Selekcja pozostawiona w krajobrazie
Polaskia chichipe jest rozgałęzionym kaktusem drzewiastym, którego owoce wykorzystują mieszkańcy doliny Tehuacán. Podczas przygotowywania pola część pożądanych roślin pozostaje na miejscu. Taki sposób zarządzania nazywa się selekcją in situ, ponieważ wybrane osobniki nadal rosną w swoim dotychczasowym siedlisku. Inne rośliny trafiają do ogrodów, gdzie podlegają uprawie. Zarośla, pola i ogrody tworzą zatem różne środowiska selekcji wewnątrz jednego regionu. Badanie ich rozmnażania pozwala śledzić cechy związane z wczesnymi etapami domestykacji, czyli zmianami dziedzicznych właściwości populacji pod wpływem użytkowania i wyboru przez ludzi. [Otero-Arnaiz i wsp. 2003]
Alejandro Otero-Arnaiz i współpracownicy porównali dziewięć populacji koło San Luis Atolotitlán, Caltepec i Los Reyes Metzontla w stanie Puebla. Reprezentowały one trzy sposoby użytkowania, dziki, zachowywany na polach oraz uprawiany w ogrodach. Oceniano porę kwitnienia, czas otwarcia kwiatów, tworzenie owoców po kontrolowanym zapyleniu i kiełkowanie nasion. Poszczególne doświadczenia miały własne próby, dlatego dziewięć populacji określa zakres całego projektu, a nie liczebność każdej procedury. Tak zaplanowane porównanie łączy obserwacje terenowe z doświadczeniami pozwalającymi rozdzielić działanie pyłku własnego, pyłku obcego i swobodnych wizyt zwierząt. [Otero-Arnaiz i wsp. 2003]
Pora kwitnienia zmienia dostępne kontakty
We wszystkich trzech grupach kwitnienie rozpoczynało się w styczniu. Różnił się jego dalszy przebieg. Populacje dzikie kończyły kwitnienie w marcu, zachowywane na polach w kwietniu, a uprawiane w maju. Szczyt przypadał odpowiednio na luty, marzec i kwiecień. Rośliny uprawiane miały więc przedłużony sezon reprodukcyjny. Część tego okresu nakładała się z kwitnieniem populacji dzikich, co pozostawiało możliwość wymiany pyłku. Późniejsze kwiaty roślin ogrodowych działały już w innym zestawie dostępnych partnerów. Zróżnicowanie terminów może zatem zmieniać częstość kontaktów między populacjami, nawet gdy odległości między roślinami pozostają stałe. [Otero-Arnaiz i wsp. 2003]
Zmieniała się również dostępność pojedynczego kwiatu. Zimą pozostawał otwarty przeciętnie około 28 godzin, a wiosną około 13 godzin. Dłuższe otwarcie obejmowało kolejne odcinki dnia i nocy, podczas gdy krótsze zawężało czas kontaktu ze zwierzętami. Obserwowany rytm trzeba łączyć z sezonem pomiaru. Jedna wartość długości kwitnienia kwiatu nie opisałaby obu sytuacji. Różnica ta pomaga zrozumieć, dlaczego badacze osobno prowadzili doświadczenia zimowe i wiosenne oraz porównywali dostęp dzienny z nocnym. Możliwość odwiedzenia kwiatu zależy jednocześnie od pory roku i przebiegu jego krótkiego okresu aktywności. [Otero-Arnaiz i wsp. 2003]
Samozgodność mierzona doświadczeniem
Samozgodność oznacza zdolność kwiatu do wytworzenia potomstwa po otrzymaniu pyłku tej samej rośliny. Badacze osłaniali kwiaty przed wizytami zwierząt i porównywali samoczynne samozapylenie z ręcznym naniesieniem własnego pyłku. Przy samoczynnym samozapyleniu owoce utworzyło około 12% kwiatów z populacji dzikich, 27% z populacji zachowywanych na polach i 22% z upraw. Po ręcznym samozapyleniu wartości wynosiły odpowiednio około 12%, 24% i 27%. Dane wskazują na częściową samozgodność oraz różnice między sposobami użytkowania. Odsetki dotyczą owocujących kwiatów, przy określonym zabiegu i warunkach doświadczenia. [Otero-Arnaiz i wsp. 2003]
Owoce po samozapyleniu zawierały mniej nasion niż owoce uzyskane po zapyleniu obcym pyłkiem lub przy swobodnych wizytach zapylaczy. Część potomstwa była jednak zdolna do dalszego rozwoju, co potwierdziły próby kiełkowania. Dla oceny systemu rozrodczego znaczenie mają oba poziomy wyniku, powstanie owocu oraz liczba i zdolność kiełkowania jego nasion. Sama obecność owocu opisuje tylko pierwszy z nich. W badanym układzie możliwość wykorzystania własnego pyłku współistniała z większą skutecznością rozmnażania przy udziale innych roślin. Pozostawiała dodatkową drogę reprodukcji tam, gdzie odpowiedni partner albo zapylacz pojawiał się rzadziej. [Otero-Arnaiz i wsp. 2003]
Zapylacze w ciągu dnia i nocy
Na kwiatach obserwowano pszczoły, kolibry i nocne zawisakowate. Sam wykaz odwiedzających uzupełniono doświadczeniem z wyłączaniem dostępu w wybranych porach. W zimowej próbie dostęp przez cały dzień zakończył się owocowaniem 40% kwiatów, a dostęp wyłącznie nocny 15%. Przy swobodnym dostępie w tym porównaniu owocowało 60%. W próbie wiosennej dostęp dzienny i swobodny dały po 100% owocujących kwiatów, a wyłącznie nocny 0%. Każdy wariant tych porównań obejmował po 20 kwiatów. Wynik potwierdza dominującą rolę dnia i pokazuje, że udział nocy zmieniał się z sezonem. [Otero-Arnaiz i wsp. 2003]
W osobnych próbach systemu rozrodczego swobodnie dostępne kwiaty owocowały w ponad 80% we wszystkich typach populacji. Ręczne zapylenie obcym pyłkiem dawało niższe wartości, około 38–49%, zależnie od grupy. Takie zestawienie wymaga zachowania odrębności procedur. Osłanianie i manipulowanie kwiatem zmienia warunki doświadczenia, a swobodne wizyty mogą dostarczać pyłek wielokrotnie. Wynik naturalnego owocowania wskazuje na dużą skuteczność całego układu zapylania podczas pomiaru. Obserwacje kolibrów oraz obecność pyłku dokumentują ich kontakt z kwiatami, podczas gdy eksperyment dzienny obejmuje łącznie wszystkie zwierzęta dopuszczone w tej części doby. [Otero-Arnaiz i wsp. 2003]
Kiełkowanie zależne od pochodzenia nasion
Kolejnym etapem była ocena nasion z trzech grup populacji w jednakowych warunkach. W komorze stosowano naprzemienne temperatury 27°C i 12°C, połączone z 14 godzinami światła i 10 godzinami ciemności. Po 34 dniach skiełkowało 60,8% nasion z roślin dzikich, 77,2% z roślin zachowywanych na polach i 76,3% z upraw. W dwóch zarządzanych grupach kiełkowanie przebiegało również szybciej. Wspólna procedura pozwala przypisać różnice pochodzeniu materiału w zakresie objętym badaniem. Wynik dotyczy osiągniętego kiełkowania, podczas gdy dalsze przeżywanie potomstwa wymagałoby osobnego porównania. [Otero-Arnaiz i wsp. 2003]
Różnice w tempie kiełkowania współtworzą obraz populacji podlegających użytkowaniu, obok ich fenologii i częściowej samozgodności. Znaczenie ekologiczne zależy od warunków, w których siewka rozpoczyna wzrost. W omawianej próbie wszystkie nasiona otrzymywały tę samą temperaturę, światło i dostęp do wody. Badacze mogli dzięki temu porównać reakcję nasion pochodzących z różnych populacji. Takie doświadczenie porządkuje zależności, ale pozostawia odrębne pytanie o sukces młodych roślin w zmiennym siedlisku. Związek szybszego kiełkowania z domestykacją jest interpretowany łącznie z pozostałymi cechami roślin i sposobem ich wybierania przez ludzi. [Otero-Arnaiz i wsp. 2003]
Śledzenie ojcostwa za pomocą DNA
Badanie opublikowane w 2005 roku przeniosło uwagę z możliwości zapłodnienia na rzeczywiste pochodzenie potomstwa. W dziewięciu populacjach oznaczono genotypy dorosłych roślin przy użyciu pięciu markerów mikrosatelitarnych. Są to krótkie, powtarzające się fragmenty DNA, których warianty pomagają rozróżniać osobniki. Potomstwo pochodziło od 63 roślin matecznych z siedmiu populacji. Porównanie wariantów dziecka, znanej matki i kandydatów na ojca pozwalało przypisywać pyłek do roślin. Analiza obejmowała lokalne odległości między partnerami oraz przypadki, w których ojciec znajdował się poza populacją mateczną. [Otero-Arnaiz i wsp. 2005]
Dopasowanie genotypu ma określoną siłę rozstrzygającą. Autorzy podali prawdopodobieństwo wykluczenia błędnego ojca wynoszące 0,96 dla zestawu zastosowanych markerów. Część kandydatów mogła jednak mieć zgodne warianty, a nieobserwowany osobnik spoza populacji mógł przypadkowo przypominać genetycznie roślinę lokalną. Z tego powodu udział zewnętrznego pyłku traktowano jako oszacowanie minimalne. Ta własność metody wyjaśnia, dlaczego liczba przypisanych ojców i częstość migracji pyłku wymagają wspólnej interpretacji. Rozpoznane zapłodnienia dokumentują przemieszczanie genów, natomiast nie każdy lot zwierzęcia między kwiatami pozostawia potomstwo dostępne takiej analizie. [Otero-Arnaiz i wsp. 2005]
Lokalne kojarzenia i przepływ między populacjami
Większość rozpoznanych kojarzeń lokalnych zachodziła między roślinami oddalonymi o mniej niż 40 m. Średnia odległość lokalnego przepływu pyłku wyniosła około 42 m. Po włączeniu rozpoznanych kontaktów między populacjami średnia zwiększała się do około 113 m. Jednocześnie co najmniej około 27% potomstwa powstawało z udziałem pyłku spoza populacji matecznej. Oba wyniki opisują różne części tego samego procesu. Liczne krótkie przemieszczenia skupiają rozmnażanie w sąsiedztwie, a rzadsze dalsze kontakty łączą oddzielone grupy roślin. Dziki kaktus i roślina ogrodowa mogą dzięki temu uczestniczyć we wspólnym przepływie genów. [Otero-Arnaiz i wsp. 2005]
Rzeczywisty udział samozapłodnienia w całej próbie wynosił około 9%. Oszacowania dla populacji uprawianych, zachowywanych na polach i dzikich różniły się liczbowo, lecz różnice pozostawały statystycznie nieistotne. Zestawienie z wcześniejszym doświadczeniem oddziela zdolność do samozapłodnienia od tego, jak często dochodzi do niego przy naturalnym dostępie pyłku. Roślina może przyjmować własny pyłek i równocześnie wytwarzać większość potomstwa z udziałem sąsiadów. Wyższa samozgodność stwierdzona w części doświadczeń na populacjach zarządzanych nie oznacza więc automatycznie przewagi samozapłodnienia w ich rzeczywistym rozmnażaniu. [Otero-Arnaiz i wsp. 2005] [Otero-Arnaiz i wsp. 2003]
Dziedziczne zmiany przy zachowanej łączności
Przepływ genów może rozpraszać między populacjami warianty dziedziczne i ograniczać ich różnicowanie. W krajobrazie użytkowanym przez ludzi działa równocześnie powtarzany wybór pożądanych roślin. Autorzy interpretowali utrzymywanie odrębności populacji zarządzanych jako wynik selekcji zachodzącej przy ciągłej wymianie genów. Znaczenie ma również nierówny udział dorosłych roślin w ojcostwie potomstwa. Nie każdy kwitnący osobnik przekazuje geny z podobną częstością. Rozmieszczenie partnerów, czas kwitnienia i skuteczność przenoszenia pyłku mogą zatem wpływać na to, które warianty trafią do kolejnego pokolenia w danym miejscu. [Otero-Arnaiz i wsp. 2005]
Biologia Polaskia chichipe opisuje domestykację działającą w otwartym układzie populacji. Zachowywanie roślin na polu utrzymuje ich obecność w miejscu użytkowania, uprawa zmienia skład lokalnej grupy, a zapylenie łączy te rośliny z otaczającymi zaroślami. Badania kwiatów ujawniają różnice zdolności reprodukcyjnych, podczas gdy markery DNA określają pochodzenie faktycznie utworzonego potomstwa. Dla ochrony zasobów genetycznych istotny jest zatem cały układ stanowisk i kontaktów rozrodczych. W badanym regionie tradycyjne użytkowanie współistniało z przemieszczaniem pyłku między dzikimi i zarządzanymi populacjami tego samego gatunku. [Otero-Arnaiz i wsp. 2003] [Otero-Arnaiz i wsp. 2005]
Evolution of Polaskia chichipe (Cactaceae) under domestication in the Tehuacán Valley, central Mexico: Reproductive biology
Otero-Arnaiz A., Casas A., Bartolo C., Pérez-Negrón E., Valiente-Banuet A., Evolution of Polaskia chichipe (Cactaceae) under domestication in the Tehuacán Valley, central Mexico: Reproductive biology, American Journal of Botany, 2003, 90(4):593-602, doi: 10.3732/ajb.90.4.593
Porównanie dzikich, zachowywanych na polach i uprawianych populacji Polaskia chichipe w dolinie Tehuacán obejmuje fenologię, otwieranie kwiatów, kontrolowane zapylanie oraz kiełkowanie nasion. Część kwiatów tworzyła owoce po samozapyleniu, a wyniki różniły się między sposobami użytkowania populacji. Kwiaty zapylane swobodnie miały duży udział owocowania, natomiast eksperymenty z dostępem dziennym i nocnym wskazały dominujące znaczenie dnia. Nasiona populacji zarządzanych kiełkowały szybciej i liczniej w zastosowanych warunkach laboratoryjnych.
Direct and indirect estimates of gene flow among wild and managed populations of Polaskia chichipe, an endemic columnar cactus in Central Mexico
Otero-Arnaiz A., Casas A., Hamrick J. L., Direct and indirect estimates of gene flow among wild and managed populations of Polaskia chichipe, an endemic columnar cactus in Central Mexico, Molecular Ecology, 2005, 14(14):4313-4322, doi: 10.1111/j.1365-294X.2005.02762.x
Analiza pięciu markerów mikrosatelitarnych łączy strukturę genetyczną dziewięciu populacji Polaskia chichipe z ustalaniem ojcostwa potomstwa. Większość rozpoznanych kojarzeń zachodziła na niewielkie odległości, a część pyłku pochodziła spoza populacji rośliny matecznej. Rzeczywisty udział samozapłodnienia był niewielki i nie różnił się istotnie między typami zarządzania. Przepływ genów łączył rośliny dzikie, zachowywane na polach i uprawiane w ogrodach.