INTERACCIONES POBLACIONALES EN AGROECOSISTEMAS

En perspectiva productivista (corto plazo): el diseño y manejo de AESs apunta a simplificar redes tróficas, eliminando componentes perjudiciales o “innecesarios” y que aumentan costos, bajan rendimientos y complican el manejo.

En perspectiva de máxima producción sustentable (largo plazo) : el diseño y manejo de AESs se basa en uso intensivo de conocimiento en la manipulación y potenciación de interacciones bióticas que ofrecen servicios ecosistémicos (ej.biorregulación; reciclado, purificación; protección….)

1. CONSECUENCIAS ECOLÓGICAS (funciones emergentes)

A. Dinámica de materia y energía; B. Formación de suelo, reciclado de nutrientes y detoxificación; C. Sucesión ecológica y organización comunitaria; D. Regulación poblacional.

2. CONSECUENCIAS EVOLUTIVAS

A. Selección por habilidad y por tolerancia competitiva; B. Co-evolución depredador / presa; C. Eficiencia simbiótica y co-evolución de simbiontes; D, nicho biogeoquímico.

3. IMPLICANCIAS AGRONÓMICAS

A. Aumento de productividad y estabilidad de cosechas (ej. complementariedad (RYT, LER); mutualismos; facilitación)

B. Pérdidas de producción por competencia, depredación y parasitismo;

C. Biocontrol de plagas, malezas y enfermedades;

D. Potenciación rizosférica / nutrición mineral;

E. Conservación poscosecha;

F. Digestión ruminal / asimilación entérica

…..otras.

INTERACCIONES BIÓTICAS Y REGULACIÓN DE LAS POBLACIONES

1. Factores y procesos BIÓTICOS

AUTORREGULACIÓN DENSO-DEPENDIENTE

INTERACCIONES POBLACIONALES (= ó # nivel trófico) BIORREGULACIÓN

2. Factores y procesos ABIÓTICOS

ESTRÉS FÍSICO (climáticos / edáficos)

DISTURBIOS (tipo, frecuencia, intensidad)

3. Interacciones de F y P BIÓTICOS X ABIÓTICOS

+ 0 -

+

0

-

Ho

M ó S

F ó C

A ó I C spp.

D y P

TIPOS DE INTERACCIONES POBLACIONALES

Fitness Sp. A

Fitness Sp. B

+ 0 -

+

0

-

Ho

M ó S

F ó C

A ó I C spp.

D y P

TIPOS DE INTERACCIONES POBLACIONALES

Fitness Sp. A

Fitness Sp. B

+ +

MUTUALISMO (int.facultativas) ó SIMBIOSIS (int.obligadas)

Ejemplos de interés agronómico:

Polinizadores / plantas entomógamas

Rizobios / leguminosas;

Hongos endófitos / pastos ;

Endozoocoria: vertebrados e invertebrados / frutos y semillas

Micorrizas / plantas vasculares terrestres

Hongos / bacteria cianofíceas (líquenes)

Bacterias ruminales / rumiantes

POLINIZACIÓN

Ca. 200.000 spp.: invertebrados (Hymenoptera, Coleoptera, Lepidoptera, Diptera) y vertebrados (pájaros y murciélagos).

Funciones

1.Conservación de biodiversidad, variabilidad y deriva génica.

2. Producción de alimentos (> 30% de la producción global) : frutales, oleaginosos, leguminosas, cucurbitáceas. MIEL.

3. Biorregulación: enemigos naturales de plagas.

AMENAZAS: polinizadores nativos específicos en riesgo de extinción por pérdida de hábitat, plaguicidas y competencia con abeja doméstica.

FIJACIÓN (reducción bioquímica) SIMBIÓTICA DE N2 ATMOSFÉRICO

N2 + 8H+ + 8e- + 16 ATP = 2NH3 + H2 + 16ADP + 16 Pi

Rhizobium

Bradyrhizobium

Mesorrhizobium

Azospirillum

Aprox.140 Mt N2 / año en ecosistemas terrestres

+

200 a 300 Mt/año en ecosistemas marinos.

El costo de fijar 1 g de N es de 8 a 12 g de glucosa (Gutschick 1981) sin incluir el costo de construcción y mantenimiento de estructuras espoecializadas (ej. Nódulos)

Ref.: Vitousek et al. 1997. Human alteration of the global nitrogen cycle: sources and consequences. Ecological Applications 7: 737-750

La agricultura es la causa principal de desequilibrio en el ciclo global del N: principales consecuencias.

1. Aumento de la concentración atmosférica de N2O (310 veces más potente como GEI que el CO2);2. Contaminación de napas de agua y riesgos sanitarios;

3. Pérdidas de nutrientes del suelo como de Ca,Mg y K;

4. Acidificación de suelos, cursos de agua y lagos;

5. Eutrofización de estuarios y costas marinas;

6. Aumento de secuestro de C en algunos ecosistemas terrestres;

7. Aceleración de la pérdida de biodiversidad, especialmente de plantas fijadoras y/o eficientes en uso de N y de los microorganismos simbióticos (obligados);

8. Pérdida de recursos pesqueros

HONGOS ENDÓFITOS / PASTOS

MICORRIZAS : intracelulares ó MArbusculares ó MVA y extracelulares ó ectomicorrizas (en bosques).

LÍQUENES : Micobionte + fotobionte

Fijación de N (diazotróficos; > 1300 especies con cianobacterias como fotobionte); formación de suelo; biosensores de contaminación atmosférica por SO2.

Aumenta captura de P por plantas y formación de suelo y remediación de suelos degradados.

Protección anti-herbívoros y tolerancia a estrés.

Otros simbiontes …

Líquen con Nostoc sp. cianobacteria)

Cefalopodio de un líquen con hifas del hongo,H y cianobacterias, C.

El Proyecto Agua Salud busca comprender y cuantificar los servicios ecológicos, sociales y económicos que proveen los bosques tropicales en la cuenca del Canal de Panamá.

An Integrated Ecosystem Services Project http://www.ctfs.si.edu/aguasalud/

Estudios de caso: 1. Fijación simbiótica de N2 en bosques tropicales Conceptos clave: sucesión secundaria; complementariedad de nicho biogeoquímico; feed-back compensatorio; secuestro de carbono

Hechos y cuestiones:

La capacidad de bosques tropicales para acumular C atmosférico puede estar limitada por la disponibilidad de N;

La principal fuente de N en ese ecosistema es el fijado por leguminosas simbióticas (se estima que puede proveer 50% del N necesario para almacenar 50Tm de C/ha)

¿es posible que dicha fuente pueda soportar las altas demandas de N durante una sucesión secundaria luego del desmonte y uso agrícola del ecosistema ?

¿es posible que la tasa de fijación y la biomasa acumulada establezcan un retrocontrol negativo?

¿existe diferenciación de nicho funcional entre especies fijadoras a lo largo de la sucesión ?

Ref.: Batterman et al. 2013. Nature

Contribución de diferentes especies leguminosas simbióticas:Inga cocleensis, Tachigali versicolor, Inga pezizifera, Inga thibaudiana, Lonchocarpus latifolius, Platymiscium pinnatum, Andira inermis

Acumulación de biomasa y fijación de N2 en bosques recolonizados luego de desmonte y ganadería: a, C acumulado en biomasa aérea y subterránea; b, masa de nódulos/ha en leguminosas y c, requerimiento calculado de N atmosférico necesario para sostener la tasa de acumulación de C en la figura a.

Inga sp.

2: Fijación de N2 en soja y fertilización N en posfloración

La productividad de m.s. y la duración de la floración aumentó con la disponibilidad de N en esta fase.

Se evaluaron 3 fuentes de N a los granos: absorción de N mineral; fijación simbiótica y removilización desde estructuras vegetativas;

La fertilización N aumentó la absorción y la removilización pero disminuyó la fijación.

Ref.: Kinugasa et al 2012.Demand and supply of N in seed production of soybean (Glycine max) at different N fertilization levels after flowering. J.Plant Res.125(2):275-81

Ref.: Zablotowicz RM & Reddy KN 2004. Impact of glyphosate on the Bradyrhizobium japonicum symbiosis with glyphosate-resistant transgenic soybean: a minireview. J.Environ.Qual. 33: 825-831

Efecto del glifosato sobre la fijación simbiótica en soja RR

La actividad nitrogenasa (reducción de acetileno) de Bradyrhizobium japonicum fue inhibida durante estadios tempranos de crecimiento de soja RR, indicando reducción de la capacidad de fijación de N

0 +FACILITACIÓN o COMENSALISMO

Hormigas protegiendo pulgones que segregan melaza

Mecanismos de Facilitación Ecológica

•Refugio de estrés físico (“plantas nodrizas”)

•Refugio de predación (cultivos asociados)

•Refugio de competencia / seudo-competencia

•Aumento de recursos (ej. soporte de epífitas)

•Transporte (ej. ectozoocoria; efecto zafari Ibis/ganado)

•Transferencia alelopática (ej. mariposas monarca)

Funciones: restauración de ecosistemas degradados; biorregulación; formación de suelo; conservación de biodiversidad; productividad primaria y secundaria.

Ganado (0) x Bubulcus ibis (+) x anfibios (-)

(-)

Efecto “zafari”

EPIFITIA

Asclepias spp.

Aphelocoma coerulescens

Danaus plexippus

Mariposa Monarca

Sauces y álamos

Limenitis archippus

Mimetismo (adaptación)

Contiene glicósido cardíaco tóxico para vertebrados

Sensibles a toxina Bt

Las larvas alimentadas sobre asclepias dan nacimiento a crisálidas que en octubre migran más de 4500km, desde el sur de Canadá hasta el centro de México (Reserva de Biósfera de Mariposa Monarca).

Co-adaptación

Curvas de decaimiento de semillas ubicadas experimentalmente sobre vacas (símbolos llenos) o caballos (símbolos vacíos), en diferentes ambientes: círculos = bosques; triángulos= vegetación herbácea alta; cuadrados = praderas bajas.Los valores son promedios de 3 ambientes x 2 años.

Ref.: Couvreur M. et al. 2005. Experimental assessment of plant seed retention times in fur of cattle and horse. Flora - Morphology, Distribution, Functional Ecology of Plants 200: 136 – 147.

Arctium minus

Xanthium strumarium

Dispersión ectozoócora

Distancia máxima variable con característas de frutos/semillas y la piel del animal trasportador

Plantas Nodrizas como islas de reclutamiento en ambientes desfavorables. (proveen sitios seguros)

Ref.:Francisco M Padilla F.M & F.Pugnaire 2006 The role of nurse plants in the restoration of degraded environments.

FACILITACIÓN INTERFERENCIA

Año mas seco Año más húmedo

Mecanismos de facilitación: 1) aumento de disponibilidad de recursos limitantes (fertilidad del suelo, agua); 2) mejora micro-climática (sombra, HR); 3) protección anti-herbívoro; 4) perchado de aves.

Mecanismos de interferencia y seudo-competencia: 1) competencia por recursos;2) alelopatía; 3) refugio de herbívoros

CULTIVOS ASOCIADOS : mejora ambiental; protección por repulsión aleloquímica; refugio de enemigos naturales; atracción de polinizadores.

Maíz / Piretro en cultivos orgánicos

Cultivos de cobertura (Oxalis pes-caprae) invernales en vid: mejora aireación de suelo, provee polen para abejas en invierno y controla malezas + intersiembra de cebada.

Centeno en maíz

Hortícolas + ornamentales (plantas acompañantes, repelentes o trampas)

0 –

AMENSALISMO O INHIBICIÓN Ej alelopatía y antibiosis

Penicillum notatum libera penicilina inhibe el crecimiento de bacterias

Streptomyces griseus libera estreptomicina que inhibe el crecimiento de bacterias

Las raices de avena (Avena sativa) libera escopoletina que inhibe la germinación de malezas (en general cereales de invierno, crucíferas y leguminosas liberan aleloquímicos rotaciones y coberturas para el manejo de malezas)

Convolvulus arvensis exhuda aleloquímicos que inhibe el crecimiento de trigo.

Los árboles adultos (acumulación de broza) retardan la germinación o el crecimiento de sus propias plántulas o de otras especies.

Ej: coníferas, casuarinas, eucaliptus.

Acción herbicida: Terpenos en aceites escenciales de chinchilla (Tagetes minuta) pueden inhibir germinación de malezas (ej.Echinochloa sp, Cyperus sp) pero también de cultivos (ej. Lotus sp.) y el crecimiento radicular de maíz.

Acción fungicida, bactericida y acaricida: controla Fusarium oxisporum (agente de dumping-off) y hongos entomopatógenos como Ascosphaera apis, al ácaro Varroa destructor y la bacteria Paenibacillus larvae que afectan a las abejas domésticas (Eguarás et al. 2005)

Varroa destructor

Tagetes minuta (chinchilla)