son muy heterogéneas. Pueden presentar tallos globosos, tallos aplanados, o tallos columnares o cilíndricos, estos últimos pueden ser simples o ramificados a diferentes alturas de la planta y presentar gran variabilidad en el número de costillas y en el diámetro (Arreola, 1997). Las cactaceas son plantas nativas del continente americano. Se consideran como un grupo natural con un periodo de evolución de 80 a 60 millones de años a partir de formas no suculentas, que han diversificado en numerosas formas de vida (Arias, 1997). Se reconocen cinco centros de diversidad para la familia, de los cuales dos se localizan en México (Arias, 1997). Se estima que en nuestro país existen 707 especies de cactáceas comprendidas en 58 géneros (Arias, 2001.), con aproximadamente 14 géneros y 400 especies endémicos (Arias, 1997). Cabe mencionar que no existe un consenso en cuanto el número de géneros y de especies para México, en parte por el alto grado de sinonimia, llegando a encontrarse hasta cinco sinónimos por especie (Arias, 2001) y en parte por una problemática de delimitación de especies. En nuestro país recientemente se dio a conocer un nuevo género y especie de la familia Cactaceae: Digitostigma caput- medusae Velazco et Névares sp. Nov. (Velazco y Nevárez, 2002). De acuerdo a Guzmán (1997), la familia Cactaceae comprende tres subfamilias. De la subfamilia Pereskioideae, el género Pereskia está representado en el sur de México. La subfamilia Opuntioideae, está representada en nuestro país por los géneros Opuntia, Pereskiopsis y Nopalea; mientras que de las nueve tribus de la subfamilia , seis de ellas que están representadas en México son la tribu , Rhipsalideae, Pachycereeae, Cereeae, Echinocereeae y Cactaceae. De las tres subfamilias, la Cactoideae ha sufrido continuos cambios en su clasificación debido a la problemática taxonómica surgida por la falta de consenso en la delimitación de los diferentes grupos que la componen. El Estado de Durango se localiza dentro del área del desierto Chihuahuense. Esta área es el centro de diversidad de la tribu Cactaceae, la cual comprende un número elevado de géneros, varios de ellos monotípicos, y una gama amplia de especies con un alto grado de endemismo, muchas de esas especies están protegidas por leyes nacionales e internacionales (Arias, 1997). Para la parte del Estado de Durango comprendida en el área de la Reserva de la Biosfera de Mapimí se han descrito 33 especies de esta familia, distribuidas de la siguiente manera: 11 especies de Opuntia, una especie de , dos de Echinocereus, una de Ariocarpus, una de Lophophora, una de Epithelantha, una de Hamatocactus, una de Ancistrocactus, una de Thelocactus, una de Echinocactus, una de Homalocephala, dos de Echinomastus, cuatro de Coryphantha, una de Escobaria y cuatro de Mammillaria (Cornet, 1985). Sin embargo, de esta lista quedan fuera especies como Mammillaria theresae y Mammillaria mercadensis, ambas endémicas del Estado de Durango pero de distribución geográfica restringida al área de los municipios de Coneto de Comonfort y Guatimapé y al del municipio de Durango, respectivamente; ambas especies se encuentran en graves problemas de conservación. Los cactos han sido estudiados principalmente desde el punto de vista del desarrollo de caracteres xeromórficos extremos que les permite la sobrevivencia en condiciones áridas y semiáridas (Mauseth y Plamons-Rodríguez, 1998; Dubrovsky y col., 1998); desde el punto de vista de la biología reproductiva y las relaciones planta-polinizador (Valiente- Banuet y col., 1997; Casas y col., 1999); y desde el punto de vista taxonómico (Bravo y Scheinvar, 1995; Nyffeler y Eggli, 1997). Los estudios taxonómicos han sido realizados principalmente considerando caracteres morfológicos. Sin embargo, más recientemente se ha abordado la taxonomía de la familia Cactaceae desde el punto de vista quimiotaxonómico, considerando caracteres químicos como la deposición de diferentes formas químicas de oxalato de calcio, como carácter clasificatorio (Monje y Baran, 2002). Los estudios citológicos en los diferentes taxa que comprenden la familia Cactaceae se han centrado principalmente al género Opuntia (Granados y Castañeda, 2000; Powell y Weedin, 2001). Otros géneros estudiados son Hylocereus y Selenicereus (Lichtezveig y col., 2000). Sin embargo, aún existe un vacío considerable en el conocimiento de la correlación de los niveles de ploidía y la distribución geográfica de muchos de los taxa de esta familia. Los estudios filogenéticos basados en caracteres moleculares, para la familia Cactaceae, habían quedado rezagados con relación a los correspondientes a otros grupos de plantas dado que el aislamiento del DNA de cactos es difícil debido a que los elementos de esta familia contienen grandes cantidades de polisacáridos y metabolitos secundarios que forman complejos insolubles con los ácidos nucleicos durante el proceso de extracción (de la Cruz y col., 1997). Entre los que se han realizado se puede mencionar el de Nyffeler (2002), quien propuso una relación para 70 taxa, basada en secuencias particulares del DNA de cloroplasto y el de Hartmann y col. (2002), quienes abordaron aspectos de la biología reproductiva de elementos de esta familia utilizando para ello caracteres moleculares para determinar el origen filogenético de un sistema de polinización inusual en . Revisiones morfológicas asociadas a caracteres moleculares de algunos géneros han aparecido también muy recientemente, como es el caso de la revisión del género Nopalea para inferir hipótesis de relaciones filogenéticas entre sus elementos (Puente, 2001). Sin embargo, como en el caso de los estudios citotípicos, es necesario ampliar el número de taxa estudiados de la familia Cactaceae en aspectos moleculares y de morfología de los granos de polen, ya que esos tipos de análisis pueden representar enfoques alternativos para el estudio y la conservación de la diversidad de este grupo de plantas, importante desde más de un punto de vista para México.

OBJETIVO

El objetivo de este trabajo fue obtener la caracterización morfológica de los granos de polen y determinar la variabilidad citotípica entre los diferentes taxa de la familia Cactaceae del Estado de Durango para generar información palinológica y citológica que pueda servir de base para estudios taxonómicos y filogenéticos y para desarrollar estrategias de conservación eficientes para esta familia de plantas tan importante desde el punto de vista ecológico, económico y cultural para nuestro país.

METODOLOGÍA

I. Colecta de Material.

Se realizaron colectas de polen, frutos y semillas, en los casos en que fue posible, de las diferentes especies de cactos encontrados en el Estado de Durango, realizando simultáneamente observaciones y registro de aspectos fenológicos, distribución geográfica y características de los sitios de colecta. Cuando la abundancia de los taxa se consideró suficiente, se colectó un ejemplar para su identificación, en caso contrario la identificación botánica se realizó in situ o por medio de fotografías.

II. Elaboración de Preparaciones Microscópicas de Polen.

Las muestras de polen se acetolizaron de acuerdo a la técnica descrita por Erdtmann (1966) y se montaron en gel de glicerina en preparaciones microscópicas permanentes. Las descripciones morfológicas de los granos de polen de cada taxon y las microfotografías respectivas se realizaron con un microscopio de contraste de fases Olympus BX40.

III. Determinación de la Variabilidad Citotípica.

Para determinar la variabilidad citotípica entre los diferentes taxa de la familia Cactaceae del Estado de Durango, se realizaron los conteos cromosómicos correspondientes a partir de preparaciones microscópicas de ápices radiculares de plántulas y a partir de anteras o yemas florales, de acuerdo a las técnicas de fijación, tinción, macerado y montaje descritas por Curtis (1981). Los números cromosómicos se determinaron para cinco individuos por taxon, de cinco a 10 células por individuo, representando cuatro especies (tabla 1). Para obtener los ápices radiculares se determinaron las condiciones de germinación de semillas. Este paso proporcionó información adicional para la propagación de cactos por semilla.

RESULTADOS

I. Especies de cactáceas encontradas en Durango y su distribución geográfica dentro del Estado.

A. Municipio de Yerbanis.

1. Thelocactus heterochromus 2. Coryphanta elephantidens Lem. 3. Mammillaria guelzowiana

Cuatro especies más sin identificar.

B. Municipio de Coneto de Comonfort.

1. Mammilaria theresae Cutak 2. Echinocereus pectinatus var. rigidissimus (Engel.) Rümpler (Figura 1).

Dos especies sin identificar.

C. Municipio de Rodeo.

Las Ánimas. Vegetación: Agave lechuguilla, Candelilla. Matorral espinoso. Terreno pedregoso.

1. Ariocarpus fissuratus (Egelm) Sch. 2. Echinomastus durangensis (Rünge) Britton & Rose 3. Echinomastus unguispinus (Engel.) Britton & Rose

D. Municipio de Súchil.

Vegetación: Agaves. Terreno plano.

1. Echinocactus horizonthalonius Lem. (Figura 2)

E. Municipio de Mezquital.

Ocho Kms antes del poblado de Mezquital. Vegetación: sotoles, huizaches, agaves. Pendiente pedregosa. 2800 msnm.

1. Mammillaria aff. gumifera Engelmann 2. Mammillaria sp. 3. Neolloydia conoidea (DC) Britton & Rose 4. Echinofossulocactus zacatecasensis sp. nov.

Seis Kms antes del poblado de Mezquital. Vegetación: sotoles, huizaches, agaves. 2810 msnm.

5. Mammillaria sp. 6. Mammillaria sp.

Paura, Mezquital. Vegetación: Mezquites. Pendiente pronunciada. 2570 msnm.

7. geometrizans

Cinco Kms sobre la desviación a Temoaya, Mezquital. Vegetación: Fouqueria sp., Agave regina, orégano. Terreno pedregoso. 2440 msnm.

8. Myrtillocactus geometrizans 9. Mammillaria sp.

Siete Kms sobre la desviación a Temoaya, Mezquital. Vegetación: orégano. En pendiente de barrancas. 2500 msnm.

10. Myrtillocactus geometrizans 11. thurberi

F. Municipio de Tuitán

Los Cortes, camino Tuitán a Guadiana. Vegetación: mezquite. Sustrato rocoso volcánico.

1. Mammillaria sp. 2. Echinocereus pectinatus var. Rigidissimus (Engel.) Rümpler 3. Mammillaria sp.

Las Cuevas, 4 Kms antes de Guadiana, en el camino Tuitán-Guadiana. Sustrato rocoso volcánico.

4. Echinocereus pectinatus var. rigidissimus (Engel.) Rümpler 5. Mammillaria sp.

G. Municipio de Durango.

Dos Kms sobre la carretera Durango-Nombre de Dios

1. Mammillaria sp.

Quince Kms sobre la carretera Durango-Nombre de Dios

2. Echinosereus adustuts

Veinte Kms sobre la carretera Durango-Nombre de Dios.

4. Echinocactus horizonthalonius Lem.

Cuatro Kms sobre la carretera Durango-Canatlán

5. Echinocereus pectinatus var. rigidissimus (Engel.) Rümpler 6. Mammilaria aff. gummifera Engelmann

Diecisiete Kms sobre la carretera Durango-Canatlán

7. Mammillaria sp.

Veinte Kms sobre la carretera Durango-Canatlán

8. Mammillaria mercadensis

Nueve Kms sobre carretera Durango-Canatlán

10. Mammillaria sp.

Chupaderos

11. Echinofossulocactus multicostatus (Figura 3) 12. Echinocereus pectinatus var. rigidissimus (Engel.) Rümpler 13. Mammillaria aff. gummifera

H. Municipio de Nombre de Dios

1. Echinocactus horizontalonius Lem.

I. Municipio de Gómez Palacio

1. Ancistrocactus sp.

J. Municipio de Cuencamé

1. Coryphantha (Dietrich) 2. Coryphantha palmeri 3. Echinocereus pectinatus var. rigidissimus (Engel.) Rümpler 4. Mammillaria sp.

5. No identificada.

Echinocereus pectinatus y Mammillaria aff. gumífera son de las especies más abundantes y más ampliamente distribuidas dentro del Estado. Crecen en hábitats y comunidades diversos y pueden crecer en una amplia gama de tipos de suelos, pendientes y altitudes. La diversidad de géneros para el Estado de Durango es de 17 y la de especies asciende a más de 22.

. Fig. 1 Echinocereus pectinatus (Scheidw.) Egelm. Coneto de Comonfort, Durango.

Fig. 2 Echinocactus horizontalonius Suchil, Durango.

Figura 6. Echinofossulocactus multicostatus, Chupaderos, Dgo.

II. Análisis Palinológico

Como resultado de este estudio se elaboró una colección de preparaciones microscópicas permanentes y una colección microfotográfica de los granos de polen de las especies de la familia Cactácea encontradas dentro de los límites del Estado de Durango. En esta colección también se incluyeron especies de distribución geográfica diferente debido a que se tuvo acceso a muestras de polen. Esto permitió comparar la morfología de los granos de polen entre una gama más amplia de especies. La relación de especies incluidas es la siguiente:

Astrophytum myriostigma Astrophytum asterias Astrophytum capricorne Coryphantha elephantidens (Durango) Coryphantha palmeri (Durango) Echinocactus horizonthalonius Lem. (Durango) Echinocereus engelmannii Echinocereus adustus (Durango) Echinocereus pectinatus var. rigidissimus (Engel.) Rümpler (Durango) Echinofossulocactus erectrocentrus (Durango) Echinomastus sp. Echinopsis sp. X Epicactus Epithelantha micromeres (Durango) Ferocactus sp. Ferocactus sp. Lobivia silvestrii Lobivia famatimensis Lophophora williamsii Mammillaria crucigera Mammillaria carnea Mammillaria sphaerica Mammillaria microcarpa Mammillaria sanangelensis Mammillaria theresae (Durango) Mammillaria jaliscana Mammillaria mathildae Mammillariqa potsii (Durango) Melocactus matanzanus Myrtillocactus geometrizans (Martius) Console (Durango) Turbinicarpus flaviflorus Wilcoxia poselgeri

La forma, la simetría, el tamaño y las ornamentaciones de la exina de los granos de polen son todos atributos importantes para la caracterización de los esporofitos. En algunos casos esos parámetros tienen carácter específico (Gama, 1994) y constituyen entonces una herramienta taxonómica importante. Los granos de polen de las especies analizadas de la familia Cactaceae son muy homogéneos. Son heteropolares, es decir la longitud de los ejes polares son diferentes de las de los ejes ecuatoriales. Son tricolporados (con tres aberturas paralelas y meridionales al eje polar); con exina subtectada, microreticulada (figuras 7 a 8). La principal diferencia se presenta en el tamaño, éste, de acuerdo a Martínez-Hernández y col. (1993) es un carácter taxonómico, ya que en general permanece constante dentro de una misma especie.

III. Análisis citológico

Las observaciones microscópicas y los conteos se realizaron en cinco a 10 células de cada ejemplar. Los conteos cromosómicos se muestran en la tabla 1.

Tabla 1. Taxa analizados, procedencia y conteos cromosómicos. TAXON LOCALIDAD NÚMERO NÚMERO DE NÚMERO TIPO CARIOTÍPICO CÉLULAS DE DE OBSERVADAS INDIVIDUOS CROMOSOMAS POR ANALIZADOS INDIVIDUO Echinocereus Coneto de 2n = 22 5 5 Metacéntricos pectinatus Comonfort con tendencia a la acrocentricidad Chupaderos 2n = 33 con el aumento de ploidía Coryphantha Cuencamé 2n = 22 5 5 Metacéntricos pameri

El número cromosómico basal, 2n = 22, para la familia reportado por otros autores (Cota, 1991) coincide con lo encontrado en este estudio. Se encontraron diferentes grados de ploidía en Echinocereus pectinatus. En esta especies el grado de ploidía se relaciona con el origen de los individuos. Para todos los individuos de Coneto de Comonfort el número cromosómico fue de 2n = 22, mientras que para todos los de Chupaderos ese número fue de 2n = 33. Esto sugiere una variabilidad interpoblacional en el nivel de ploidía para Echinocereus pectinatus, que pudiera estar relacionada con diferencias en algún o algunos parámetros ambientales. Ejemplos sobre la variabilidad interpoblacional en el nivel de ploidía han sido presentados para otras especies de cactáceas, entre ellas para weberi (J. Coulter) Backeb (Gama, 1994). En Echinocereus pectinatus, especie en la que se encontraron niveles variables de ploidía, resulta interesante el hecho de presentarse una asociación en cuanto al nivel mayor de ploidía y la tendencia a presentar cromosomas acrocentrícos en vez de metacéntricos.

CONCLUSIONES Durango es un Estado rico en géneros y especies de Cactáceas. Las especies más abundantes son Mammillaria aff. gummifera Engelmann y Echinocereus pectinatus var. rigidissimus (Engel.) Rümpler. La morfología de los granos de polen para los elementos de la familia Cactaceae es muy homogénea, las diferentes dimensiones son las principales variaciones que se pueden apreciar. Los análisis mitóticos realizados sugieren que el número cromosómico base es 2n = 22 y que puede haber variabilidad en el nivel de ploidía asociada a la distribución geográfica. Los análisis sobre la morfología cromosómica indican que los cromosomas de las especies trabajadas son metacéntricos.

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