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 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. 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 Cactoideae,

seis de ellas que están representadas en México son la tribu Hylocereeae, 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 Peniocereus,

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 Lophocereus. 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. Myrtillocactus 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. Stenocereus 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

CARIOTÍPICO

NÚMERO DE

CÉLULAS

OBSERVADAS

POR

INDIVIDUO

NÚMERO

DE

INDIVIDUOS

ANALIZADOS

TIPO

DE

CROMOSOMAS

Echinocereus

pectinatus

Coneto de

Comonfort

Chupaderos

2n = 22

2n = 33

5 5 Metacéntricos

con

tendencia a la

acrocentricidad

con el aumento

de ploidía

Coryphantha

pameri

Cuencamé 2n = 22 5 5 Metacéntricos

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 Pachycereus 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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