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Variación química en poblaciones vegetales 31-marzo-2011 Angel E. Bravo Monzón

Variación química en poblaciones vegetales

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Estudios científicos sobre las causas de variación fitoquímica. Tipos, origen y causas de variación química. Principales hipótesis predictoras de la variación química: Novel Weapons Hypothesis y Mosaic Theory of Coevolution.

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Page 1: Variación química en poblaciones vegetales

Variación química en poblaciones vegetales

31-marzo-2011

Angel E. Bravo Monzón

Page 2: Variación química en poblaciones vegetales

Temario

1. Tipos de variación• Cuantitativo• Cualitativo

2. Origen de la variación• Genética vs Plasticidad

3. Causas de la variación• Ambientales• Geográficas• Interacciones

4. ¿Se puede predecir la variación?• ERH – EICA – NWH

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1. Tipos de variación

Cuantitativa

Los individuos producen y almacenan concentraciones distintas de metabolitos secundarios. No se modifican las proporciones individuales

Comp 1 Comp 2 Comp 3 Comp 4 Comp 5 Comp 60

5

10

15

20

25

Concentración

Chem A Chem B

mg/

g

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1. Tipos de variaciónCualitativa

• La proporción de los compuestos en las mezclas es diferente.• Los compuestos principales no son los mismos.

Comp 1 Comp 2 Comp 3 Comp 4 Comp 5 Comp 6 Comp 70

1

2

3

4

5

6

7

8

Número de compuestos

Chem A Chem B

mg/

g

Comp 1 Comp 2 Comp 3 Comp 4 Comp 5 Comp 60123456789

Proporciones

Chem A Chem B

mg/

g• Algunos individuos tienen más compuestos.

Estas variaciones suelen aparecer combinadas.

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Temario

1. Tipos de variación• Cuantitativo• Cualitativo

2. Origen de la variación• Genética vs Plasticidad

3. Causas de la variación• Ambientales• Geográficas• Interacciones

4. ¿Se puede predecir la variación?• ERH – EICA – NWH

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2. Origen de la variaciónControl genéticoLa biosíntesis de MS está bajo un fuerte control genético. La

composición genética de las poblaciones se asocia con su composición química.

Diversidad genética <=>Diversidad química

Transplantes Recíprocos Jardín Común

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Glucosinolatos

2. Origen de la variaciónPlasticidad fenotípicaUn mismo genotipo produce fenotipos distintos en respuesta a

factores externos.

Pieris rapaeRábano

Respuesta Inducida

Agrawal, A.A. 1999 Evolution

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Temario

1. Tipos de variación• Cuantitativo• Cualitativo

2. Origen de la variación• Genética vs Plasticidad

3. Causas de la variación• Ambientales• Geográficas• Interacciones

4. ¿Se puede predecir la variación?• NWH - EICA

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3. Causas de la variación

Ambientales: Temperatura

Una disminución de 5°C produce

Flavonoles de quercetina

Flavonoles de campferol

Arnica montana

Albert, A. 2009 Oecologia

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3. Causas de la variación

Ambientales: Nutrientes

Bajos niveles de nitrógeno en suelo aumentan la concentración de fenoles totales, taninos condensados y aldehídos terpénicos en algodón.

Gossypium hirsutum

Coviella, C.E. 2002 J. Exp. Bot.

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3. Causas de la variación

Ambientales: Nutrientes

Los MS no-nitrogenados como ácidos cinámicos simples, taninos hidrosolubles, lignina y taninos condensados se producen en mayor cantidad cuando hay bajos niveles de N, P, S y K.

Anaya, A.L. 2003

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3. Causas de la variación

Ambientales: Agua

Humedad constante en el suelo provoca una mayor acumulación de alcaloides en las amapolas.

Papaver somniferum.

Szabó, B. 2008 Acta Biol. Hung.

La sequía puede incrementar glucósidos cianogénicos, glucosinolatos, terpenoides, alcaloides, taninos condensados…

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3. Causas de la variación

Ambientales: LuzUsualmente condiciones de

poca luz se asocian con bajos niveles de MS.

Bajas intensidades de luz inducen la concentración de MS en las raíces del regaliz.

Glycyrrhiza uralensis

Hou, J-L 2010 Biochem. Syst. Ecol.

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3. Causas de la variaciónGeográficas: AltitudEl contenido de flavonoides y ácidos fenólicos aumenta con la

altitud

Matricaria chamomilla

Calluna vulgarisSambucus nigra

Vaccinium myrtillus Etc.

Ganzera M. 2008 Planta Med. (74:453-457) Rieger G. 2008 J. Agric. Food Chem.

2230 m

590 m

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3. Causas de la variaciónGeográficas: Latitud

Langenheim , J. 1984Levin D.A. 1978 Biochem. Syst Ecol.

La presencia, diversidad y concentración de algunos MS parece ser mayor en los trópicos que en los ecosistemas templados.

La presión de selección de herbívoros y patógenos también es mayor en los trópicos húmedos.

Los alcaloides son más tóxicos en familias de dicotiledóneas tropicales que en templadas o cosmopolitas.

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3. Causas de la variación

Interacciones con herbívoros y patógenos modifican el perfil químico de las plantas.

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Temario

1. Tipos de variación• Cuantitativo• Cualitativo

2. Origen de la variación• Genética vs Plasticidad

3. Causas de la variación• Ambientales• Geográficas• Interacciones

4. ¿Se puede predecir la variación?• NWH – EICA

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4. Prediciendo la variaciónNWH - Novel Weapons Hypothesis

Las especies invasoras poseen MS que les servirán para competir y defenderse. Estos compuestos se mantendrán e incluso puede incrementarse su síntesis.

Centaurea maculosa (Asteraceae): Poblaciones invasoras en EE.UU. exudan más catequina que induce la muerte celular en raíces de plantas vecinas.

Bais, H.P. 2010 Commun. Integr. Biol.

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4. Prediciendo la variaciónNWH - Novel Weapons Hypothesis

Se realizaron ensayos con extractos de 19 spp invasoras y 21 spp nativas.

La química de las plantas invasoras no disuadió a un herbívoro generalista nativo.

No se encontró relación entre la capacidad disuasora del extracto y el tiempo desde la introducción.

Algunas especies invasoras pueden tener MS que disuade a los enemigos naturales, pero no es un patrón general.

Lind, E.M. 2010 PLoS One

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4. Prediciendo la variaciónEICA - Evolution of Increased Competitive Ability

En ausencia de herbívoros, la selección favorecerá a los genotipos con mejores habilidades competitivas y baja asignación de recursos a la defensa contra herbívoros.

MS MS

Población Nativa Población Introducida

Los recursos de la defensa química se asignarán a crecimiento vegetativo y reproductivo.

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4. Prediciendo la variaciónEICA - Evolution of Increased Competitive Ability

Solidago gigantea (Asteraceae): Las poblaciones nativas en EE.UU. Tienen una mayor variabilidad y concentración de diterpenos que las invasoras en Europa.

Lythrum salicaria (Lythraceae): La concentración total de compuestos fenólicos es mayor en las poblaciones nativas.

Sapium sebiferum (Euphorbiaceae): La concentración de taninos es mayor en las poblaciones nativas de China que en las invasoras de EE.UU.

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4. Prediciendo la variaciónThe Geographic Mosaic of Evolution

La distribución geográfica de una especie es una colección de poblaciones, caracterizadas por sus interacciones particulares con otras especies.

Hotspot: Existe selección recíproca entre dos especies.

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

Predicción: Cada población estará bajo una selección específica formando un mosaico de selección, esto favorecerá la aparición de distintas vías evolutivas en las poblaciones.

Thompson, J. 2000

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4. Prediciendo la variaciónThe Geographic Mosaic of Evolution

La toxicidad de las furanocumarinas de Pastinaca sativa y el sistema de desintoxicación de Depressaria pastinacella concuerdan en algunas poblaciones y sugieren sitios de selección recíproca (hotspots).

Factores relacionados con los coldspots:• Presencia de Heracleum lanatum • Contenido de xantotoxina

Zangerl, A.R. 2003 Evolution

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Fin

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EXTRAS

(más información sobre el tema)

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¿Variación latitudinal?

• Sólo el 37% de 38 comparaciones latitudinales mostraron mayor herbivoría en bajas latitudes.• Sólo en 9 de 56 comparaciones se encontraron defensas químicas más altas en bajas latitudes.

Los datos disponibles NO apoyan la idea de mayor herbivoría-mayor defensa en bajas latitudes.