Variación química y genética entre las poblaciones de

Mikania micrantha y su relación con la herbivoría.

Angel Eliezer Bravo MonzónAsesor: Francisco J. Espinosa García

UNIVERSIDAD NACIONAL AUTONOMA DE MEXICOCentro de Investigaciones en Ecosistemas

Morelia, Michoacán. Junio, 2014

Plantas Invasoras

¿QUÉ FACTORES CONTRIBUYEN A SU ÉXITO?

¿CÓMO PODEMOS CONTROLARLAS EFECTIVAMENTE?

Área Nativa

Cuando una especie se establece en una nueva área, pueden ocurrir cambios...

…en su constitución química y genética.

Área Invadida

Cambios Químicos

Área Nativa Área InvadidaEvolution of Increased Competitive Ability

Mayor concentración y número de MS Menor concentración y número de MS

Novel Weapons HypothesisMenor concentración y número de MS Mayor concentración y número de MS

Cambios Genéticos

Área Nativa Área Invadida

Diversidad y Diferenciación GenéticasMayor diversidad genética Menor diversidad genética

Menor diferenciación genética Mayor diferenciación genética

¿QUÉ SUCEDE AL INTERIOR DEL ÁREA DE DISTRIBUCIÓN NATIVA?

Nuestra pregunta

Modelo Centro-Margen

La densidad de individuos en las poblaciones disminuye del centro hacia el margen.

En el margen, las poblaciones son escasas y muchas veces aisladas entre sí.

Las poblaciones son más abundantes, e incluso contiguas, cerca del centro de distribución.

central

marginal marginal

(Brown, 1984; Guo et al. 2005)

Teoría del Mosaico Geográfico

(Thompson, 2001)

Cada población estará bajo una selección específica formando un mosaico de selección.

La distribución geográfica de una especie es una colección de poblaciones aisladas entre sí, caracterizadas por sus interacciones con otras especies (como los herbívoros).

Hotspot: Existe selección recíproca entre dos especies.

Coldspot: No hay selección recíproca. No está presente alguno de los participantes.

Mikania micrantha Kunth(Asteraceae)

• Nativa de América (México – Argentina)

• Invasora en Asia tropical

• Perenne• Crecimiento rápido• Trepadora

• Reproducción sexual y asexual (nudos)

• Polinización por insectos

Mikania micranthaMetabolitos Secundarios

α-Pineno Limoneno β-Felandreno Germacreno D Cariofileno

MiscandeninaDeoximikanólidaComp 1 Comp 2 Comp 3 Comp 4 Comp 5 Comp 6

0123456789

Fenotipo químico

mg/

g

TERPENOS VOLÁTILES

LACTONAS SESQUITERPÉNICAS

Mikania micrantha en MéxicoReportada en 19 estados

Nayarit y Tamaulipas son el límite de su distribución al norte.

(CONABIO-MEXU) (Villaseñor y Espinosa, 1997)

Chiapas, Tabasco y sur de Veracruz constituyen el centro de la distribución.

Distribución potencial en México

Condiciones óptimas en Chiapas, Tabasco y sur de Veracruz

Hipótesis General

La variación química y genética entre poblaciones Mexicanas de M. micrantha está asociada a su origen geográfico (Centro-Margen, Atlántico-Pacífico) lo cual tiene efecto en su susceptibilidad a la herbivoría por insectos.

Organización del proyecto

I• Variación

química y herbivoría.

II• Variabilidad y

diversidad genética.

III• Susceptibilidad

al ataque de herbívoros.

Patrones de variación dentro

del área de distribución

Sitios de colecta - Atlántico(Diciembre 2007)

Tamaulipas – Veracruz – Tabasco - Chiapas

Sitios de colecta – Pacífico(Diciembre 2008)

Michoacán – Guerrero - Oaxaca

Capítulo 1Diversidad química entre

poblaciones de Mikania micrantha

Modelo Centro-MargenLas poblaciones centrales tendrán:1) Mayor diversidad química.2) Mayor concentración de terpenoides.3) Menor daño por herbívoros.

Capítulo 1: Química

Modelo de Mosaico Geográfico

La variación espacial en diversidad química y la intensidad de herbivoría están correlacionadas.

MétodosCapítulo 1: Química

Cuantificación e identificación de terpenoides volátiles (CG-MS)

Matriz de concentración

ANOVADiversidad individual

(compuestos)

Matriz de porcentaje

Diversidad población(fenotipos químicos)

Análisis de cúmulosAnálisis PCA – DA

Prueba MantelAnálisis de barreras

MétodosCapítulo 1: Química

Cuantificación de herbivoría(área consumida)Regresión múltiple

Concentración total de terpenoides

Diversidad individualDiversidad población

Variables geográficas (latitud, longitud, altitud)

Variables ambientales (precipitación y temperatura

promedio anual)

Concentración de terpenoides foliaresCapítulo 1: Química

Hay diferencias significativas entre poblaciones. La concentración varía desde 2.95 hasta 15.94 mg g-1.

No hubo diferencia entre poblaciones centrales y marginales.

Diversidad química entre Atlántico-Pacífico

Capítulo 1: Química

Mayor diversidad en poblaciones del Pacífico.

No hubo diferencia entre poblaciones del centro y del margen.

Daño por herbivoríaCapítulo 1: Química

Hay diferencias entre algunas poblaciones (COY).

No hay diferencia significativa entre poblaciones del Atlántico y el Pacífico, o entre poblaciones centrales y marginales.

Barreras genéticas entre poblacionesAlgoritmo de Monmonier

Capítulo 1: Química

Disimilitud entre las poblacionesCapítulo 1: Química

Poblaciones químicamente divergentes.

Análisis de componentes principalesCapítulo 1: Química

Relación entre la herbivoría y la diversidad química poblacional

Capítulo 1: Química

“Mayor diversidad – Mayor protección”

No encontramos relación con diversidad química individual, variables geográficas o climáticas.

Conclusiones

Capítulo 1: Química

1. La distribución geográfica de la diversidad química, la concentración de terpenoides y la herbivoría en M. micrantha no se ajustan al modelo centro-margen sino al modelo de mosaico.

2. La diversidad química en las poblaciones de M. micrantha está relacionada negativamente con la herbivoría que experimentan.

Capítulo 1: Química

Artículo publicado Agosto 2013

Capítulo 2Estructura espacial de la diversidad genética y química en poblaciones Mexicanas de Mikania micrantha

Correlación Genética-Química

Hipótesis

Capítulo 2: Genética

Las barreras geográficas que afectan a la diversidad química también afectan a la diversidad genética.

MétodosCapítulo 2: Genética

Seis microsatélites nucleares específicos para M. micrantha marcados con fluorescencia: Mm01, Mm05, Mm07, Mm12, Mm19 y Mm31 (Hong et al. 2008).

Matriz con productos de PCR

Variación genética dentro de las poblaciones

Heterocigosidad Equilibrio H-W

Diferenciación genética entre las

poblaciones

AMOVA

Estructura genética de las poblaciones

Dendrograma UPGMAAnálisis de CP

StructureAnálisis de barreras

Diversidad genética y diversidad química

Prueba de MantelAnálisis de regresión

Variación genética dentro de las poblacionesCapítulo 2: Genética

Población HO HE

Atlántico 0.230 0.251

Pacífico 0.136 0.156

No hay diferencia significativa.(p = 0.1158)

Desviaciones significativas de Hardy-Weinberg enMm19 y Mm31: evidencia de alelos nulos.

Diferenciación genética entre poblaciones

Capítulo 2: Genética

Fuente de variación g.l.Porcentaje de la

variaciónP

Entre regiones 1 29.04 0.005

Entre poblaciones dentro de las regiones

11 27.77 <0.0001

Dentro de las poblaciones 305 43.19 <0.0001

La diferenciación entre las regiones Atlántico y Pacífico es significativa.

Estructura genética de las poblacionesDendrograma de distancias genéticas

Capítulo 2: Genética

Pacífico

Atlántico

Estructura genética de las poblacionesAnálisis de coordenadas principales

Capítulo 2: Genética

Pacífico

Atlántico

WJA

NPA

ABA

Barreras genéticas

Capítulo 2: GenéticaSTRUCTURE

Barreras genéticas

Capítulo 2: Genética

Diversidad genética – Diversidad químicaCapítulo 2: Genética

Riqueza alélica – Diversidad química poblacional

r2=0.750; p=0.0276

POBLACIONES DEL PACIFICO POBLACIONES DEL ATLANTICO

r2=0.311; p=0.1937

Diversidad genética – Diversidad químicaCapítulo 2: Genética

Pruebas de MantelSin correlación entre la distancia genética y la distancia química de todas las poblaciones.

Conclusiones

Capítulo 2: Genética

1. Existe una diferenciación genética significativa entre las poblaciones del Atlántico y el Pacífico.

2. Encontramos una relación significativa entre la riqueza alélica y la composición química de las poblaciones en el Pacífico.

Capítulo 3Selección diferencial de hospederos en el

escarabajo herbívoro Stolas punicea sobre fenotipos químicos de Mikania micrantha

Stolas punicea (Boheman, 1850)

Capítulo 3: Herbivoría

Escarabajo americanoColeoptera: Chrysomelidae

Se alimenta de: M. micrantha y M. cordifolia

PACIFICO ATLANTICO

Hipótesis

Capítulo 3: Herbivoría

El origen geográfico del herbívoro especialista Stolas punicea afecta su preferencia por plantas de M. micrantha con distinto fenotipo químico.

Cría de insectosMichoacán y Veracruz

Capítulo 3: Herbivoría

Bioensayos de preferenciaCapítulo 3: Herbivoría

Hembras adultas: VERACRUZ y MICHOACÁN

Fenotipos químicos de invernadero:ATLÁNTICO (Actopan, Huimanguillo)PACÍFICO (Parácuaro, San Agustín)

Bioensayos de preferenciaCapítulo 3: Herbivoría

Cuantificación de área consumida

Fenotipos QuímicosCapítulo 3: Herbivoría

Herbivoría de S. punicea de dos localidades sobre perfiles químicos de

M. micrantha de cuatro localidades.

Capítulo 3: Herbivoría

SIN PREFERENCIA

RECHAZO DE LA POBLACIÓN ‘HUI’

Estudios biogeográficos de insectos en México

Capítulo 3: Herbivoría

134 especies de coleópteros (Morrone y Márquez, 2001)

Los insectos de Veracruz mantienen la capacidad de alimentarse de todos los fenotipos de M. micrantha.

Los insectos de Michoacán perdieron esa capacidad.

TRAZO BIOGEOGRÁFICO DEL SUR

ConclusionesCapítulo 3: Herbivoría

1. Existe variación geográfica significativa en la preferencia del herbívoro S. punicea sobre fenotipos químicos de M. micrantha.

2. Algunas poblaciones de S. punicea serían incapaces de establecerse en todos los fenotipos químicos de M. micrantha.

EN RESUMEN

I• … la composición

química y está asociada al ataque de herbívoros.

II• … la composición

genética que puede estar asociada a la composición química.

III• … la selección de

hospedero para un herbívoro especialista.

En el área nativa hay variación

geográfica en…

GRACIAS

Comité tutor

Instituciones

GRACIAS

Laboratorio de Ecología Química y Agroecosistemas