Análisis ecológico y genético de interacciones planta-animal en ambientes mediterráneos

Abstract

Los mutualismos están extendidos en los ecosistemas naturales y juegan un papel clave en el mantenimiento de la biodiversidad y los servicios ecosistémicos. Interacciones planta-animal, como la dispersión de semillas y la polinización, son fundamentales en la biología reproductiva de muchas plantas que dependen de animales para la polinización de sus flores, la dispersión de sus semillas, o ambas. Estudiar las interacciones planta-animal mediante técnicas ecológicas clásicas (p. ej. estudios observacionales) puede ser muy complicado. Estos métodos pueden arrojar resultados sesgados (p. ej. diferentes detectabilidades de especies) y no son adecuados para el estudio de algunos procesos por cuestiones de escala (p. ej. dispersión a larga distancia). La aplicación de técnicas indirectas como las herramientas genéticas puede ayudar en el estudio de estos procesos. En este sentido, el desarrollo de herramientas moleculares como los marcadores microsatélites y su aplicación en estudios de ecología hacen posible incrementar nuestro conocimiento sobre las interacciones planta-animal y sus procesos asociados. Esta tesis está compuesta de cuatro capítulos en los que se estudian mutualismos planta-animal desde diferentes enfoques (combinando herramientas ecológicas y genéticas) y escalas geográficas. En el primer capítulo aplicamos microsatélites para analizar los patrones de estructura genética de un arbusto de fruto carnoso (Pistacia lentiscus) en todo su rango de distribución (Cuenca Mediterránea), y el papel de los eventos de dispersión de semillas a larga distancia en estas tendencias genéticas. Encontramos que los movimientos de las aves frugívoras migratorias concuerdan con la estructura genética espacial de la especie estudiada. Por tanto, las perturbaciones antrópicas o el cambio climático que podrían interrumpir las rutas migratorias de las aves, podrían tener también consecuencias negativas para las plantas. En el segundo capítulo estudiamos los efectos de la fragmentación extrema en la diversidad genética de poblaciones remanentes de P. lentiscus. Realizamos análisis de microsatélites, y anillamientos y censos de aves para abordar nuestras hipótesis. Los resultados revelaron una alta diversidad genética y la falta de diferenciación genética en los parches de P. lentiscus estudiados, probablemente como resultado de una intensa pero reciente fragmentación, pese a una contribución escasa de las aves a la dispersión de semillas de la especie. Sin embargo, podría haber impactos latentes ya que observamos señales de endogamia en uno de los parches. En el tercer capítulo desarrollamos y testamos un marco metodológico basado en la combinación de herramientas ecológicas (censos de aves y fototrampeo) y genéticas (barcoding) para evaluar la contribución de los dispersores a la restauración de campos de cultivo abandonados. Instalamos atractores como puntos de agua y perchas artificiales para atraer las aves a las parcelas abandonadas, y también proporcionamos microhábitats y previnimos la herbivoría para incrementar el posible reclutamiento de plántulas. Las estructuras utilizadas incrementaron la llegada de semillas a las áreas de estudio, pero no hubo establecimiento de plántulas. Nuestro estudio señaló la importancia de combinar diferentes técnicas, incluyendo las moleculares, para caracterizar y evaluar el papel de las aves como dispersoras de semillas. En el último capítulo investigamos el impacto de la abeja melífera en las redes de polinización bajo un grado variable de uso del suelo e intensificación apícola. Realizamos muestreos de campo para construir redes de polinización, y analizamos los usos del suelo mediante sistemas de información geográfica y determinamos la carga de patógenos en las abejas mediante la amplificación por PCR de regiones diana del ADN de microsporidios (Nosema apis y Nosema ceranae). Los resultados revelaron un impacto bajo del uso del suelo en las redes de polinización, y corroboraron el impacto de la abeja melífera en las abejas silvestres también en ecosistemas semiáridos al promover la dispersión de patógenos en el paisaje.

Mutualisms are widespread in natural ecosystems and play a key role in the maintenance of biodiversity and ecosystem services worldwide. Plant-animal mutualistic interactions such as seed dispersal and pollination are fundamental in the reproductive biology of many plants that rely on animals for the pollination of their flowers, the dispersal of their seeds, or both. The study of the functioning of plant-animal mutualistic interactions can be difficult to achieve through classical ecological techniques (e. g. observational studies). These methods can provide skewed results (e. g. different detectability rate of species), and there are some ecological processes that can not be efficiently addressed through classical methods due to their spatial and/or temporal scale (e. g. long-distance dispersal events). The application of indirect techniques such as genetic tools can help to efficiently monitor these interactions. In that sense, the use of molecular tools (e. g. microsatellites) and their application in ecological studies enlarge our knowledge about plant-animal interactions and their associated processes. This thesis is composed by four chapters in which plant-animal mutualisms are studied from different approaches combining ecological and genetic tools and at different geographical scales. In the first chapter, we used microsatellites to analyse the genetic structure patterns of a fleshy-fruited shrub (Pistacia lentiscus) along its entire distribution range spanning the Mediterranean Basin, and the role of long-distance seed dispersal events in such patterns. We found that the foraging movements of migrant frugivorous birds are congruent with the spatial genetic structure of animal-dispersed plants. Therefore, anthropic disturbances and/or climatic changes that might disrupt the migration routes of frugivorous birds could cascade into genetic consequences for the plant species they feed upon. In the second chapter, we studied the effects of extreme fragmentation on the genetic diversity of remnant populations of a bird dispersed fleshy-fruited shrub (P. lentiscus). We also performed microsatellites analyses, and mist-netting and bird census to address our hypotheses. Results revealed a high genetic diversity and a lack of differentiation between shrub patches of P. lentiscus in the area, probably because of a strong, but rather recent fragmentation, despite an apparently poor contribution of birds to the dispersal of Pistacia seeds. However, the existence of latent impacts cannot be discarded, since at least one of the patches showed signs of inbreeding. In the third chapter, we developed and tested a methodological framework based on the combination of ecological (bird census and camera trapping) and genetic tools (DNA barcoding) to assess the contribution of seed dispersers to old fields restoration. We deployed restoration structures as artificial perches and water troughs to attract birds to abandoned cropfields, and we also provided microenvironments and prevented herbivory to increase seedling survival opportunities. The restoration structures deployed proved to be effective for increasing seed arrival to the study areas. However, a subsequent plant establishment has not been observed so far. The study pointed out to the importance of implementing different techniques, including molecular studies, to characterize and assess avian seed disperser performance. In the last chapter, we investigated the impact of managed bees (honey bee) on pollination networks under a variable degree of land use and beekeeping intensity. We conducted field sampling to build pollination networks, and we analysed land use through geographic information systems and pathogen load on managed and wild bees by PCR-amplification of target DNA of microsporidia (Nosema apis and Nosema ceranae). Results revealed a poor impact of land use on pollination networks and corroborated the impact of honey bees on wild bees also in semiarid ecosystems by promoting the spread of pathogens in the landscape.