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ESTUDIO COMPARATIVO EN LA ECOFISIOLOGÍA DE CACTÁCEAS COLUMNARES
(TRIBU: PACHYCEREEAE)
TESIS QUE PRESENTA OLIVIA HERNÁNDEZ GONZÁLEZ PARA OBTENER EL GRADO DE DOCTORA EN CIENCIAS
ECOLOGÍA Y MANEJO DE RECURSOS NATURALES
Xalapa, Veracruz, México (2007)
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Aprobación final del documento final de tesis de grado:
“Estudio comparativo en la ecofisiología de cactáceas
(Tribu: Pachycereeae)” Nombre Firma Director Dr. Oscar L. Briones Villarreal ________________________ Comité Tutorial Dr. Pedro Guillermo Ángeles Álvarez________________________ Dr. José Luis Andrade Torres ________________________ Jurado Dr. Carlos Montaña Carubelli ________________________ Dr. Erick de la Barrera Montpellier ________________________ Dr. Joel David Flores Rivas ________________________ Dr. Andrew Vovides ________________________
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RECONOCIMIENTOS
El Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) me apoyó para la
realización de mis estudios y mi investigación mediante el otorgamiento de una beca-
crédito con número de registro 159 293.
Asimismo el Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) me apoyó
para la realización del trabajo de laboratorio y de campo mediante el proyecto 36 642-V
otorgado al Dr. Oscar L. Briones Villarreal.
La Comisión Federal de Electricidad (CFE) proporcionó el apoyo para el trabajo de
laboratorio por medio del Proyecto No. RGSE-CLS-04/01 otorgado al Dr. Oscar L. Briones
Villarreal.
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Raquel Levinstein
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Agradecimientos
A mi comité tutorial: Dr. Oscar Luis Briones Villarreal, Dr. Guillermo Ángeles
Álvarez y Dr. José Luis Andrade Torres, por su apoyo y sus acertados comentarios durante
el desarrollo de mi proyecto de investigación. Oscar gracias por tú apoyo en todo momento,
por las fructíferas discusiones, por el apoyo en el trabajo de campo y en los Congresos en
los que presente mi trabajo. José Luis gracias por tus sugerencias en el desarrollo de mi
trabajo y por la motivación que siempre me has brindado para trabajar con la ecofisiología
de plantas CAM. Guillermo gracias por los comentarios para mejorar la calidad de mi
trabajo y por la oportunidad de trabajar en tú laboratorio.
A los investigadores que amablemente revisaron mi tesis y forman parte de mi
jurado: Dr. Carlos Montaña Carubelli, Dr. Erick de la Barrera Montpellier, Dr. Joel David
Flores Rivas y Dr. Andrew Vovides, quienes realizaron sugerencias y comentarios que
enriquecieron la presentación final de mi tesis.
Al Dr. Peter Hietz quien amablemente leyó mi anteproyecto de investigación y
participo en dos de mis exámenes tutoriales, aportando sugerencias que ayudaron a mejorar
la calidad de mi trabajo. Por la inquietud que despertó en mi para trabajar con la
fluorescencia y por sus enseñanzas en el laboratorio.
Al Dr. José Aké Castillo, por el apoyo y compromiso que siempre demostraste con
mi trabajo de campo. Por la experiencia compartida en nuestra formación académica, así
como en diversos aspectos del desarrollo humano. Por compartir con mis hijos tantos
momentos agradables, principalmente en natación. Pero sobre todo, gracias por tú amistad.
A la Dra. Angélica Hernández, por compartir diversos cursos y experiencias durante
nuestros estudios, por tú amistad.
A Doña Trini y su familia que amablemente me brindaron su casa, su tiempo y su confianza en todas las ocasiones que fue necesario realizar el trabajo de campo, durante casi dos años.
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A los amigos que amablemente me ayudaron en el trabajo de campo o de
laboratorio: José, Ariadna, Miriam, Angélica, Paty, Tony, Chela, Carolina y Antonio, a
todos les agradezco su colaboración.
A Gloria Martínez, por tú apoyo incondicional en todo momento, por los ratos tan
agradables acompañados de un café, por el apoyo para realizar tramites y por tú amistad.
A mis hijos, Víctor Hugo y Javier Alejandro, por su ayuda en el trabajo de campo y
de laboratorio, por caminar conmigo en todo momento, en la realización de mis metas y en
mi crecimiento personal.
A la Dra. Raquel Levinstein, por el apoyo y las herramientas que me ha brindado
para transformar mi vida, para superar los problemas que enfrento día con día y por que sin
su ayuda no hubiera sido posible la culminación de este trabajo.
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DECLARACIÓN
Excepto cuando es explícitamente indicado en el texto, el trabajo de investigación
contenido en esta tesis fue efectuado por Biol. Olivia Hernández González como estudiante
de la carrera de Doctorado en Ciencias (Ecología y Manejo de Recursos Naturales entre
Agosto del 2000 y Noviembre del 2007, bajo la supervisión del Dr. Oscar Luis Briones
Villarreal.
Las investigaciones reportadas en esta tesis no han sido utilizadas anteriormente
para obtener otros grados académicos, ni serán utilizadas para tales fines en el futuro.
Candidato: _____________________________
Director de tesis: _____________________________
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ÍNDICE
Lista de Figuras.........................................................................................................11
Resumen....................................................................................................................15
1. Introducción general …………………………………………………………………….16
1.1. Literatura citada ...……………………………………………………………..21
2. Crassulacean acid metabolism photosynthesis in columnar cactus seedlings during
ontogeny: the effect of light on nocturnal acidity accumulation and chlorophyll
fluorescence ………………………………………………………………………………..24
2.1. Abstract ...............................…..........................................................................25
2.2. Introduction .......................................................................................................25
2.3. Materials and methods ......................................................................................26
2.4. Results ...............................................................................................................27
2.5. Discussion ....................................................................................................….30
2.6. Conclusions …………………………………………………………………...31
2.7. Literature cited ..................................................................................................31
3. Seasonal patterns of chlorophyll fluorescence in five cactus species: influence of the light
period and stem orientation ………………………………………………………………..33
3.1. Abstract .............................................................................................................34
3.2. Introduction .......................................................................................................34
3.3. Material and methods ....................................................................................…36
3.4. Results ...............................................................................................................38
3.5. Discussion .........................................................................................................40
3.6. Conclusions……………………………………………………………………43
3.7. References ..................................................................................................…...43
10
4. Correlación filogenética de características ecofisiológicas en cactáceas columnares .....52
4.1. Resumen ............................................................................................................53
4.2. Introducción .......................................................................................................53
4.3. Materiales y métodos .........................................................................................55
4.4. Resultados .........................................................................................................57
4.5. Discusión ….......................................................................................................58
4.6. Conclusiones… ……...………………………………………………………..59
4.7. Literatura citada……………………………………………………………….59
5. Conclusión general ...........................................................................................................64
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LISTA DE FIGURAS Table 2.1. Linear regression model between acid accumulation and time for 1-day-old
columnar cacti seedlings subjected to low light (LL, 30% of full sunlight) and high
light (HL, 60% of full sunlight) treatments. The daily acid data were adjusted to the
sinusoidal function y = b(sin x)+a, where the sampling hour is the independent
variable expressed in radians, the constant a is the mean concentration of acids, and
the slope b is the amplitude of the periodic variation in acid concentration (Altesor
et al., 1992)………………………………………………………………………..28
Table 2.2. Photosynthetic efficiency of photosystem II (ΔF/Fm’) for cactus adults and
seedlings at midday on a sunny day. Instantaneous photosynthetic photon flux
density (PPFD) was >2000 µmol m-2 s-1 during the readings for the adults.
Instantaneous mean PPFD was 1500 and 750 µmol m-2 s-1 for the treatments with
HL (high light) and LL (low light), respectively, during the observations of the
seedlings (N = 5 adults; N = 3 seedlings). F, P = F test and probability one-way
ANOVA values, respectively; NA = not applicable. Different letters within a row
for each species indicate a significant difference at P < 0.05……………………29
Table 3.1. Environmental and chlorophyll fluorescence variables dimensions with the factor
loadings for the Principal Components Analysis. The symbol * it indicates that the
variable is significant with alpha = 0.05………………………………………….46
Table 3.2. Canonical Correlation Analysis relating chlorophyll fluorescence variables with
environmental variables…………………………………………………………..46
Table 3.3. Canonical structure and redundancy index for the first canonical function of
dependent and independent variates………………………………………………47
Cuadro 4.1. Correlación de los contrastes independientes obtenidos a partir de la filogenia.
La correlación de los contrastes independientes se realizó por medio de regresiones
entre cada par de caracteres. Se presentan solamente los casos en donde la
correlación fue significativa......................................................................................61
Cuadro 4.2. Componentes del análisis de autoregresión espacial filogenético en cada
caracter analizado......................................................................................................61
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Fig. 1.1. Resumen de la filogenia propuesta por Cornejo y Simpson (1997) para la Tribu
Pachycereeae, de la familia Cactaceae. Se incluyen las subtribus Stenocereinae y
Pachycereinae............................................................................................................23
Fig. 2.1. Daily course of environmental variables: (A) air temperature and (B)
photosynthetic photon flux density (PPFD). Data are presented for the two light
treatments (HL = high light and LL = low light). Numbers indicate the day of the
experiment. Letters indicate the day the species germinated: a, Neobuxbaumia
tetetzo; b, Pachycereus weberi; c, Stenocereus stellatus; d, Ferocactus recurvus; e,
Escontria chiotilla; and f, Myrtillocactus geometrizans. Data were averaged every 3
h…………………….…………………………………………………………….27
Fig. 2.2. Fluctuation in the titratable acidity during a 24-hour cycle in 1-d-old cactus
seedlings subjected to two light treatments ( = low light; = high light). (A, B)
Neobuxbaumia tetetzo; (C, D) Pachycereus weberi; (E, F) Ferocactus recurvus; (G,
H) Stenocereus stellatus; (I, J) Escontria chiotilla; and (K) Myrtillocactus
geometrizans. The periodicity of titratable acidity followed a statistically significant
sinusoidal function in all species and light treatments (N = 3). Degrees of freedom
and F and P values are in Table 1. Solid bar indicates the period of darkness……27
Fig. 2.3. Maximum concentration of acids in 1-, 2-, 7-, and 48-d-old cactus seedlings under
two light conditions ( = low light, LL; = high light, HL). Total light received
by the seedlings 1 d before titratable acidity was determined ( = LL; = HL).
Bars indicate SE (N = 3). Statistically significant differences in the means of
maximum titratable acidity among dates and light treatments for each species are
indicated by the different letters (P < 0.01, Tukey means comparison test)………28
Fig. 2.4. Maximum and minimum titratable acidity for adult plants of Ferocactus recurvus,
Pachycereus weberi, Myrtillocactus geometrizans, Escontria chiotilla and
Stenocereus stellatus under field conditions during the rainy season. Vertical bars
indicate SE (N = 5)…………………………………………………..…………….29
Fig. 2.5. Apparent rate of electron transport (ETR) on increasing photosynthetic photon
flux density (PPFD of instant light-response curves for (A, B) Neobuxbaumia
tetetzo, (C, D) Pachycereus weberi, (E, F) Ferocactus recurvus, (G, H) Stenocereus
stellatus, (I, J) Escontria chiotilla, and (K) Myrtillocactus geometrizans.
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Measurements were taken at midday with 1-wk-old seedlings under two different
light intensities. Data were adjusted using an exponential function to determine the
cardinal points (ETRmax and PPFDsat). Different letters and numbers indicate
statistically significant differences (P < 0.05, Tukey means comparison test)
between light treatments for each species in the means of ETRmax and PPFDsat,
respectively………………………………..………………………………………30
Fig. 3.1. Average monthly values of pluvial precipitation and temperature in Venta Salada
on the Valle de Tehuacán-Cuicatlán Biosphere Reserve in the state of Puebla,
Mexico……………………………………………………………………………..47
Fig. 3.2. Diurnal courses of photosynthetic photon flux density incident (PPFDi) on the
branches, with orientations (east and west). During a day in July (closed symbols)
and in January (open symbols)…………………………………………………….48
Fig. 3.3. Diurnal courses in the rate of transport of electrons (ETR = Fm'-F/Fm' x PAR x
0.5 x 0.84), during a day in July (closed symbols) and in January (open symbols), in
two orientations: east and west…………………………………………………….48
Fig. 3.4. Diurnal courses in the potential quantum yield of PSII, calculated as Fv/Fm' were
taken at pre-dawn (5 hrs) and the effective quantum yield of PSII calculated as
ΔF/Fm' during a day in July (closed symbols) and in January (open symbols). In two
orientations: east and west…………………………………………………………49
Fig. 3.5. Diurnal courses in the dissipation of thermal energy (NPQ = (Fm-Fm’)/Fm’),
during a day in July (closed symbols) and in January (open symbols). In two
orientations: east and west…………………………………………………………49
Fig. 3.6. Environmental variables and chlorophyll fluorescence parameters with the
Principal Components Analysis. PC 1 represents the interrelationships among ETR
and all environmental variables. PC 2 only represent the interrelationships among
ΔF/Fm' and PPFDi and temperature……………………………………………….50
Fig. 3.7. Monthly fluctuations of the potential quantum yield of PSII (Fv/Fm') data taken in
the pre-dawn (5 hrs) and the effective quantum yield of PSII (ΔF/Fm') data taken in
the morning (10 hrs) and afternoon (17 hrs). In two orientations: east and west…..50
Fig. 3.8. Left panels: Monthly courses of photosynthetic photon flux density incident
(PPFDi) on the stems. Data taken in the morning (at 1000) in orientation east (A)
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and west (C); and in the afternoon (at 1700) in orientation east (B) and west (D).
Right panels: Monthly courses of apparent electron transport (ETR). Data taken in
the morning (at 1000) in orientation east (E) and west (G); and in the afternoon
(1700) in orientation east (F) and west (H)…………………………………….…..51
Fig. 4.1. Relación filogenética de las especies incluidas en este estudio para la Tribu
Pachycereeae. Datos basados en la filogenia propuesta por Cornejo y Simpson
(1997). Se incluye a Ferocactus recurvus como grupo externo................................62
Fig. 4.2. Análisis multivariado de Componentes Principales para los cinco caracteres en
estudio. Los caracteres incluidos en el circulo presentan una correlación
significativa con P<0.05............................................................................................62
Fig. 4.3. Análisis de regresión de los contrastes independientes para acidez nocturna y
tiempo de germinación de nueve especies de cactáceas columnares. La correlación
entre las variables significa (P<0.001)......................................................................63
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RESUMEN
La familia Cactaceae es un componente ecológico importante en las zonas áridas y
semiáridas de América. Son plantas suculentas xéricas con adaptaciones morfológicas y
fisiológicas que les permiten desarrollarse en ambientes limitados por agua. Las cactáceas
columnares (Tribu Pachycereeae) son un grupo fisonómicamente predominante y poco
estudiado fisiológicamente. El objetivo de este trabajo fue analizar la ecofisiología de
cactáceas columnares, con especial énfasis en la fotosíntesis, evaluando su respuesta frente
al estrés lumínico, hídrico y térmico ocasionado por las variaciones ambientales que existen
en Venta Salada, Puebla, México, zona que pertenece a la Reserva de la Biosfera del Valle
de Tehuacán-Cuicatlán. Se determinó experimentalmente la fluctuación de acidez y la
eficiencia fotosintética durante la ontogenia de las plántulas de cinco cactáceas columnares
y un cactus globular evaluando su respuesta en dos condiciones de luz. En individuos
adultos de las mismas especies se analizó la relación entre la eficiencia fotosintética y las
variables ambientales durante un año en condiciones de campo. Además, se determinó la
correlación de las variables fisiológicas considerando la filogenia a la que pertenecen las
especies por medio del método comparativo. Se encontró que todas las plántulas analizadas
utilizan la vía fotosintética CAM desde el inicio de su desarrollo y son capaces de
aclimatarse a las condiciones de luz en las que se desarrollan por medio de ajustes
fotoquímicos, rechazando la hipótesis en boga de que poseen la vía C3 al germinar y
posteriormente cambian a CAM. Las especies estudiadas realizaron eficientemente su
actividad fotosintética durante todo el año, con una ligera disminución durante el invierno y
la época de sequía. El factor ambiental más importante que afectó su respuesta fotosintética
fue la densidad de flujo de fotones para la fotosíntesis incidente sobre las ramas. Los
caracteres fenotípicos (variables fisiológicas) se correlacionaron fuertemente a nivel
filogenético, considerándose que tanto la herencia ancestral (inercia filogenética) como la
selección natural (adaptación), han moldeado en distinto grado a la eficiencia fotosintética,
capacidad de acumulación nocturna de ácidos, capacidad germinativa y forma de
crecimiento de las cactáceas columnares.
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CAPÍTULO 1
Introducción General
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INTRODUCCIÓN
Las zonas áridas y semiáridas se caracterizan por presentar de 250 a 450 mm de
precipitación anual y, por lo tanto, la disponibilidad de agua es el parámetro físico más
importante que determina la composición de la flora en estos ecosistemas. Esto tiene
consecuencias importantes en las estrategias que las plantas deben desarrollar para
establecerse y sobrevivir (Noy-Meir 1973; Ehleringer 1985; Nobel 1996).
Las cactáceas se desarrollan principalmente en zonas áridas y semiáridas, por lo que
presentan diversas adaptaciones morfológicas, fisiológicas y reproductivas, como la
presencia de tallos suculentos y fotosintéticos, espinas, raíces contráctiles y superficiales,
flores que abren en las horas menos calientes y frutos atractivos para organismos
polinizadores y dispersores de las semillas (Gibson y Nobel 1986). La mayoría de las
cactáceas realizan la fotosíntesis por medio del metabolismo ácido de las crasuláceas
(CAM, siglas en inglés) (Winter y Smith 1996b). Los tallos presentan tejido fotosintético
(clorénquima) y parénquima muy desarrollado que les permite conservar agua y nutrientes
para sobrevivir durante prolongados períodos de sequía (Bravo-Hollis 1978; Nobel 1988).
Además, están cubiertos por una gruesa cutícula impermeable que los protege, evitando que
se pierda agua por otra vía que no sean los estomas, los cuales abren predominantemente en
la noche, por lo tanto se reduce la transpiración (Lüttge 2002). Si la planta carece de
reservas suficientes de agua para mantenerse transpirando, los estomas pueden cerrarse
indefinidamente hasta que los tejidos vuelven a recargarse de agua (Nobel 1988), este
mecanismo es su seguro de vida para casos extremos. Debido a su baja tasa de transpiración
y su alta eficiencia en el uso del agua (Gibson y Nobel 1986, Nobel 1988), las cactáceas se
han considerado como plantas ahorradoras de agua y por ello tolerantes a la sequía.
Las cactáceas al realizar la fotosíntesis por medio del CAM, (Winter y Smith
1996b) pueden reducir el gasto de agua en este proceso (Osmond 1978; Nobel 1988). En la
ruta CAM el CO2 es fijado durante la noche cuando los estomas abren y el producto
capturado de ácidos de 4 carbonos se almacena en las vacuolas de las células del
clorénquima. Durante el día, el cierre estomático minimiza la transpiración, y se lleva a
cabo la descarboxilación del ácido málico, permitiendo la entrada de CO2 al ciclo de Calvin
(Osmond 1978; Winter y Smith 1996a).
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El CAM aparentemente ha evolucionado independientemente en 30 familias
diferentes de plantas y muy probablemente tiene un origen polifilético (Winter y Smith
1996b; Cornejo y Simpson 1997). En la familia Cactaceae, CAM está distribuido
ampliamente en muchos de sus géneros, pero la especies más ancestrales del género
Pereskia son plantas C3 (Nobel 1988; Guralnick y Jackson 2001). El común denominador
en todas las especies que presentan CAM es que el CO2 atmosférico durante el día no está
realmente disponible para estas plantas, debido a que la captura diurna del CO2 ocasionaría
un costo extremadamente alto por la pérdida de agua. Por lo que la vía CAM es una
respuesta adaptativa para incrementar la eficiencia en el uso del agua (Ehleringer y Monson
1993; Lüttge 2002).
Las especies CAM pueden responder al ambiente ajustando su expresión ya que
presentan una gran plasticidad dependiendo de la especie (Dodd et al. 2002). Los factores
ambientales que pueden afectar el CAM son la temperatura, la radiación y el estado de
hidratación del tejido, entre otros factores (Nobel y Hartsock 1983; Borland et al. 1992;
Lerdau et al. 1992; Mattos et al. 1999; Mattos y Lüttge 2001, Dodd et al. 2002). Los
requerimientos energéticos para CAM se han descrito recientemente usando registros de la
fluorescencia de la clorofila en campo y en laboratorio (Maxwell et al. 1999; Mattos et al.
1999; Griffiths et al. 2002) lo que permite estimar la actividad fotosintética durante el día
(Winter et al. 1990), cuando los estomas están cerrados y la fotosíntesis no puede evaluarse
por medio de técnicas de intercambio de gas. Las plantas que presentan CAM son
dependientes del almacenaje limitado de ácido málico como fuente de CO2 para mantener
la tasa de transporte de electrones (Barker y Adams 1997) y su respuesta fotosintética es
dependiente de la magnitud de flujo de fotones para la fotosíntesis (FFF; 400-700 nm), así
como de la hora del día en el cual la radiación es recibida (Adams y Demmig-Adams
1996). Algunos de los cambios característicos observados en respuesta a la luz excesiva,
son la reducción en la fotosíntesis y ciertos cambios en la emisión de la fluorescencia de la
clorofila, así como un aumento de la disipación térmica de la energía (Adams et al. 1987;
Adams y Demmig-Adams 1996; Barker y Adams 1997). El incremento en los niveles de
disipación térmica de la energía las plantas pueden ayudar a proteger el fotosistema II
(PSII) de la sobre-excitación y el fotodaño, sin embargo esto produce una disminución del
19
rendimiento cuántico efectivo en la fotoquímica del PSII (de Mattos et al. 1999) y en
ocasiones puede producirse fotoinhibición (Einhorn et al. 2004).
El metabolismo ácido ha evolucionado independientemente en diferentes tiempos
dentro de las angiospermas y muy probablemente tiene un origen polifilético (Winter y
Smith 1996b; Cornejo y Simpson 1997). Asimismo, el CAM pudo haber evolucionado
independientemente también entre varios géneros, inclusive de la misma familia (Martin y
Wallace 2000). Lo anterior podría explicar las variaciones en los patrones del metabolismo
CAM entre las especies y por medio de una correlación filogenética se podría describir la
similitud entre especies debido a su historia evolutiva (Martins y Hansen 1996). Algunas
especies se han clasificado como CAM facultativas, es decir tienen la capacidad de cambiar
de C3 a CAM dependiendo de las condiciones ambientales (microhábitat) y forma de vida
(Nobel y Hartsock 1983; 1986; Kluge y Brulfert 1996; Martin y Wallace 2000). Además, se
ha determinado que las especies que presentan cambio de C3 a CAM prolongan los
periodos de su actividad, crecimiento y reproducción en condiciones de sequía y salinidad.
Se han realizado diversos estudios sobre el cambio de la vía fotosintética en la ontogenia de
algunas cactáceas (Altesor et al. 1992; Loza-Cornejo et al. 2003; Ayala-Cordero et al.
2006), quienes reportan que en todas las especies se presentó el metabolismo C3
inmediatamente después de la germinación y durante varias semanas, cambiando
posteriormente a CAM. Sin embargo estos trabajos se realizaron en laboratorio y con un
FFF muy bajo si se compara con las condiciones naturales en las que se desarrollan estas
especies.
El establecimiento de las plántulas es una etapa crucial en el ciclo de vida de las
especies. Sin embargo, se ha puesto poca atención sobre la ecofisiología de las plántulas en
comparación con los estudios realizados con individuos adultos. En las cactáceas se ha
considerado que el metabolismo del carbono puede ser crítico para la supervivencia de las
plántulas durante las primeras semanas de vida (Van der Valk 1992). El presentar CAM
sería una ventaja ecofisiológica que favorecería el establecimiento de las plántulas de
cactáceas, debido a que éstas requieren una gran capacidad de almacenamiento de agua
después de la germinación y durante su primera estación “húmeda”, para sobrevivir
posteriormente a la sequía (Nobel 1986). Las plántulas de cactáceas también se desarrollan
20
en condiciones extremas de temperatura debido a que presentan una gran tolerancia térmica
(60 ºC a - 10 ºC) (Nobel 1984).
Con base en lo expuesto, se planteó determinar el efecto de la luz en condiciones de
invernadero sobre la expresión del CAM en las cactáceas columnares, particularmente
sobre el cambio de vía fotosintética de C3 a CAM en el estado de plántulas, durante el
desarrollo ontogenético. También, se planteó determinar el efecto de la luz, temperatura y
humedad relativa en el patrón de fijación de CO2, evaluado por medio de la acumulación de
ácidos orgánicos. Así como en la eficiencia fotosintética, determinada por medio de la
fluorescencia de la clorofila, en plantas adultas de cactáceas en el campo, durante un año.
Asimismo, utilizando variables fisiológicas se plantean las tendencias filogenéticas en la
tribu Pachycereeae (subfamilia Cactoideae).
Se plantearon los siguientes objetivos para llevar a cabo esta investigación:
1) Determinar el efecto de la intensidad de la luz sobre la capacidad del cambio C3 a
CAM y sobre la fotoquímica de la fotosíntesis (fluorescencia de la clorofila) durante la
ontogenia de seis especies, cinco cactáceas columnares y una globular, evaluando su
respuesta bajo dos condiciones de luz similares a las que están expuestas durante su
establecimiento.
2) Determinar el efecto de la variación estacional de los factores ambientales en la
fluctuación de los ácidos orgánicos y la fluorescencia de la clorofila en plantas adultas de
las cinco especies.
3) Determinar la correlación filogenética entre acumulación de ácidos, fluorescencia
de la clorofila, germinación, nitrógeno y crecimiento, por medio del método comparativo.
Para cumplir con estos objetivos el trabajo se dividió en varias fases y se presentan
como diferentes capítulos:
Capítulo 2) Crassulacean acid metabolism photosynthesis in columnar cactus
seedlings during ontogeny: the effect of light on nocturnal acidity accumulation and
chlorophyll fluorescence.
Capítulo 3) Seasonal patterns of chlorophyll fluorescence in five cactus species:
influence of the light period and stem orientation.
Capítulo 4) Correlación filogenética de características ecofisiológicas en cactáceas
columnares.
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El presente trabajo se realizó en la provincia fitogeográfica, del Valle de Tehuacán-
Cuicatlán, el cual se encuentra ubicado entre los 17º 48’ y 18º 58’ de latitud norte y los 97º
03’ y 97º 43’ de longitud oeste. Esta provincia es la región árida y semiárida más
meridional de México, con un clima semicálido, con precipitación media anual de 400 a
500 mm (Valiente-Banuet et al. 2000). El Valle de Tehuacán-Cuicatlán es un centro de
diversidad de cactáceas y ha sido considerado como el área más rica en especies de
cactáceas columnares en el mundo (Casas et al. 2002).
Para elegir las especies con las que se trabajó se empleó la filogenia de la tribu
Pachycereeae propuesta por Cornejo y Simpson (1997). La tribu Pachycereeae tiene 68
especies, su distribución es desde el norte del Desierto Sonorense en México, hasta Costa
Rica. Todas las especies presentan las siguientes características: son columnares,
cilíndricas, suculentas, y con costillas. Se eligió un género representativo de cada uno de
los principales clados (Fig. 1). De la subtribu Stenocereinae se trabajó con: Stenocereus
stellatus (Pfeiff.) Riccob., Myrtillocactus geometrizans (Mart.) Console y Escontria
chiotilla (Weber) Rose y de la subtribu Pachycereinae con: Neobuxbaumia tetetzo (Weber)
Backeb. y Pachycereus weberi (Weber) Buxb. También se trabajó, para fines comparativos,
con una cactácea globular, que no pertenece a la tribu Pachycereeae: Ferocactus recurvus
(Haw.) Britton & Rose, esta especie también es suculenta y con costillas.
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Fig. 1. Resumen de la filogenia propuesta por Cornejo y Simpson (1997) para la Tribu
Pachycereeae, de la familia Cactaceae. Se incluyen las subtribus Stenocereinae y
Pachycereinae, así como Ferocactus recurvus.
24
CAPÍTULO 2
Crassulacean acid metabolism photosynthesis in columnar cactus seedlings during
ontogeny: the effect of light on nocturnal acidity accumulation and
chlorophyll fluorescence
American Journal of Botany 94(8): 1344-1351. 2007.
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CAPÍTULO 3
Seasonal patterns of chlorophyll fluorescence in five cactus species:
influence of light period and stem orientation
Sometido a New Phytologist
34
Seasonal patterns of chlorophyll fluorescence in five cactus species:
influence of light period and stem orientation
OLIVIA HERNÁNDEZ-GONZÁLEZ1, JOSÉ LUIS ANDRADE2 AND OSCAR BRIONES1
1Departamento de Biología Evolutiva, Instituto de Ecología, A. C., Apartado 63, 91000 Xalapa, Veracruz, Mexico 2Unidad de Recursos Naturales, Centro de Investigación Científica de Yucatán, A. C., Calle 43 No. 130, Colonia Chuburná de Hidalgo, C. P. 97200, Mérida, Yucatán, Mexico.
Abstract Seasonal variation in chlorophyll fluorescence of two oriented photosynthetic stems of five cacti species in the field during one year was investigated. Diurnal changes in the fractions of absorbed light energy utilized to drive photosystem II (PSII) photochemistry (Fv/Fm' and ΔF/Fm'), apparent electron transport rate (ETR) and energy dissipated in PSII antennae (NPQ) showed differences in magnitude but their performances were similar among species. Due to the stem architecture, variation in all physiologic variables during the photoperiod was depending of incident photosynthetic photon flux density (PPFDi) on the branches and the branch orientation. ETR and PPFDi were greatest in the east-facing branch and lowest in the west-facing branch in the morning, but these patterns were inversed in the afternoon. Pre-dawn potential quantum yield of PS II (Fv/Fm') was greater than 0.8 for all species and was similar in both west and east branches, indicative of a night recovery in the PSII and no photodamage or photoinhibition was detected in any time. With the multivariate analysis we determined that air and plant temperature, relative humidity and PPFDi were strongly correlated with the ETR; nevertheless ΔF/Fm' was inversely correlated with the PPFDi. We determined that under field conditions the cacti species realized efficiently the capture and utilization of the light for the photosynthesis all year in spite of the stressful desert conditions with air temperature between 30 and 40 ºC and PPFD between 1200 and 1500 μmol m-2 s-1. We determined that the most important factor that affects the photosynthetic activity was the PPFDi on the branches and was also observed that a very particular microenvironment is made around the branches during the photoperiod. Keywords: Chlorophyll fluorescence, CAM, cacti, light, multivariate analysis
Introduction
Plants that show Crassulacean acid metabolism (CAM), such as cacti, are dependent of the
limited storage of organic acids as a source of CO2 to maintain high rates of electron
transport (Nobel and Hartsock, 1983; Adams III et al., 1987; Barker and Adams III, 1997).
In columnar cacti, as well as in other succulent species, the atmospheric CO2 is taken
almost exclusively during the night, even when plants are well watered (Nobel, 1988).
During the day and when stomata are closed, gas exchange measurements are not useful to
35
detect photosynthetic activity, but with the measurement of the chlorophyll fluorescence, it
is possible to measure the photosynthetic activity during the phase III of CAM (Winter and
Smith, 1996). Fluorescence measurements can also provide information on the utilization
and dissipation of light energy in the steady state when photosynthesis is fully operative.
When determined in the dark adapted state, the ratio of variable to maximal fluorescence
(Fv/Fm') is a measure of the potential quantum yield of photosystem II (PSII), which can be
used to evaluate reductions of PSII activity caused by acute stress (Demmig and Björkman,
1987; Bilger et al., 1995). Changes in Fv/Fm' are proportional to the quantum yield of CO2
fixation (mol CO2 mol photon-1) for a wide range of species under saturating CO2 (Nippert
et al., 2004) and PSII quantum yield in the light (ΔF/Fm') is a measure of the effective
quantum yield (Lüttge et al., 2001). Evaluation of both, photosynthesis and stress-induced
effects, are necessary for analyzing plant performance under natural conditions. However,
measurements of chlorophyll fluorescence in the field to determine the actual responses of
the photosynthetic apparatus under natural conditions have been rather limited (Adams III
et al., 1989; Winter and Lesch, 1992).
In natural environments, photosynthetic organisms are exposed to a range of
fluctuating light intensities. At low light intensities, an increase in photosynthetic photon
flux density (PPFD, wavelengths of 400 to 700 nm) correlates with increased
photosynthetic carbon fixation, but, above a certain threshold, carbon fixation becomes
saturated and photosynthesis is incapable of using all of the energy absorbed by the light-
harvesting complexes (LHC) (Elrad et al., 2002). To cope with the excess of light, plants
respond with a suite of short-term and long-term photoprotective mechanisms that
minimize damage. A first line of defense in photoprotection is the thermal dissipation of
excess of excitation energy in LHC. This process decreases energy transfer to PSII and
energy dissipation, within LHC or thermal dissipation, results as the nonphotochemical
quenching of chlorophyll fluorescence (NPQ) that is reversed rapidly upon dissipation of
the thylakoid membrane pH gradient (Horton et al., 1996).
Photoinhibition caused by excessive PPFD is a main cause for reduction of Fv/Fm'
under natural conditions (Long et al., 1994). However, other stress factors, such as heat or
cold stress can also lead, directly or indirectly via induction of photoinhibition, to a
lowering of PSII quantum efficiency (Huner et al., 1993; Bilger et al., 1995). It is now
36
known that CAM plants are subject to photoinhibition, specially in Phase III with the very
high internal CO2 partial pressures (Lüttge, 2000). When the photoinhibition does occur,
the xanthophyll cycle is involved (Adams et al., 1987; Lüttge, 2000) and acclimation to
high light stress may succeed in CAM plants (Adams et al., 1987; Winter and Anwender,
1989; Lüttge et al., 1991; Adams and Demmig-Adams, 1996; Lüttge, 2002).
We measured chlorophyll fluorescence to examine the effect of seasonal
environmental variations on photosynthetic electron transport in five cacti species in field
conditions during one year. The evaluated cacti grow in a semi-arid region in south Puebla,
whose environmental conditions were also evaluated. The contribution of PSII
photochemistry to the decreased quantum yield of electron transport was assessed by
measuring fluorescence at environmental irradiance, during the day and pre-dawn, at two
orientations. We also compared the regulation of the photosynthetic electron transport in
each species caused by the seasonal variations and the proportion of the light that is used in
the effective quantum yield (ΔF/Fm'), in the transport of electrons and in the dissipation of
heat.
Material and methods
Study site
The field study was conducted from February 2003 to January 2004 in Venta Salada (18º
16’ N, 97º 9’ W; at 1000 m a. s. l.), Coxcatlán, on the Valle de Tehuacán-Cuicatlán
Biosphere Reserve, in the state of Puebla, Mexico. The vegetation is characterized by
xerophytic shrub and several species of the family Cactaceae are dominant in the area
(Rzedowski, 1978). The climate is characterized by a marked dry period from November to
May, a mean annual rainfall of 400 mm, and a mean air temperature of 20 ºC.
Plant material
We choose five species of the family Cactaceae, subfamily Cactoideae. Four species were
columnar cacti (tribe Pachycereeae): Pachycereus weberi (Coulter) Buxbaum, Stenocereus
stellatus (Pfeiffer) Riccobono, Escontria chiotilla (Weber) Rose and, Myrtillocactus
geometrizans (Martius) Console; and one was the barrel cactus (tribe Echinocactae):
Ferocactus recurvus (Miller) Lindsay. We selected five mature individuals of each species
with similar characteristics in height and covering. Branches were chosen with east and
37
west orientation, to evaluate the effect of the incident light on these orientations in different
hours of the day (Barker and Adams 1997). Measurements of the environmental parameters
and the chlorophyll fluorescence were accomplished approximately every two months,
during one year, with five measurements during the daylight. The following environmental
variables were determined: air temperature with a sensor Li-Cor 1000-15 (Li-Cor, Inc.,
Lincoln, NE, USA), photosynthetic photon flux density (PPFD) with a quantum sensor LI-
190SA (Li-Cor, Inc.) and relative humidity with a thermohygrometer Vaisala HMP45A
(Oyj, Finland) connected to a Data Logger LI-1000 (Li-Cor, Inc.). Monthly rainfall and air
temperature data were obtained from the meteorological station of the Sugar Mill of
Calipan, Puebla, located at 10 Km of the sampling area.
Chlorophyll fluorescence
Chlorophyll fluorescence measurements were performed using a pulse-amplitude
modulation fluorometer (Mini-PAM, Walz, Effeltrich, Germany). The chlorenchyma
(photosynthetic tissue) of the cacti branches was kept at a constant distance (approx 1 cm)
and at a 60º angle to the fiber optic by the instrument clip. Measurements of temperature
and PPFD close to the stem surface were taken with a thermometer and a micro-quantum
sensor respectively, accessories that can be adapted to the fluorometer. The effective
quantum yield of PSII was calculated as (Fm'-F)/Fm' = ΔF/Fm', where F is the light-
adapted fluorescence and Fm' is the maximum light-adapted fluorescence when a saturating
light pulse was superimposed to the prevailing environmental light levels. Readings of
potential quantum yield of photosystem II (Fv/Fm' = Fm-Fo) were taken at pre-dawn, were
Fm is the maximum dark-adapted fluorescence and Fo is the minimal fluorescence yield of
dark-adapted sample. The non-photochemical quenching (NPQ) was calculated as (Fm-
Fm')/Fm'. Apparent electron transport rates through PSII (ETR) were calculated as ΔF/Fm'
× PPFD × 0.5 × 0.84, where 0.84 it is a standard factor that corresponds to the fraction of
incident light absorbed by the photosynthetic tissue (Ehleringer, 1981).
Statistics
All values were subjected to MANOVA to test for significant differences between hours in
a day, orientation, species and month of the year. Before running statistical models, data
sets were checked for homogeneity of variance and, when necessary, appropriate
transformations were made. To determine the correlation between physiological variables
38
of the chlorophyll fluorescence and environmental variables, a principal components
analysis and a canonical correlation analysis were performed (Hair et al., 1998). The
Statistica ver 6.0 software package was used for the analysis (StatSoft, Tulsa, Oklahoma,
USA).
Results
The environmental conditions during sampling year in field are presented in Fig. 1. The
maximum mean air temperature was in May towards the end of the dry season and the rain
season is from June to October, the maximum value was in June. Also the environment
temperature was higher in the afternoons, with exception of June, and the relative humidity
diminishes gradually along the day, with the smaller values in the afternoons (data not
presented).
In the sampling of July, which was the month with higher precipitation, and
January, which was the coldest month (Fig. 1), it was observed that the photon flux density
incident (PPFDi) and ETR exhibited a similar pattern (Fig. 2 and 3). In the morning both
variables were greatest in the east-facing branch and lowest in the west-facing branch, in
the afternoon the ETR and PPFDi values were inverted. The maximum PPFDi on the east-
facing branch surfaces was in the early morning reaching 1199 μmol photons m-2 s-1 and
the west-facing branch surfaces was in late afternoon reaching 1302 μmol photons m-2 s-1,
these values was presented in F. recurvus (Fig. 2). The potential quantum yield of
photosystem II (Fv/Fm') pre-dawn values were greater than 0.8 for all species and were
similar in both west- and east-branches (Fig. 4), indicative of a recovery in the PSII. The
PPFDi (Fig. 2) presents an inverse pattern at the ΔF/Fm' (Fig. 4) in both orientations. At
sunrise, east branches underwent a depression in the ΔF/Fm' of PSII when the values of
PPFDi are high and increased throughout the afternoon under low PPFDi, whereas in the
west branches the pattern is inverse, in ΔF/Fm' decreases gradually throughout the day with
minimal values around 0.2 and increased the PPFDi. For all species, the decreasing in
ΔF/Fm' of PSII (Fig. 4) was accompanied by increases in NPQ with a very evident
increment in January (Fig. 5). In the east face the biggest values NPQ is at midday, but in
the afternoon NPQ increased markedly in west face (Fig. 5). The diurnal changes in the
fractions of absorbed light energy utilized to drive PSII photochemistry, ETR or dissipated
39
in PSII antennae were estimated for each of the five species in both orientations; they
presented similar tendencies to those described previously in all the species with significant
differences between orientations, species, months and hour of the day for all the variables
(F = 11.02; F = 16.38; F = 94.71; F = 77.08; P < 0.01, respectively) (Fig. 3, 4 and 5).
In November and January the environment temperature (Fig. 1) and the incident
light (PPFDi) (Fig. 8) were smaller, however the relative humidity was greater in these
months (data not presented). The plants temperature also diminishes in winter
approximately 10 oC compared with May that was the hottest month of the year with 43 oC
(data not presented). We observed that the pattern described in July's month ΔF/Fm'
remains similar throughout the year, with some decrease in the other analyzed variables
mainly when the environmental conditions change significantly (Fig 1), as in the cold
months of winter (January) or in the drought season (May) (Fig. 7 and 8). With the
MANOVA we determined significant differences through the year, in both orientations
along the photoperiod and also between species (P < 0.01). The seasonal variation of all
analyzed variables during the months of sampling in the different species are included in
the statistics analysis, but we only presented the results obtained in pre-dawn, 10 and 17 hrs
to observe the differences more clearly among the two orientations for each species.
Contrasting diurnal changes in chlorophyll fluorescence parameters were recorded at the
end of the drought season. The ΔF/Fm' (Fig. 7) diminish in all the species during May,
conversely ETR presents high values, as well as the PPFDi (Fig. 8). The branches increased
always their temperature as a direct consequence of the light that it received, in the west
orientation the temperature is highest in the afternoons (40º C in July, data not presented).
The eigenvalues of the PCA showed that there was a strong correlation between the
chlorophyll fluorescence parameters and the environmental variables. Together, the three
principal components explain 86% of the shared variance among all the variables. The
score of these components represents a lineal combination of the diurnal changes in
photosynthetic electron transport and they are strongly correlated with the environmental
variables, in each one of the components (Table 1). For PC1 the ETR and all the
environmental variables were significant (with α = 0.05) (Table 1), and it explains 43.51%
of the shared variance among all the variables. For the PC2 ΔF/Fm', environmental
temperature and PPFDi were significant, the PPFDi presented an inverse correlation with
40
the two first variables, explaining 27.56% of shared variance (Table 1). In the PC3 only
NPQ was significant, explaining 14.97% of the shared variance. The PCA plot (Fig. 6)
shows that ETR and the PPFDi are highly correlated and they are strongly affected by
plants temperature and the environmental temperature. While the ΔF/Fm' presents an
inverse relationship with PPFDi and ETR in the PC2.
In the canonical correlation analysis we determined as dependent variables the
physiologic responses of the cacti (ΔF/Fm', ETR and, NPQ), and as independent variables
PPFDi, plants temperature as well as the environmental conditions under which they were
developed (environmental temperature and relative humidity). Three canonical functions
were extracted, however the results indicate only one single relationship exists, supported
by the significance of the first canonical function with R2 = 0.93, representing a strong
relationship among the dependent and independent variables (Table 2). In the dependent
variate, ETR have canonical loading of 0.96 and ΔF/Fm' -0.64, this indicates that both
parameters have a high degree of correlation, although is inverse (Table 3). The
independent variate has a quite different pattern, with loadings ranging from 0.09 to 0.99,
but only environmental variable with the highest canonical loading is PPFDi (0.99).
However, the independent variate represents the set of variables that best predicting the
three dependent variables, for the amount of variance explained (redundancy index =
0.420) (Table 3).
Discussion
Measurements of chlorophyll fluorescence throughout the illuminated period normally
reveal a decrease in PSII photochemistry with increasing irradiance (Demmig-Adams et al.,
1996; Hymus et al., 2001; Barker et al., 2002; Martínez-Carrasco et al., 2002). We
observed a variety of changes in the photochemistry during the day, depending on the light
received on each orientation in the branches, with variations between species, but
presenting similar tendencies.
These diurnal patterns of changes in PSII efficiency and energy dissipation activity
(NPQ) from the east face were similar to what is observed in Opuntia macrorhiza (Barker
and Adams III, 1997). The PSII efficiency typically starts high in the morning, decreases to
a minimum during exposure to maximum PPFDi, and returns to a high value throughout the
41
day whereas NPQ is high in the morning and decreases throughout the day. However, the
bimodal pattern of diurnal changes in these two parameters exhibited by the west faces of
the O. macrorhiza cladodes does not coincide with what we observed on the west faces of
the branches of the five analyzed species. That is to say, west faces of the branches
exhibited sustained depressions of PSII efficiency concomitantly with the increases in
PPFDi (Fig. 2) and continued to decrease during exposure to maximum PPFDi in the
afternoon (Fig. 4), whereas NPQ increased only slightly (Fig. 5). Likewise, the elevated
availability of CO2 to CAM plants at midday may result in higher levels of utilization of the
absorbed radiation, in such a way that lower levels of energy dissipation activity may be
necessary (Barker and Adams III, 1997). That seems to be the case for the east and west
facing branches of the five cacti species analyzed, since PSII efficiency was always
relatively high at midday, whereas energy dissipation activity was relatively low (Fig. 2 and
5).
In all months the actual efficiency ΔF/Fm' declined to very low levels on both faces
upon exposure to peak irradiance, the west face experiencing a considerable increase in the
reduction state of PSII in the afternoon. The inverse correlation observed between ΔF/Fm'
and PPFDi is consistent in every studied species and on both orientations during the year.
Therefore, these CAM plants can be acclimatized to support a high stress of light, as
suggested by Adams and Demmig-Adams (1996). Likewise, pre-dawn values of efficiency
of photosystem II (PSII) were greater than 0.8 (except in May; Fig. 7), which is slightly
suboptimal when compared to values present in the literature for unstressed leaves of
higher plants (Björkman and Demmig, 1987) and were similar in both west and east
branches (Fig. 7). This values are an indication that permanent photoinhibition doesn't exist
(De Mattos and Lüttge, 2001), since during the darkness hours the PSII has recovered itself.
It has been postulated that the night accumulation of organic acids in CAM plants can
mitigate photoinhibition (Maxwell et al., 1992; Franco et al., 1996). These cacti maintain
their photosynthetic capacity throughout the year. We did not observe heat damage or
photoinhibition during the hottest and brightest period of the day during the whole year.
Such a trend of cacti to retain their photosynthetic capacity had not been observed before,
as far as we know.
42
The plants that present CAM are dependent on the limited storage of malic acid as a
source of CO2 to maintain a high rate of transport of electrons (Barker and Adams III,
1997). Also, it has been pointed out that the photosynthetic answer of CAM plants is
dependent on the magnitude of photon flow of and on the time of the day at which the
radiation is received (Nobel, 1988; Adams and Demmig-Adams, 1996), as was observed in
all the studied cacti. For east-faces branches we observed that the morning hours is when
PPFDi is highest. Because ETR is also high, a high fixation of CO2 must also occur (Barker
and Adams III, 1997). Therefore, a great percentage of energy that has been absorbed is
being used in the photosynthesis with a low deviation in the dissipation of thermal energy
(NPQ) with values that, in general, are very low.
However, in the west branches the high proportions of ETR were maintained in the
afternoon, when the biggest amounts of PPFDi were being received. As Heber et al. (1996)
pointed out, the activation of the malic enzyme for the presence of the light is very
important for the regulation of CAM,, therefore, the yield of CO2 from the malate in the
West branches requires the presence of light, for the descarboxilacion to carried out.
Considering the morphology of the succulent stem of columnar cacti, it is clear that it is
exposed to different levels of environmental PPFD during the day in their different
orientations, what contributes to having a differential gain of CO2 in the plant (Nobel,
1980), with a capacity of very efficient answer to carry out the photosynthesis and to
dissipate the energy in excess (Adams and Demmig-Adams, 1996), avoiding the
photodamage in their stem photosyntetics.
We see that the two dependent variables (ETR and ΔF/Fm') are inversely related and
create a well defined dimension for representing the physiological variables. This outcome
dimension is fairly well predicted by the set of independent variables when acting as a set.
However, we observed in the PC1 that a single variable (ETR) provides the substantive
contribution and this is the key predictors of the outcome dimension and presented a strong
correlation with all the environmental variables included in this study, because it explains a
high percentage of variability (Fig. 6). Bilger et al. (1995) reported the effective quantum
yield of PSII is in function of PPFD, simultaneous measurements of PPFD incident on the
leaf are absolutely essential As we observed in the PC2, ΔF/Fm' is only correlated strongly
with PPFDi in inverse form and it is also correlated with the ambient temperature. The
43
NPQ is a variable quite independent of the rest (PC3), because under natural sunny
conditions, cacti which have high photosynthetic activity, present low values of NPQ
during the year (Adams and Demmig-Adams, 1996).
Nippert et al. (2004) reported seasonal differences in the response of ΔF/Fm' to
varying temperature in montane conifers; however we have shown here that measurements
of chlorophyll fluorescence in cacti can aid in determining seasonal differences in
photosynthetic capacity that result from changes in daily time course of PPFDi,
temperature, species, and particular microclimate in every orientation along the
photoperiod. All the variables before mentioned are important, however with the canonical
correlation analysis of we determined that the most important environmental variable that
affects the photosynthetic capacity (ΔF/Fm' and ETR mainly; Table 3) is the PPFDi as it is
pointed out by Bilger et al. (1995).
Conclusions
Our results suggest that the five cactus species have a high photosynthetic capacity to carry
out efficiently their photosynthetic activity during the whole year. However, they could
confront adverse conditions during a long period, mainly during the winter and the spring.
All the studied environmental variables were important and were significantly correlated
with the photosynthetic capacity of the cacti. Nevertheless, when we analyzed the in situ
photosynthetic activity, we found that the PPFDi that branches received as the most
important factor. It was also observed a very particular microenvironment on the branches
during the photoperiod, which affected each one of the orientations and also showed
seasonal variations.
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46
Table 1. Environmental and chlorophyll fluorescence variables dimensions with the factor loadings for the Principal Components Analysis. The symbol * it indicates that the variable is significant with alpha = 0.05. Variables PC 1
(Factor 1)
PC 2
(Factor 2)
PC 3
(Factor 3)
T plant 0.863* 0.368 0.044
T environmental 0.670* 0.594* 0.169
Relative humidity -0.650* -0.470 -0.388
log PPFDi 0.797* -0.538* -0.240
log ΔF/Fm' -0.386 0.702* -0.266
log ETR 0.797* -0.447 -0.322
log NPQ -0.074 -0.485 0.795*
Explained variance 3.046 1.929 1.048
Proportion total 0.435 0.275 0.149
Table 2. Canonical Correlation Analysis relating chlorophyll fluorescence variables with environmental variables. Canonical
Function
Canonical
Correlation
Canonical
R2
Chi-sqr.
df p Lambda
Prime
1 0.96 0.93 3077.80 12 0.000 0.052
2 0.35 0.12 152.92 6 0.000 0.863
3 0.09 0.009 9.66 2 0.007 0.990
47
Table 3. Canonical structure and redundancy index for the first canonical function of dependent and independent variates. Variables / Variates Canonical
Loading
Canonical
Loading
Squared
Average
Loading
Squared
Canonical
R2
Redundancy
Index
Dependent Variables
ΔF/Fm' -0.64* 0.409
ETR 0.96* 0.922
NPQ 0.06 0.003
Dependent Variates 1.334 0.448 0.939 0.420
Independent Variables
T environmental 0.09 0.008
T plant 0.35 0.122
Relative humidity -0.14 0.019
PPFDi 0.99* 0.980
Independent Variate 1.129 0.288 0.939 0.271
Tem
pera
ture
(ºC
)
Pluv
ial P
reci
pita
tion
(mm
)
0
20
40
60
80
100
120
140
160
10
12
14
16
18
20
22
24
Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Jan
TemperaturePluvial Pre.
Fig. 1. Average monthly values of pluvial precipitation and temperature in Venta Salada on the Valle de Tehuacán-Cuicatlán Biosphere Reserve in the state of Puebla, Mexico.
48
Fig. 2. Diurnal courses of photosynthetic photon flux density incident (PPFDi) on the branches, with orientations (east and west). During a day in July (closed symbols) and in January (open symbols).
Fig. 3. Diurnal courses in the rate of transport of electrons (ETR = Fm'-F/Fm' x PAR x 0.5 x 0.84), during a day in July (closed symbols) and in January (open symbols), in two orientations: east and west.
49
Fig. 4. Diurnal courses in the potential quantum yield of PSII, calculated as Fv/Fm' were taken at pre-dawn (5 hrs) and the effective quantum yield of PSII calculated as ΔF/Fm' during a day in July (closed symbols) and in January (open symbols). In two orientations: east and west.
Fig. 5. Diurnal courses in the dissipation of thermal energy (NPQ = (Fm-Fm’)/Fm’), during a day in July (closed symbols) and in January (open symbols). In two orientations: east and west.
50
PC 1: (43.51%)
PC
2: (
27.5
6%)
T. Plant
T. Environmental
Rel. Hum.
Fm' - F / Fm'
ETR
PPFDiNPQ
-0.8
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
-0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Fig. 6. Environmental variables and chlorophyll fluorescence parameters with the Principal Components Analysis. PC 1 represents the interrelationships among ETR and all environmental variables. PC 2 only represent the interrelationships among ΔF/Fm' and PPFDi and temperature.
Fig. 7. Monthly fluctuations of the potential quantum yield of PSII (Fv/Fm') data taken in the pre-dawn (5 hrs) and the effective quantum yield of PSII (ΔF/Fm') data taken in the morning (10 hrs) and afternoon (17 hrs). In two orientations: east and west.
51
Fig. 8. Left panels: Monthly courses of photosynthetic phtoton flux density incident (PPFDi) on the stems. Data taken in the morning (at 1000) in orientation east (A) and west (C); and in the afternoon (at 1700) in orientation east (B) and west (D). Right panels: Monthly courses of apparent electron transport (ETR). Data taken in the morning (at 1000) in orientation east (E) and west (G); and in the afternoon (1700) in orientation east (F) and west (H).
52
CAPÍTULO 4
Correlación filogenética de las características ecofisiológicas
en cactáceas columnares
53
Correlación filogenética de las características ecofisiológicas
en cactáceas columnares
Resumen
Diversos estudios han mostrado que existen correlaciones entre caracteres morfológicos y
fisiológicos en las especies vegetales, pero al considerar a las relaciones filogenéticas entre
las especies se ha mostrado que estas correlaciones también pueden reflejar patrones
evolutivos. Cinco caracteres ecofisiológicos de nueve cactáceas columnares representativas
de la tribu Pachycereeae presentaron fuerte correlación al ser analizados por métodos
estadísticos tradicionales, pero los análisis comparativos de contrastes independientes y
autoregresión espacial filogenética mostraron que los caracteres tienen fuerte correlación
filogenética. Se sugiere que las condiciones ambientales actuales afectan en mayor grado la
respuesta de la eficiencia fotosintética, pero la acidez nocturna del tejido fotosintético,
concentración de nitrógeno, número de días que tardan en germinar las semillas y forma de
crecimiento están principalmente determinados por la historia evolutiva de las especies,
además del ambiente en el que se desarrollan. Es importante que el componente
filogenético sea considerado cuando se realicen comparaciones interespecíficas de la
ecofisiología de las cactáceas columnares. Palabras clave: método comparativo; correlación evolutiva; contrastes independientes; autoregresión
espacial; fotosíntesis CAM; cactáceas.
Introducción
La comparación entre especies es una de las herramientas metodológicas más ampliamente
utilizada en todos los ámbitos de la biología. Sin embargo, en la biología evolutiva en
particular, las comparaciones interespecíficas permiten comprender cómo la herencia
ancestral (inercia filogenética) y la selección natural (adaptación), han moldeado los rasgos
que observamos en las especies actuales (Meagher y Futuyma, 2001).
54
Los valores fenotípicos de los caracteres son influenciados por la historia evolutiva
y las fuerzas evolutivas en su ambiente actual. La inercia filogenética, efecto filogenético y
restricción filogenética son utilizados para describir el efecto de la historia en la evolución
de un carácter. La inercia filogenética es la tendencia de un carácter a resistir un cambio
evolutivo a pesar de las perturbaciones ambientales. Algunos autores describen la inercia
filogenética como la cantidad de variación de un carácter explicada por la filogenia
(Morales, 2000). Los caracteres que evolucionan lentamente se dice que tienen más inercia
filogenética que los que evolucionan rápidamente.
Los métodos comparativos, aplicados desde la perspectiva de la adaptación, en las
correlaciones filogenéticas infieren procesos microevolutivos fundamentalmente en
cambios fenotípicos. Utilizando esta aproximación general podemos inferir estados
ancestrales de los fenotipos, la resistencia y tipo de fuerzas microevolutivas que están
actuando sobre los caracteres, la relación entre cambios evolutivos en dos o más caracteres
y el grado de inercia filogenética en un carácter. Ya que es indispensable distinguir la
similitud de un carácter que proviene de un ancestro común (inercia filogenética) de la
similitud de un cambio evolutivo convergente y paralelo.
La correlación filogenética describe la relación esperada entre un taxón ancestral y
sus descendientes o sobre dos taxa ancestrales en una filogenia y la similitud esperada entre
especies debido a su historia evolutiva bajo el supuesto de que los taxa evolucionaron de un
ancestro común (Garland, 1992; Martins y Hansen, 1996). En términos más generales la
correlación filogenética se refiere a la relación entre la variación de un carácter
intraespecífico a lo largo de la filogenia en la cual han evolucionado las especies. Sin
embargo debe considerarse que los datos comparativos pueden exhibir dependencia entre
los fenotipos de las especies debido a la evolución convergente en ambientes similares, o
desplazamiento de caracteres en ambientes diferentes (Garland et al., 1992).
Las plantas presentan adaptaciones fisiológicas para establecerse y sobrevivir en
diversas condiciones ambientales. La combinación de dos caracteres les puede dar una
mayor eficiencia, como puede ser la ganancia de carbono por largos periodos de tiempo
bajo condiciones adversas y una asignación de recursos adecuada para sobrevivir (Ackerly
y Reich, 1999). Tal es el caso de plantas como las cactáceas, que presentan el modo
fotosintético metabolismo ácido de las crasuláceas (CAM, por sus siglas en inglés), que se
55
caracteriza principalmente por la absorción nocturna de CO2 por vía estomática, fijación
por medio de la fosfoenol piruvato carboxilasa (PEPC) y almacenamiento en vacuola en
forma de ácidos orgánicos, así como remobilización de los ácidos orgánicos durante el día
para la descarboxilación y re-fijación del CO2 asimilado (Lüttge, 2004). Con relación al
patrón diurno de la asimilación de CO2 que presenta la vía fotosintética CAM, debe
enfocarse la atención a su significado ecofisiológico, ya que dicho patrón es afectado por la
luz que interceptan las plantas, el balance fotoquímico de la luz interceptada, la
disponibilidad de nutrientes en el suelo y la humedad del suelo disponible para la
germinación, afectando el establecimiento y desarrollo de estas especies (Gibson y Nobel,
1986; Lüttge, 2002, 2004).
El objetivo del presente estudio es evaluar las relaciones adaptativas y/o
correlaciones interespecíficas en los caracteres fisiológicos de acidez nocturna, cosecha
cuántica de la fotosíntesis, concentración de nitrógeno, tiempo de germinación y forma de
crecimiento en los principales clados de las cactáceas columnares (Tribu Pachycereeae) en
el contexto de las relaciones filogenéticas utilizando el método comparativo.
Materiales y métodos
Especies- De acuerdo a Cornejo y Simpson (1999), en la Figura 1 se muestra la relación
filogenética de las 10 especies de cactáceas columnares consideradas en el presente estudio.
Se excluyen de la figura a las especies no incluidas en los análisis. La tribu Pachycereeae es
una de las nueve tribus de la subfamilia Cactoideae en la familia Cactaceae, la cual incluye
58 especies de cactáceas columnares que se distribuyen principalmente en Norte América.
Muchas especies son silvestres en México, presentando una gran importancia económica y
biológica (Dávila-Aranda et al., 2002). Gibson y Nobel (1986) han postulado que la tribu
Pachycereeae se ha diversificado principalmente en México y que está constituida por las
especies con los caracteres más primitivos (plesiomórficos). El grupo se distribuye
especialmente en el desierto intertropical del Valle de Tehuacán-Cuicatlán, donde los taxa
más derivados han tenido radiación en direcciones opuestas, tanto hacia Estados Unidos
como hacia Mesoamérica. De los 13 géneros incluidos en esta tribu, se trabajó con 6
géneros y 10 especies, de las cuales 9 especies son endémicas de México (Dávila-Aranda et
al., 2002). Se incluye a Ferocactus recurvus (tribu Echinocacteae) como grupo externo.
56
Variables fisiológicas-
1) Acidez: contenido de ácidos orgánicos acumulados durante la noche (Hernández-
González y Briones, 2007).
2) Eficiencia fotosintética: proporción entre la fluorescencia variable y máxima, que
mide la proporción de centros abiertos del fotositema II y cuantifica la eficiencia de
la captura de energía (Hernández-González et al., en revisión, ver capítulo 3).
3) Germinación: número de días que tarda en germinar la semilla (Hernández-
González y Briones, 2007).
4) Nitrógeno: concentración de nitrógeno en el tejido de la planta.
5) Crecimiento. Se consideró la forma de crecimiento y se clasificó como “columnar
gigante” a las especies cuyos tallos alcanzan alturas mayores de 5 m y “columnar
pequeño” a las menores a esa altura.
Los datos de los caracteres analizados en este trabajo se tomaron de los capítulos 2 y 3 de
esta tesis para Stenocereus stellatus (Pfeiffer) Riccobono, Myrtillocactus geometrizans
(Martius) Console, Escontria chiotilla (Weber) Rose, Neoubuxbaumia tetetzo (Coulter)
Backeberg, Pachycereus weberi (Coulter) Buxbaum y Ferocactus recurvus (Miller)
Lindsay. Esas mismas variables se determinaron en éste trabajo para Stenocereus pruinosus
(Otto) Buxbaum, Stenocereus griseus (Haworth) Buxbaum, Neobuxbaumia scoparia
(Poselger) Backeberg y Cephalocereus palmeri (Rose) Krainz.
Análisis estadísticos- Análisis de correlación. La correlación entre las variables
seleccionadas se realizó por medio de un análisis multivariado de componentes principales
(Hair et al., 1998). La técnica anterior muestra el grado de asociación entre las variables sin
incluir el efecto de la filogenia. Se utilizó el paquete estadístico Statistica (versión 6.0;
StatSoft, Tulsa, Oklahoma, USA).
Análisis de contrastes independientes. Los contrastes independientes se calcularon
entre todos los nodos en la filogenia propuesta por Cornejo y Simpson (1999) y son
equivalentes a la correlación entre cambios evolutivos que han ocurrido a lo largo de cada
57
rama de la filogenia (Garland et al., 1992). Los contrastes independientes representan las
diferencias entre los valores de algún carácter de dos taxa hermanos. La técnica calcula las
diferencias estandarizadas en los valores de los caracteres analizados entre taxa hermanos
descendientes desde cada nodo de una filogenia y evalúa la correlación o regresión entre
estos contrastes (Felsenstein, 1985). Se utilizó el programa COMPARE (versión 4.6;
Martins, 2004).
Análisis de autoregresión espacial filogenético. Esta técnica permite la evaluación
cuantitativa de la fuerza de la inercia filogenética, con una importancia relativa que puede
ser evaluada evolutivamente. La técnica divide la variación entre los caracteres a nivel
filogenético y que han sido heredados desde una especie ancestral, con los valores
específicos que han resultado de la evolución independiente. Se utilizó el programa
COMPARE (versión 4.6; Martins, 2004).
Resultados
Correlación de variables fisiológicas- Por medio de un análisis multivariado de
componentes principales se determinó que no existe correlación de la eficiencia
fotosintética con los otros caracteres, presentándose como un carácter aislado (Fig. 2). Se
determinó que existe una correlación significativa entre la acidez, nitrógeno, germinación y
forma de crecimiento, con una P<0.05 (no se presentan los datos).
Correlación Filogenética- Los resultados de la correlación evolutiva usando contrastes
independientes se presentan en el Cuadro 1. Solamente cuatro de estas correlaciones fueron
significativas al basarnos en los contrastes independientes y todas presentan una pendiente
negativa. La correlación entre acidez y germinación se mantiene independientemente del
contraste, por lo tanto su variación es histórica (Fig. 3). El contraste 9 corresponde a la
comparación de las cactáceas columnares con el grupo externo; por lo tanto, sería una
adaptación.
Inercia Filogenética- El coeficiente de autocorrelación fue significativamente mayor que
cero para cuatro de los caracteres analizados, con excepción de la concentración de
58
nitrógeno (Cuadro 2). Estos resultados sugieren que la variación de los caracteres
fisiológicos analizados tienen un importante componente filogenético.
Discusión
En el presente estudio las similitudes son evidentes entre los resultados obtenidos con el
análisis estadístico tradicionalmente utilizado y con el análisis de contrastes independientes
al considerar el efecto de la filogenia en las cactáceas columnares, debido a que en ambos
casos no se observa una correlación entre la eficiencia fotosintética con las demás variables
analizadas. Sin embargo, debe tomarse en cuenta que en el caso de los contrastes
independientes la dirección de la correlación puede determinar en qué nivel de la filogenia
o nodo se observa la correlación evolutiva y en qué nivel se puede tratar de adaptaciones
(Felsenstein, 1985).
El análisis de contrastes independientes para la acidez del tejido, germinación,
concentración de nitrógeno y forma de crecimiento sugiere que ha ocurrido evolución
paralela en la ecofisiología de las cactáceas, presentándose una variación histórica similar
entre las especies en respuesta a las condiciones ambientales semejantes en las que se han
desarrollado. De manera similar, Ackerly y Reich (1999) encontraron evidencia de cambio
evolutivo paralelo en siete caracteres relacionados con la fisiología de las hojas,
considerando una amplio juego de especies de gimnospermas y angiospermas distribuidas
en diferentes habitats.
En comparación con los contrastes independientes, en la autoregresión espacial se
estima la relación entre los cambios evolutivos en dos caracteres que han ocurrido en las
ramas de la filogenia o sobre la filogenia completa por la acción de un conjunto complejo
de fuerzas microevolutivas (Martins, 1996). El análisis de autoregresión espacial mostró
que los cambios en los caracteres analizados tienen un componente filogenético muy alto
en su correlación, con excepción de la concentración de nitrógeno (Cuadro 2). Los
caracteres que evolucionan lentamente se dice que tienen más inercia filogenética que los
que evolucionan rápidamente (Morales, 2000). Así, se podría decir que los caracteres
analizados, al presentar una alta inercia filogenética, han evolucionado lentamente.
El ajuste funcional entre los organismos y su ambiente se denomina adaptación
(Dudley, 1996). Si no existe correlación entre los caracteres analizados se trata de una
59
adaptación, como en el caso de la eficiencia fotosintética. Los caracteres adaptativos son
moldeados por la selección natural, presentando una función actual y confieren una ventaja
a los organismos que la poseen. La eficiencia fotosintética, al no correlacionarse con los
otros caracteres en el análisis de contrastes independientes podría considerarse como un
carácter que responde esencialmente a la selección natural en el ambiente actual, en donde
la inercia filogenética está ausente (Felsenstein, 1985). Por el contrario, los caracteres que
presentaron correlación significativa con los métodos comparativos aplicados en este
estudio (acidez nocturna, tiempo de germinación y forma de crecimiento) podrían
considerarse que son producto de la historia evolutiva y no resultado de la adaptación
actual; es decir, son caracteres ancestrales persistentes debido a la inercia filogenética.
Conclusiones
Podemos concluir que los caracteres fisiológicos analizados en las cactáceas columnares
presentaron una correlación con los métodos estadísticos ampliamente utilizados en la
biología. Sin embargo, al emplear el método comparativo con análisis que consideran el
efecto de la filogenia, se encontró que los caracteres fisiológicos presentan una fuerte
correlación filogenética y son una respuesta de su historia evolutiva e inercia filogenética.
Por lo tanto podría establecerse que las condiciones ambientales tienen un efecto en la
respuesta fisiológica de algunos caracteres de las cactáceas (como en la eficiencia
fotosintética), pero su respuesta fisiológica también es afectada por los rasgos adquiridos a
lo largo de su evolución. De esta manera, sugerimos que las diferencias interespecíficas en
las variables analizadas podrían ser una respuesta a su historia evolutiva, y las semejanzas
en los patrones de respuesta podrían ser el resultado de compartir un ancestro común. El
análisis con la consideración el componente filogenético es determinante para evaluar si
existe un componente histórico en los caracteres al realizar comparaciones interespecíficas
y en las interpretaciones sobre el significado adaptativo de los caracteres, por ello debe
tomarse en cuenta en futuros estudios ecofisiológicos bajo un escenario evolutivo.
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Cuadro 1. Correlación de los contrastes independientes obtenidos a partir de la filogenia. La correlación de los contrastes independientes se realizó por medio de regresiones entre cada par de caracteres. Se presentan solamente los casos en donde la correlación fue significativa.
Caracteres correlacionados Correlación P
Acidez-Germinación 0.87 0.001
Germinación-Crecimiento 0.81 0.004
Nitrógeno-Germinación 0.75 0.01
Nitrógeno-Crecimiento 0.69 0.02
Cuadro 2. Componentes del análisis de autoregresión espacial filogenético en cada carácter analizado.
Carácter rho Residual
Acidez 0.60 0.28
Eficiencia Fotosintética -0.68 0.83
Nitrógeno 0.04 0.60
Germinación 0.72 0.20
Crecimiento 0.73 0.19
62
Fig. 1. Relación filogenética entre las especies seleccionadas de la Tribu Pachycereeae, siguiendo a Cornejo y Simpson (1997). Se incluye a Ferocactus recurvus como grupo externo.
CP 1 = 66.23%
CP
2 =
22.
29%
ACIDEZ
EFICIENCIA FOT.
NITRÓGENO
GERMINACIÓN
CRECIMIENTO
-0.6
-0.4
-0.2
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
Fig. 2. Análisis multivariado de Componentes Principales para los cinco caracteres en
estudio. Los caracteres incluidos en el circulo presentan una correlación significativa con
P<0.05.
63
ACIDEZ
GE
RM
INA
CIÓ
N
1; 5
2
3
4
6
7
8
9
-0.24
-0.20
-0.16
-0.12
-0.08
-0.04
0.00
0.04
-0.01 0.01 0.03 0.05 0.07 0.09 0.11
Fig. 3. Análisis de regresión de los contrastes independientes para acidez nocturna y tiempo de germinación de diez especies de cactáceas columnares. La correlación entre las variables es significativa (P<0.001).
64
CAPÍTULO 5
Conclusión General
65
Conclusión General
La luz es un factor determinante en la expresión y regulación del metabolismo ácido de
crasuláceas (CAM, por sus siglas en inglés). Este fenómeno ha sido demostrado
principalmente para individuos adultos de especies suculentas de distintas familias. Este
trabajo extiende lo anterior a la fase de plántulas de cactáceas columnares y es el primero
en evaluar el efecto de la luz en la expresión de CAM bajo magnitudes de luz similares a
las que prevalecen en el campo. Los experimentos realizados demostraron que CAM se
expresa desde el inicio de la germinación en las especies de cactáceas seleccionadas.
Asimismo, la manipulación experimental del ambiente lumínico evidenció que la
fotosíntesis CAM de las plántulas es lo suficientemente plástico para ajustarse a los niveles
de luz que enfrentan las plántulas en el campo, favoreciendo las características de ahorro y
almacenamiento de agua, estabilidad térmica y fotoprotección que confiere CAM.
Se determinó que desde la etapa de plántulas las cactáceas columnares tienen la
capacidad de ajustarse a los cambios en los niveles de luz predominantes, modificando el
punto de saturación lumínica del fotosistema II, consiguiendo optimizar y preservar el
funcionamiento del aparato fotosintético. Por lo tanto, puede establecerse que las especies
estudiadas poseen un amplio rango de plasticidad fisiológica durante su ontogenia.
La magnitud de acidificación nocturna en los cactos estudiados es dependiente del
flujo de fotones para fotosíntesis (FFF) total recibida por el tejido fotosintético en días
previos. Debido a que la FFF varía con las estaciones, el grado de acidificación cambia a
través del año. Sin embargo, la variación en la acidificación entre las especies puede
deberse a cambios en factores intrínsecos de cada especie, tanto en la capacidad
fotosintética como en su fisiología en general, así como a factores ambientales.
66
La variación estacional de las lluvias y la temperatura afectan la fotosíntesis, pero
son escasos los estudios ecofisiológicos que consideren la variación de la actividad
estacional (fenología) en especies congenéricas. Hasta ahora no se había evaluado la
estacionalidad de la eficiencia fotosintética, por medio de la fluorescencia de la clorofila en
cactáceas. La fluorescencia de la clorofila es una herramienta moderna que arroja
información sobre el estado en el que se encuentra el aparato fotosintético, sin causar daño
a la planta y bajo situaciones en las que no es posible medir el intercambio de CO2 debido
al cierre estomático diurno, como en el caso de las cactáceas. Con el empleo de ésta técnica
durante el ciclo anual se determinó que las cactáceas columnares llevaron a cabo un control
efectivo del fotosistema II, ya que cuando la eficiencia cuántica (ΔF/Fm’) disminuyó,
ocurrió a su vez un incremento en la tasa fotoquímica (ETR) y/o en la disipación de calor
(NPQ).
La presencia de CAM en las cactáceas columnares les permite ser menos
susceptibles a la fotoinhibición o fotodaño a pesar de que se desarrollan bajo un FFF muy
alto durante una gran parte del año. Asimismo, se determinó que debido a la arquitectura de
las cactáceas columnares se crea un microambiente en las ramas dependiendo de su
orientación, observándose diferencias muy marcadas entre las ramas en el patrón diurno de
la fluorescencia de la clorofila al realizar la fotosíntesis. La respuesta estacional de la
fotosíntesis en la eficiencia fotoquímica del fotosistema II y en los mecanismos de
fotoprotección en las cactáceas analizadas es una respuesta al efecto interactivo de
múltiples tipos de estrés (lumínico, hídrico y térmico). Lo anterior es evidencia de la
capacidad de cambio y reestructuración de la actividad del aparato fotosintético en las
cactáceas analizadas cuando cambian las condiciones ambientales. Por lo tanto, puede
sugerirse que las cactáceas columnares realizan un proceso de aclimatación continuo para
67
ajustar la respuesta del aparato fotosintético a las condiciones tan variables en las que se
desarrollan.
Se aplicó el método comparativo en variables ecofisiológicas de las cactáceas
columnares utilizando de manera explicita la filogenia propuesta para las especies en
estudio (tribu Pachycereeae). Resultó evidente que las especies no solamente representan
puntos independientes para realizar análisis estadísticos convencionales y es más
conveniente realizar análisis estadísticos con base en el método comparativo, debido a que
las especies comparten caracteres por descender de un ancestro común.
Los análisis de contrastes independientes y de autoregresión espacial filogenético
mostraron que las cactáceas columnares estudiadas presentan fuerte correlación filogenética
en las variables ecofisiológicas de acidez nocturna acumulada, germinación y forma de
crecimiento, pero no en la eficiencia fotosintética. Este resultado sugiere que la eficiencia
fotosintética podría considerarse como un carácter adaptativo que responde esencialmente a
la selección natural en el ambiente actual. Mientras que los caracteres que mostraron
correlación filogenética significativa podrían considerarse como caracteres producto de su
historia evolutiva, es decir, son caracteres ancestrales persistentes debido a la inercia
filogenética. Por lo tanto podríamos decir que las condiciones ambientales tienen un efecto
en la respuesta fisiológica de las cactáceas, pero también su fisiología se ve afectada por las
características que han adquirido a lo largo de su evolución.
Se sugiere que las diferencias interespecíficas observadas en las variables analizadas
podrían ser una respuesta debida a su historia evolutiva y las semejanzas en los patrones de
respuesta podrían ser el resultado de compartir un ancestro común. Asimismo, el
componente filogenético es determinante para evaluar si existe un componente histórico al
realizar comparaciones interespecíficas bajo un escenario evolutivo, por lo que sugerimos
68
se tome en cuenta para futuros análisis ecofisiológicos bajo el contexto del método
comparativo.