Studies on ecology, reproductive biology and genetic diversity of Helianthemum caput-felis Boiss. (Cistaceae). A framework for its conservation

Resum

Justificación La familia Cistaceae se encuentra ampliamente distribuida por las regiones templadas y subtropicales del hemisferio norte, con su mayor riqueza de especies en el área Mediterránea. Comprende ocho géneros, cinco de los cuales (Cistus, Fumana, Halimium, Helianthemum y Tuberaria) son nativos de Europa, mientras que los tres restantes (Crocanthemum, Hudsonia y Lechea) habitan en las regiones templadas de América. Dentre de estos, Helianthemum es el género más diverso de la familia, con cerca de 110 especies distribuidas por Europa, Oriente Medio, África del Norte y América. Este género se encuentra relacionado con Crocanthemum y Hudsonia, géneros que se diferenciaron del primero en un evento de migración desde Europa a América a finales del Mioceno (c. 9-5 Ma). Dentro de Helianthemum, la especie H. caput-felis Boiss. se incluye como único representante de H. sect. Caput-felis G. López. Esta especie tiene un número de cromosomas exclusivo en el género (n = 12) y unas semillas particulares con ornamentación cerebriforme. Además, sus flores presentan una longevidad inusual dentro del género. Como consecuencia, H. caput-felis ha sido considerada como el único representante actual de un antiguo linaje intermedio entre H. subg. Helianthemum y H. subg. Plectolobum; aunque esta hipótesis no ha podido ser demostrada en la única filogenia parcial del género publicada hasta la fecha. H. caput-felis, o jarilla cabeza de gato, es una especie endémica del Mediterráneo occidental. Desde su casual descripción por Boissier en 1838, ha sido considerada como una planta rara, debido al reducido número de localidades y a su singular distribución en determinados puntos de las costas de Argelia, España, Italia y Marruecos. En los últimos tiempos, la rápida modificación en los usos del suelo, acentuada por la construcción de urbanizaciones y el impacto del turismo en determinadas zonas costeras, ha conllevado la fragmentación de las poblaciones de esta especie, amenazándola incluso con la extinción en algunas áreas. Por todo esto, H. caput-felis está recogida en los listados de especies de flora protegida de la convención de Berna (1979, actualizada en 2002) y su hábitat está protegido por la Directiva Europea (92/43/CEE actualizada por 97/62/CEE), conocida como Directiva Hábitats. A escala nacional, la especie está incluida en los libros rojos de flora vascular amenazada de España e Italia, donde está considerada como “En Peligro” (EN) y en “Peligro Crítico” (CR), respectivamente. Así mismo, en España esta especie está incluida como “Vulnerable” (VU) en el Real Decreto 139/2011, de 4 de febrero, para el desarrollo del Listado de Especies Silvestres en Régimen de Protección Especial y del Catálogo Español de Especies Amenazadas. Además, algunas de sus poblaciones están protegidas en la Red Europea Natura 2000, el Convenio de Ramsar o la red de Microrreservas de Flora de la Comunidad Valenciana. Debido a su excepcional distribución y a su actual estado de amenaza, H. caput-felis ha sido objeto de diversos estudios sobre distintos aspectos de su biología e historia natural. Hasta la fecha, los estudios centrados en esta especie versan sobre la aplicación de herramientas SIG (Sistema de Información Geográfica) para una de las poblaciones de Alicante, la biología reproductiva y los visitantes florales en una de sus poblaciones de Mallorca y el estudio del estado de conservación y principales amenazas que afectan a su supervivencia a escala regional en la isla de Cerdeña (Italia). Pese al esfuerzo realizado por los autores de estos trabajos para aportar datos sobre H. caput-felis, todavía hay un gran desconocimiento en algunos aspectos de la biología, ecología, corología y otras disciplinas (e.g. genética de poblaciones), e incluso en el estado de conservación de esta especie. Por ejemplo, los dos estudios previos sobre la biología reproductiva que se llevaron a cabo en la misma población de Mallorca han puesto de manifiesto datos parcialmente incongruentes sobre el sistema reproductivo de esta especie. Y no hay datos de su biología reproductiva ni de los visitantes florales en otros hábitats o poblaciones. Aunque algunos aspectos sobre la ecología y distribución de H. caput-felis han sido recientemente estudiados en Italia y en la población del sur de la provincia de Alicante, las poblaciones del norte de África no se han estudiado con detalle. Tampoco hay información disponible para evaluar la diversidad o estructura genética de ninguna de las poblaciones conocidas de esta especie amenazada. Finalmente, el estado de conservación de H. caput-felis no ha sido evaluado ni a escala global ni en ciertas regiones, como Argelia o Marruecos. Objetivos Con el propósito de aumentar el conocimiento de los mencionados aspectos de la historia natural de H. caput-felis, y para establecer las bases para un apropiado manejo de las poblaciones silvestres de esta especie amenazada, se han fijado los siguientes objetivos para la presente tesis: Sobre la biología reproductiva 1. Explorar la biología reproductiva de H. caput-felis a partir de rasgos reproductivos y fenológicos, determinando el sistema reproductivo de esta especie en la península ibérica. 2. Estudiar los visitantes florales y su dinámica en una escala temporal. A su vez, estudiar qué especies de visitantes florales son clave en la transferencia genética entre individuos de H. caput-felis. 3. Evaluar posibles diferencias entre los resultados obtenidos en la península ibérica y los resultados de estudios previos en la población de Mallorca. Sobre la diversidad y estructura genética 4. Analizar la diversidad genética de H. caput-felis en las poblaciones españolas para clarificar las relaciones genéticas y detectar el posible flujo genético existente entre ellas. 5. Explorar las relaciones filogeográficas entre las poblaciones de H. caput-felis en toda su distribución con el fin de determinar su estructura genética y las posibles rutas de colonización o procesos de geovicarianza que han llevado al aislamiento de la especie, así como detectar el centro de diversidad genética. Sobre la conservación 6. Evaluar el estado de conservación a escala global y regional de H. caput-felis, identificando las posibles amenazas que afectan a la viabilidad de la especie, aplicando las categorías y criterios de la UICN. 7. Explorar la capacidad de H. caput-felis de permanecer en sus localidades actuales ante potenciales escenarios de cambio climático mediante el modelado de la distribución de la especie en un futuro próximo. Estructura de la tesis La presente memoria doctoral está organizada a modo de “tesis por compendio de publicaciones”, y comprende artículos publicados en revistas científicas, capítulos de libros y manuscritos, en proceso de publicación, enviados o en preparación. Cada uno de ellos ha sido incluido en una sección, dependiendo del tema de estudio. Además, en los apéndices, se incluyen otros estudios y materiales. La sección 1 (capítulos 1 a 3) incluye trabajos sobre la biología reproductiva de H. caput-felis. El capítulo 1 es un análisis exploratorio de las relaciones entre la fenología floral y los rasgos reproductivos de dos poblaciones de la provincia de Alicante. El capítulo 2 trata sobre el sistema reproductivo, los visitantes florales y el éxito reproductivo de la especie en la Microrreserva de Flora (MRF, en adelante) de Punta de la Glea (Orihuela) en la provincia de Alicante. Los resultados obtenidos se compararon con resultados previos de una población de Mallorca. El capítulo 3 se centra en la dinámica diaria de las interacciones de H. caput-felis con sus visitantes florales, en el marco de la teoría de redes. La sección 2 comprende dos capítulos (4 y 5) sobre la diversidad genética y la filogeografía de H. caput-felis. El capítulo 4 contiene un estudio sobre la genética poblacional de la especie en España, basada en la técnica AFLP. Y el capítulo 5 incluye una evaluación, mediante ADN plastidial, de la estructura genética de H. caput-felis en toda su área de distribución. La sección 3 incluye tres capítulos (6 a 8) centrados en la conservación de la especie. El capítulo 6 se corresponde con la evaluación de H. caput-felis realizada para el Atlas y Libro Rojo de Flora Vascular Amenazada de España. El capítulo 7 incluye la evaluación de la conservación y estado de amenaza de H. caput-felis en Argelia, incluyéndose además la actualización de la distribución de la especie en este país. El capítulo 8 corresponde a la actualización del estado de amenaza de la especie a escalas global y regional, e incluye la modelización de la futura distribución potencial de la especie mediante el uso de variables ambientales en dos escenarios de cambio climático. Tras estas secciones, se presentan las conclusiones globales de la tesis doctoral (sección 4). Finalmente, en los apéndices (sección 5) se puede consultar fotografías de los visitantes florales más comunes de H. caput-felis en la provincia de Alicante, comunicaciones de congresos y un artículo sobre la descripción fitosociológica de los matorrales de Cerdeña, con especial hincapié en los que participa H. caput-felis. También en los apéndices, se puede consultar la afiliación de los coautores de todos los trabajos. Resultados de la tesis A continuación se expone una síntesis de los principales resultados obtenidos en cada uno de los capítulos de la presente memoria de tesis. Capítulo 1. Relaciones entre la fenología de la floración y rasgos reproductivos en dos poblaciones de Helianthemum caput-felis. Los resultados de este capítulo mostraron que hay algunas diferencias significativas en las variables reproductivas de H. caput-felis entre las dos poblaciones estudiadas (norte y sur de la provincia de Alicante). En general, las plantas estudiadas en la población de la MRF Punta Glea (Orihuela) fueron de mayor tamaño y tenían un mayor número de inflorescencias que las de la MRF Cala Bassetes (Benissa). Aunque en la población de la MRF Cala Bassetes el número de flores por inflorescencia resultó mayor. Sin embargo, no se encontraron diferencias entre ambas poblaciones en el número total de flores por individuo. El tamaño de las flores resultó mayor en Punta Glea, aunque en ambas localidades tendía a decrecer a lo largo del periodo de floración. Respecto a la fenología, el periodo de floración fue cercano a dos meses (de principios de abril a finales de mayo), aunque la duración de la misma para cada individuo varió entre 5 y 58 días, sin diferencias significativas entre las poblaciones. La duración de la floración resultó estar ligeramente correlacionada con el número de flores y, en menor medida, con el tamaño de la planta. Tampoco se encontraron diferencias entre las poblaciones para el tiempo transcurrido entre el inicio y el punto máximo de la floración. En general, los individuos estudiados abrieron el máximo número de flores a mitad del periodo de floración. Por el contrario, sí que se observaron diferencias significativas entre ambas poblaciones en la intensidad y sincronización de la floración. Para la población de la MRF Cala Bassetes se encontraron mayores valores de intensidad de floración, variable que se ha correlacionado positivamente con el tamaño de los individuos y el número de inflorescencias y flores, y con la duración de la floración. La población de la MRF Punta Glea presentó mayores valores de sincronización, variable que no se ha correlacionado con ninguna otra de las evaluadas en el presente estudio. Para explicar si alguno de los factores estudiados afecta al éxito reproductivo de H. caput-felis, es necesario analizar la proporción de frutos y semillas viables que produjeron los individuos estudiados de ambas poblaciones (trabajo que se está realizando actualmente). Capítulo 2. Descifrando la biología reproductiva de la especie amenazada jarilla cabeza de gato (Helianthemum caput-felis, Cistaceae). Este capítulo profundiza en la biología reproductiva de H. caput-felis en la población de la MRF Punta Glea, los resultados se compararon con los obtenidos por otros autores en el estudio de la población de Mallorca. Para estudiar el tipo de sistema reproductivo se realizó un experimento de polinización manual utilizando polen de diferentes procedencias y con exclusión de visitantes florales. El tratamiento que mayor proporción de frutos y semillas produjo fue aquel en que se utilizó polen de un donante diferente a la planta receptora (xenogamia), con valores que no se diferenciaron significativamente de los obtenidos en el control (polinización abierta a visitantes florales). Por el contrario, los niveles más bajos en producción de frutos y semillas se dieron en tratamientos en los que se utilizaba polen proveniente de la misma flor (mismo donante y receptor, autogamia). La utilización de polen procedente de diferentes flores de la misma planta (geitonogamia) produjo valores intermedios en la producción de frutos y semillas. Estos resultados contrastan con los obtenidos en la población de Mallorca, donde no se produjeron diferencias significativas entre tratamientos equivalentes. En referencia a los visitantes florales, hasta 50 especies diferentes de insectos se posaron en las estructuras reproductivas de H. caput-felis. Los insectos más abundantes, en número de especies (cerca de la mitad) y frecuencia de las visitas (> 80%) pertenecieron al orden Hymenoptera. Los representantes de Coleoptera y Diptera le siguieron en importancia de riqueza específica y frecuencia de visitas. En concreto, los visitantes más frecuentes fueron la abeja de la miel (Apis mellifera), con más de la mitad de las visitas observadas, seguida de algunas abejas solitarias (e.g. Andrena fabrella, Lasioglossum capitalis y Rhodanthidium sticticum). Un análisis de la carga polínica de los insectos más frecuentes reveló que la composición de polen pertenecía a especies de varias familias presentes en la zona de estudio. No obstante, en la mayoría de los casos el tipo de polen predominante fue el de H. caput-felis. Capítulo 3. Interacciones insecto-planta en una especie amenazada (H. caput-felis): desvelando la dinámica diaria de la red de polinización de una planta. En este capítulo se realizó un estudio en la MRF Punta Glea (Alicante), en el que se analizaron cerca de 1600 interacciones entre visitantes florales e individuos de H. caput-felis, en el marco de la teoría de redes. La estructura de las interacciones entre visitantes florales e individuos de H. caput-felis cambió a lo largo del día. Los valores de conectancia fueron más bajos de lo esperado, al contrario que en el caso de los valores de anidamiento. Así mismo, los valores de especialización de la red y la modularidad resultaron menores que en redes basadas en interacciones especie-especie. Cabe destacar que los valores de especialización a escala de red aumentaron conforme avanzaba el día, sugiriendo que la disponibilidad de recursos florales varía a lo largo del día, lo que provocaría que los insectos visiten solo ciertos individuos. A escala individual también se observaron diferencias en algunos índices estudiados entre individuos de H. caput-felis y entre especies de visitantes florales. Concretamente, las plantas situadas en la periferia de la MRF Punta Glea resultaron las más importantes en el mantenimiento de la estructura de la red, albergando una gran parte de las interacciones y recibiendo un mayor número de especies de visitantes florales. Las especies de visitantes más frecuentes (ver resumen capítulo 2) fueron también las que realizaron un papel más importante en el mantenimiento de la red, siendo las mayores responsables de la conexión entre diferentes individuos de H. caput-felis. No obstante, especies no tan frecuentes (e.g. Eucera barbiventris o Ceylalictus variegatus), también actuaron como conectores en determinados momentos del día. Capítulo 4. Diversidad genética y filogeografía de Helianthemum caput-felis Boiss. (Cistaceae) basadas en marcadores AFLP. En este capítulo se estudió la diversidad genética de las poblaciones españolas (dos en la provincia de Alicante, dos en la isla de Mallorca y una en Melilla) de H. caput-felis mediante la técnica AFLP. La amplificación selectiva de los tres cebadores utilizados produjo un total de 149 bandas, de las cuales 70 (47%) resultaron polimórficas. La población con el menor número de polimorfismo fue la de Melilla, a la que siguió la población de Alicante con un valor ligeramente mayor, y siendo la población de las Islas Baleares la que presentó un mayor polimorfismo. Una relación similar se pudo observar con los valores de diversidad genética de Nei e índice de Shannon. Los resultados del AMOVA mostraron que la mayor parte de la variación se encuentra dentro de las poblaciones (80%); mientras que el resto de la variación (20%) se dio entre las poblaciones. El análisis de coordenadas principales reveló un patrón geográfico entre las poblaciones. La población de Melilla apareció claramente separada, mientras que las de Alicante e Islas Baleares se presentaron ligeramente entremezcladas. La diferenciación genética entre pares de poblaciones (Fst) mostró cierta relación con la distancia geográfica entre éstas. Las poblaciones de Alicante e Islas Baleares resultaron poco diferenciadas en comparación con la diferenciación entre ambas y la población de Melilla. Capítulo 5. Estructura genética y filogeografía de Helianthemum caput-felis basadas en ADNcp. En este capítulo se estudió la estructura genética de poblaciones de todo el rango de distribución de H. caput-felis mediante secuenciación de ADN cloroplástico. Los tres marcadores que resultaron polimórficos revelaron un total de cuatro haplotipos diferentes para las siete áreas geográficas donde crece H. caput-felis (i.e. Alicante sur, Alicante norte, Mallorca oeste, Mallorca este, Cerdeña, Marruecos-Melilla y Argelia). Las muestras de ADN de la población de Argelia no amplificaron para dos de las regiones utilizadas, por lo que no se les pudo asignar un haplotipo. No se detectó ningún haplotipo común para todas las poblaciones de la especie, y cada población presentó solamente un haplotipo. Asimismo, se detectaron dos haplotipos compartidos, uno entre las poblaciones de Mallorca este y Cerdeña, y otro entre las poblaciones de Alicante sur y Marruecos-Melilla; y dos haplotipos privados, uno en la población de Alicante norte y otro en la de Mallorca oeste. La red de haplotipos obtenida no permitió estimar un haplotipo ancestral. Capítulo 6. Helianthemum caput-felis Boiss. en el Atlas y Libro Rojo de la Flora Vascular Amenazada de España. Este capítulo se corresponde con la ficha realizada sobre H. caput-felis en el Atlas y Libro Rojo de la Flora Vascular de España. Aquí se aportan los primeros datos sobre el estado de conservación y principales amenazas de las poblaciones españolas de esta especie. La población del sur de Alicante (Torrevieja-Orihuela) se estimó en 20400 individuos repartidos en un total de 11 cuadrículas de un kilómetro cuadrado, donde sus principales amenazas son la urbanización y artificialización del hábitat. La población del norte de Alicante (Calpe-Benissa) se estimó en 2810 individuos repartidos en un total de 6 cuadrículas de un kilómetro cuadrado, y comparte amenazas con la población anterior. La población del oeste de Mallorca (Llucmajor) se estimó en 5510 individuos repartidos en un total de 8 cuadrículas de un kilómetro cuadrado, y sus principales amenazas son la frecuentación y el vertido de escombros. En la población del este de Mallorca (Campos-Ses Salines) se censaron 5510 individuos, repartidos en un total de 7 cuadrículas de un kilómetro cuadrado, y sus principales amenazas son la frecuentación y la artificialización del hábitat. Por último, el censo de la población de Melilla se estableció en 700 individuos, repartidos en un total de 6 cuadrículas de un kilómetro cuadrado y sus principales amenazas son la frecuentación, riesgos de avenida y posible ampliación de instalaciones portuarias. Con estos datos la categoría UICN calculada para la lista roja de España fue En Peligro: EN A4c; B1ab(i,ii,iii,iv,v) + 2ab(i,ii,iii,iv,v). Capítulo 7. Actualización de la distribución y estado de conservación de la especie amenazada jarilla cabeza de gato (Helianthemum caput-felis, Cistaceae) en Argelia. En este capítulo se actualizó la distribución de H. caput-felis en Argelia y se evaluó el estado de conservación y principales amenazas que afectan a esta población. Los muestreos de campo realizados revelaron la desaparición de esta especie en las localidades donde se había recolectado históricamente (Aïn-el-Turk, Cap Falcon y Les Andalouses, cerca de Orán). En las últimas décadas, estas áreas han sufrido una severa transformación debido a la urbanización y artificialización del hábitat, la presencia de deshechos, y la frecuentación con fines turísticos y de ocio. Afortunadamente, se encontró una nueva localidad en Ain-El-Kerma, al sureste de las poblaciones posiblemente extintas. No obstante, esta población incluye apenas 30 individuos, y es susceptible de desaparecer ante cualquier perturbación. De acuerdo con el bajo número de individuos y la reducida área de ocupación y extensión, se propuso incluir H. caput-felis en la Lista Roja de Argelia como en “Peligro Crítico”: CR B1ab(i,ii,iii,iv,v)+2ab(i,ii,iii,iv,v); C2a(i,ii); D. Capítulo 8. Distribución y conservación de la jarilla cabeza de gato (Helianthemum caput-felis, Cistaceae): evaluando presente y futuro. En este capítulo se describe la distribución y el estado de conservación de las poblaciones a escala global y regional de H. caput-felis. También se describen las amenazas que afectan a cada una de las poblaciones. Además, se estudia la capacidad de la especie para permanecer en las localidades actuales ante diferentes escenarios de cambio climático, a través de modelos predictivos basados en variables ambientales. Para finalizar se proponen categorías de amenaza sobre la base de los criterios de la UICN. Respecto al rango de distribución de la especie, se presentan mapas de todas las poblaciones de H. caput-felis, con una resolución de un kilómetro cuadrado, y con información acerca de los municipios y hábitats en los que crece. Los datos de distribución, sin embargo, se presentan ajustados a una gradilla de dos kilómetros cuadrados, siguiendo las recomendaciones de la IUCN. La población argelina se censó en 30 individuos, con un área de extensión y de ocupación de 4 km2. La población española, dividida en cinco localidades, fue estimada en más de 57000 individuos con un área de extensión de más de 1300 km2, y un área de ocupación de unos 152 km2. Para la población italiana no hay censos del número de individuos, aunque trabajos recientes han estimado una población cercana a 1.5 millones de individuos, con áreas de extensión y de ocupación calculadas en 16 km2. La población marroquí tampoco ha sido censada con detalle, pero sus áreas de presencia y ocupación se estimaron en 112 km2. No hay datos suficientes para estimar el tamaño de la población global de la especie, pero su área de extensión se calculó en torno a 2250 km2, y su área de ocupación en 284 km2. Los modelos de distribución basados en la predicción de dos escenarios de cambio climático, con diferentes aumentos en las concentraciones de CO2 (400 ppm y 800 ppm, en el año 2070), sugirieron una reducción considerable de los rangos de H. caput-felis, que afectaría a todas las poblaciones conocidas, aunque de manera diferente a cada una de ellas. La población argelina desaparecería en cualquiera de los dos escenarios considerados. El área de la población española se reduciría entre el 25% y el 40%, con la desaparición de la población de Melilla. Y en Italia, la población se vería reducida en un 75% de su ocupación actual, sobre la base del modelo menos severo, y desaparecería en la peor de las predicciones. La población de Marruecos, en cambio, vería disminuida su área de ocupación entre un 65% y un 80%. Todas las poblaciones de H. caput-felis están amenazadas, en mayor o menor medida, por la degradación de su hábitat causada por la acción del hombre. Las principales amenazas antrópicas que afectan a esta especie son los cambios en el uso del suelo (e.g. la construcción de áreas residenciales, paseos marítimos, jardines, accesos a playas) y, directamente asociado a éste, el aumento del pisoteo y la acumulación de deshechos. Otras presiones antrópicas que aumentan la fragmentación, la pérdida de hábitat y el empobrecimiento de las poblaciones naturales de esta especie son la competencia por invasión de plantas exóticas y el incremento de la polución. Esto último, es significativamente importante en el deterioro de las poblaciones de Alicante y Argelia. Además, las actividades relacionadas con la agricultura han contribuido a la reducción y empobrecimiento de los hábitats naturales, directamente por la conversión de ambientes naturales en zonas agrícolas, o indirectamente al afectar a la disponibilidad de agua y al deteriorar la calidad del suelo por el uso de productos agroquímicos. Todo esto ha ocurrido o está ocurriendo actualmente en las poblaciones de Italia y Marruecos principalmente. A partir de los datos presentados anteriormente, se evaluó la categoría correspondiente para cada una de las poblaciones siguiendo los criterios y recomendaciones de la IUCN. Para las poblaciones de Argelia e Italia se mantuvieron las categorías definidas anteriormente. Para Argelia se detalla esta evaluación en el capítulo 7 del presente trabajo y en el caso de Italia se mantuvo la categoría definida por trabajos recientes de otros autores. Así, la categoría propuesta para el libro rojo de Argelia se mantuvo como CR B1ab(i,ii,iii,iv,v)+2ab(i,ii,iii,iv,v); C2a(i,ii); D, y para Italia se mantuvo como CR B1ab(i,ii,iii,v)+2ab(i,ii,iii,v). La reevaluación de la población española, aunque no implicó un cambio de la categoría de amenaza, sí supuso la reducción de alguno de los criterios en los que ésta se basa. De este modo, la categoría actual en la que se incluyó la especie es EN A4c; B1ab(i,ii,iii,iv,v)+2ab(i,ii,iii,iv,v). Para la población de Marruecos no existía una evaluación previa, por lo que se evaluó por primera vez y se recomendó su inclusión en el libro rojo en la categoría EN B1ab(ii,iii)+2ab(ii,iii). Así mismo, a escala global, se propuso la catalogación de H. caput-felis en la Lista Roja de la UICN en la categoría EN B1ab(i,ii,iii)+2ab(i,ii,iii).