Origen de las poblaciones

Ambas poblaciones de Pinus hartwegii se localizan en el Eje Neovolcánico, una en el Monte Tláloc (MT), Texcoco, al oriente del Estado de México, entre las coordenadas geográficas 19º 23’ 52.85’’ N, 98º 43’ 57.81” O a 3600 msnm y 19º 24’ 46.95” N, 98º 43’ 10.45” O a 4000 msnm; la otra se sitúa en el Volcán Nevado de Toluca (NT), Zinacantepec, Estado de México, entre las coordenadas geográficas 19º 07’ 46.1” N, 99º 46’ 50.35’’ O a 3,900 msnm y 19° 07’ 17.57 N, 99º 45’ 10.76” O a 4100 msnm (Figura 1).

Figura 1. Ubicación de los sitios de Pinus hartwegii a diferentes altitudes en el Monte Tláloc y Nevado de Toluca, Estado de México. 

En el Monte Tláloc se recolectaron 214, 284, 124 y 18 estróbilos de 30 árboles en los niveles altitudinales 3600, 3700, 3800 y 4000 msnm, respectivamente, mientras que en el Nevado de Toluca se recolectaron 33, 45 y 314 estróbilos de 20 árboles en las altitudes 3900, 4000 y 4100 msnm, respectivamente. La selección de los árboles se realizó con base en la presencia de estróbilos y ausencia de ataque de plagas. Se asignó un número a cada árbol con base en el orden de selección. Los conos de cada árbol se colocaron en bolsas de manta para su transporte. Cada bolsa se marcó con el nombre de la población, la altitud y número de árbol. En el laboratorio, se colocó cada cono en una bolsa de papel de estraza y se identificó con el nombre de la población, número de árbol y se asignó un número al cono.

Procesamiento de las muestras y registro de variables

Los conos se mantuvieron en las bolsas a temperatura ambiente por una semana para promover la pérdida de humedad, y posteriormente se movieron a un invernadero por 24 horas para completar la apertura de las escamas. Se contaron las escamas fértiles, se golpearon los conos sobre una mesa para extraer las semillas; posteriormente, se removió cada escama con un gancho de metal para liberar del cono la totalidad de las semillas. Cada cono se colocó a una temperatura de 109 °C por 24 horas en un horno eléctrico de secado de circulación forzada (Riossa^® Modelo H-62, RSU Instruments, México). Pasadas las 24 h, se pesaron los conos secos en una balanza analítica digital (Chyo^® Modelo JK-200, Crescent, Singapur); enseguida, se eliminaron impurezas y las alas de las semillas y se contó el número de semillas desarrolladas y de óvulos abortados en el año 2. Se consideró como óvulo abortado en el año 2 a la estructura con testa arrugada, podrida y de tamaño menor al de una semilla desarrollada (^{Bramlett et al., 1977}). El número de semillas potenciales es el número de escamas fértiles multiplicado por 2 (^{Bramlett et al., 1977}). Se estimó el número de óvulos abortados en el año 1 como la diferencia entre el número de semillas potenciales y el número de óvulos abortados en el año 2 y número de semillas desarrolladas (^{Bramlett et al., 1977}). Después, se clasificaron las semillas dañadas como las semillas desarrolladas que presentaron evidencias de daño mecánico o daño por insectos.

Las semillas restantes se colocaron en una columna de aire para separar las semillas vanas de las llenas. Una semilla llena tiene un embrión y megagemetofito cubiertos por la nucela y testa. Las semillas que flotaron se consideraron como semillas vanas. Se registró el número de semillas llenas y semillas vanas; las semillas llenas se pesaron en una balanza analítica digital (Chyo^® Mod. JK-200, Crescent, Singapur). Se calculó el peso promedio de una semilla como la división del peso de las semillas entre el número de semillas llenas de cada cono. Se utilizó el peso promedio de una semilla para estimar el número de semillas en 1 kg. La relación entre el peso de la semilla llena por cono y el peso seco del cono dio como resultado la eficiencia reproductiva (^{Mosseler et al., 2000}). La eficiencia en la producción de semilla es la relación entre el total de semillas llenas y el número de semillas potenciales (^{Bramlett et al., 1977}). Se calculó el índice de depresión endogámica, el cual se definió como el total de semillas vanas entre el total de semillas desarrolladas bajo el supuesto de que las semillas vanas son resultado de la acción de genes deletéreos en estado homocigótico (^{Mosseler et al., 2000}). Se hizo la comparación de los resultados de cada variable con el porcentaje, el cual se calculó como la diferencia entre el valor mayor y menor, dividido entre el valor menor de cada indicador reproductivo.

Variables ambientales

Las variables ambientales se obtuvieron con el programa Spline Model (^{Rehfeldt, 2006}), para las altitudes en donde se recolectaron los estróbilos dentro de cada población (Cuadro 1).

Análisis estadístico

Los datos de cada una de las variables se sometieron a las pruebas de Shapiro-Wilk y de Bartlett para verificar los supuestos de normalidad y homogeneidad de varianzas, respectivamente, con los procedimientos UNIVARIATE y GLM utilizando el software SAS/PC para Windows versión 9.4 (^{SAS Institute, 2012}). Cuando las variables cumplieron con los supuestos de normalidad y homogeneidad de varianzas, se realizó un análisis de varianza con el procedimiento GLIMMIX-SAS/PC para Windows versión 9.4 (^{SAS Institute, 2012}) con el modelo:

donde: Y_ijk es la k observación en la j-ésimo altitud en la i-ésima población, μ es la media poblacional, Pi es la i-ésima población, A_j(i) es la j-ésima altitud dentro de la i-ésima población y ε_ijk es el error aleatorio.

Se obtuvieron las pruebas de medias mediante el procedimiento LSMEANS-SAS/PC para Windows versión 9.4 (^{SAS Institute, 2012}). Semillas vanas, óvulos abortados en el año 2 e índice de endogamia no cumplieron con los supuestos de normalidad y homogeneidad de varianzas, por lo que se analizaron con una prueba Kruskal-Wallis con el procedimiento NPAR1WAY-SAS/PC para Windows versión 9.4 (^{SAS Institute, 2012}). Se calculó el coeficiente de correlación de Spearman entre los indicadores reproductivos y las variables ambientales.

Semillas potenciales

Existieron diferencias significativas (P ≤ 0.0001) entre poblaciones y entre altitudes dentro de poblaciones de P. hartwegii para el número de semillas potenciales. Los valores promedio fueron 170 y 209 semillas potenciales en el Nevado de Toluca y Monte Tláloc, respectivamente. El número de semillas potenciales fue 12.7 % mayor en la altitud de 3800 msnm con respecto al valor que se registró en la altitud de 3700 msnm en el MT, mientras que esta variable fue 13 % mayor en la altitud 3900 msnm con respecto al valor en la altitud 4100 msnm en el NT (Cuadro 2).

El valor promedio del número de semillas potenciales en ambas poblaciones fue menor al valor que se encontró en una población de P. hartwegii en el Cofre de Perote, Veracruz (199) (^{Alba et al., 2003}), quizás las condiciones de sitio o el tamaño de la población hayan favorecido para alcanzar un mayor número de semillas potenciales. El número de semillas potenciales es el límite máximo biológico de semillas que un cono puede producir (^{Bramlett et al., 1977}); por lo tanto, Pinus hartwegii tiene mayor posibilidad de permanecer en su sitio de origen si presenta un alto número de semillas potenciales. El número de semillas potenciales mostró una correlación positiva moderada con la precipitación en los meses de julio y agosto (r = 0.643), temperatura media anual (r = 0.642) y temperatura media máxima del mes más caliente del año (r = 0.714); ésto significa que valores altos en estas variables ambientales influyeron moderadamente en el aumento de semillas potenciales de estróbilos de P. hartwegii en las altitudes donde estas variables fueron mayores. Por otro lado, con base también en el coeficiente de correlación (r = -0.614), una menor temperatura media mínima del mes más frío del año promovió un aumento en las semillas potenciales.

Óvulos abortados

El análisis de varianza no mostró diferencias significativas (P = 0.052) para el número de óvulos abortados en el año 1 en los conos de Pinus hartwegii entre las poblaciones y altitudes dentro poblaciones (P = 0.077), respectivamente; los valores promedio fueron 67 y 73 para el Nevado de Toluca y Monte Tláloc, respectivamente. La información sobre el número de óvulos abortados es nula sobre conos de esta especie en la literatura. Las poblaciones MT y NT presentaron 34.9 y 39.4 % de óvulos abortados en el primer año, respectivamente, del total en cada población de semillas potenciales de P. hartwegii. El porcentaje de óvulos abortados fue menor que el porcentaje de 63 % que se encontró en árboles en un huerto semillero de P. leiophylla Schiede ex Schltdl. Cham. (^{Gómez et al., 2010}); sin embargo, el porcentaje de óvulos abortados en P. hartwegii en el presente estudio fue mayor que los valores de 14.6, 14.9 y 29 % que se reportaron para P. durangensis Mart. (^{Bustamante-García et al., 2014}), P. engelmannii Carr. (^{Bustamante-García et al., 2012}) y P. patula Schiede ex Schltdl. et Cham. (^{Mendoza-Hernández et al., 2018}), respectivamente. Quizás el alto porcentaje de óvulos abortados en el primer año en P. hartwegii pudo deberse a una cantidad limitada de polen y asincrónica en su liberación y receptibilidad de los estróbilos femeninos. El número de óvulos abortados en el año 1 tuvo una correlación moderada negativa (r = -0.607) con la temperatura promedio mínima del mes más frio; es decir, cuando la temperatura fue menor el número de óvulos abortados aumentó; sin embargo, la escasez de polen, auto incompatibilidad y fracaso de la fecundación son las causas principales que promueven un número alto de óvulos abortados en las escamas fértiles de los conos de especies del género Pinus (^{Owens y Fernando, 2007}).

Se registraron diferencias significativas (P < 0.0001) para los óvulos abortados de P. hartwegii entre las poblaciones en el año 2; también, se encontraron diferencias entre altitudes (P < 0.0001) en el Monte Tláloc, pero no (P = 0.9944) entre altitudes en el Nevado de Toluca para este indicador reproductivo. El número de óvulos abortados en el año 2 fue cinco veces mayor a los 4000 msnm con respecto a esta variable a los 3700 msnm en el Monte Tláloc. Con base en los coeficientes de correlación, una menor temperatura media anual (r = -0.785) y menor temperatura media en el mes más caliente (r = -0.643) influyeron en forma moderada en el número de óvulos abortados; además, con base en los coeficientes de correlación, las heladas tempranas en otoño (r = -0.750) y tardías en primavera (r = 0.774) provocaron en forma moderada un número mayor de óvulos abortados en el año 2. Probablemente estos factores ambientales influyeron en el desarrollo del cigoto, y como consecuencia, en la muerte del embrión.

El número de óvulos abortados en el año 2 representó el 6.3 % del número de semillas potenciales de los conos de esta especie; este valor fue menor que los porcentajes (16.2 y 19.3) que ^{Castilleja et al. (2016)} encontraron en conos de P. rzedowskii, una especie que crece en poblaciones reducidas y P. ayacahuite var. veitchii.

Semillas vanas

Existieron diferencias significativas (P < 0.0001) entre poblaciones y entre altitudes (P < 0.0002) dentro de poblaciones de Pinus hartwegii para semillas vanas. Los valores promedios fueron 9 y 17 semillas vanas por cono en el NT y MT, respectivamente. El mayor número de semillas vanas se registró a los 3800 msnm en el MT, mientras que el menor valor se encontró en los 3900 msnm en el NT (Cuadro 2). El número promedio de semillas vanas representó el 5.3 y 8.1 % en el NT y MT, respectivamente, respecto al número de semillas potenciales. Estos valores son bajos con respecto al número de semillas vanas que se encontró en otros estudios, siendo menores al porcentaje de 48.8 % de semillas vanas que ^{Iglesias et al. (2006)} encontraron en conos de P. hartwegii en el Cofre de Perote, Veracruz. ^{Castilleja et al. (2016)} encontraron valores de 61.0 y 17.6 % de semillas vanas en conos de P. rzedowskii y P. ayacahuite var. veitchii, con base en el número de semillas potenciales, respectivamente, mientras que ^{Mendoza-Hernández et al. (2018)} encontraron porcentajes de semillas vanas de15 a 17 % en conos en un huerto semillero de P. patula en tres años de evaluación.

El porcentaje de semillas vanas en P. hartwegii en la presente investigación puede representar niveles bajos de autofecundación y cruzamiento entre individuos genéticamente emparentados, y éstos varían en las poblaciones, probablemente relacionados con presencia diferenciada de polen como consecuencia del número diferente de individuos presentes en cada población. La mayoría de las semillas vanas es producto del cruzamiento de individuos genéticamente emparentados donde hay mayor probabilidad de que genes letales formen genotipos homocigotos (^{Owens et al., 2005}).

Una mayor precipitación influyó moderadamente en un aumento en el número de semillas vanas en julio (r = 0.607) y agosto (r = 0.607), temperatura media anual y temperatura media máxima (r = 0.750) del mes más caliente; también, una menor temperatura mínima (r = -0.607) en el mes más frío promovió un incremento moderado en el número de semillas vanas por cono.

Semillas llenas

Existieron diferencias significativas (P ≤ 0.0001) en el número de semillas llenas de Pinus hartwegii entre las poblaciones y entre altitudes dentro de ambas poblaciones. Los promedios fueron 82 y 104 semillas llenas en los conos que se recolectaron en el Nevado de Toluca y Monte Tláloc, respectivamente. El número de semillas llenas representó el 48.2 y 49.7 % del potencial de semillas de los conos en NT y MT, respectivamente. El mayor número de semillas llenas se encontró a los 3800 msnm en MT, mientras que el mayor valor de este indicador reproductivo se encontró a los 3900 msnm en el NT (Cuadro 2). Quizás, una producción abundante de polen de un número elevado de individuos diferentes en la polinización y posterior fecundación favorecieron el desarrollo de la semilla, por lo que el número de semillas llenas fue alto. El porcentaje de semillas llenas en ambas poblaciones fue similar al porcentaje de semillas llenas (50 %) que se encontró en el Parque Nacional Cofre de Perote (^{Iglesias et al., 2006}); además, el porcentaje de semillas llenas de P. hartwegii en la presente investigación fue similar al porcentaje de semillas llenas (49 %) con respecto al número de semillas potenciales de conos de árboles de P. engelmannii y P. durangensis (^{Bustamante-García et al. 2012}; ²⁰¹⁴); sin embargo, el porcentaje de semillas llenas en conos de P. hartwegii fue superior al porcentaje de semillas llenas (17 %) que se registró en conos de árboles de P. leiophylla (^{Gómez et al., 2010}).

Por otro lado, el porcentaje de semillas de P. hartwegii en el presente estudio fue ligeramente inferior al porcentaje de 50 a 58 % de semillas que se encontró en conos en árboles en un huerto semillero de P. patula en tres años de evaluación (^{Mendoza-Hernández et al., 2018}). Factores ambientales como abundancia de polen y sincronía en la maduración de los estróbilos masculinos y femeninos influyen en el número de semillas llenas; además, la tasa de cruzamiento entre árboles no emparentados y una tasa baja de autofecundación influyen en un número alto de semillas llenas por el hecho de que hay menor probabilidad de que alelos deletéreos formen homocigotos (^{Owens et al., 2005}). Las semillas llenas son las únicas que pueden germinar y originar árboles jóvenes que reemplacen a los árboles maduros de una población. Con base en el coeficiente de correlación, la temperatura media anual (r = 0.786) y la temperatura media máxima (r = 0.714) del mes más caliente influyeron moderadamente en el número de semillas llenas, mientras que la precipitación en los meses de septiembre y octubre (r = -0.607) y las heladas tardías en primavera (r = -0.667) influyeron negativamente en el número de semillas llenas.

Peso de la semilla

Existieron diferencias significativas (P < 0.0001) en el peso promedio de la semilla entre poblaciones y entre altitudes dentro de poblaciones de Pinus hartwegii. Los pesos promedio fueron de 15.3 y 20.3 mg por semilla de esta especie en el Monte Tláloc y Nevado de Toluca, respectivamente. El peso mayor de la semilla se registró en conos que se recolectaron a 3900 msnm, mientras que el menor peso se encontró a los 4000 msnm en el NT (Cuadro 2). Por otro lado, el mayor peso de la semilla se encontró en los conos que se recolectaron a los 4000 msnm y el menor peso de la semilla se registró en los conos recolectados a los 3600 y 3800 msnm en el MT. Con base en el coeficiente de correlación, la temperatura media anual (r = -0.679) y temperatura media máxima (r = -0.786) del mes más caliente influyeron moderadamente en el peso de las semillas, por lo que a menor temperatura media anual y menor temperatura media máxima, el peso de la semilla es mayor.

Las semillas de mayor peso deben tener una mayor oportunidad de sobrevivir en las primeras fases de su ciclo de vida debido a un mayor contenido nutrimental en el tejido de reserva (^{Davidson et al., 1996}). El peso de la semilla es útil para estimar el número de semillas por kg requerido en los programas de plantaciones. Se estimaron de 41,667 a 57,471 semillas kg^-1 en El Nevado de Toluca, y de 59,880 a 69,444 semillas kg^-1 en El Monte Tláloc. El peso promedio que se obtuvo para semilla de P. hartwegii (19.5 mg) en el Nevado de Toluca fue muy similar al peso de 21.0 mg que reportaron ^{Iglesias et al (2012)} para esta especie en el Parque Nacional Cofre de Perote.

Eficiencia reproductiva

Se detectaron diferencias significativas (P < 0.0004) entre las poblaciones y entre altitudes (P < 0.0001) dentro de poblaciones para eficiencia reproductiva. Los promedios fueron 68.1 y 77.8 mg g^-1 para esta variable en El Nevado de Toluca y Monte Tláloc. El promedio fue 10.9 % superior en la altitud de 3800 msnm con respecto al promedio que se registró en la altitud de 3600 msnm en el MT, mientras que el promedio fue 57.7 % superior en la altitud de 3900 msnm con respecto al promedio que se encontró en la altitud de 4100 msnm en el NT (Cuadro 2).

La eficiencia reproductiva tuvo una correlación baja (-0.463 < r < 0.393) con las variables ambientales. No existe información sobre eficiencia reproductiva de la especie en la literatura. La eficiencia reproductiva es variable en especies del género Pinus, mientras que la eficiencia reproductiva en las estructuras reproductivas de árboles de P. hartwegii en la presente investigación presentaron valores superiores a 59 mg g^-1, esta variable fue de16 mg g^-1 en las estructuras reproductivas de P. leiophylla (^{Gómez et al, 2010}). La eficiencia reproductiva es un indicador de la proporción de energía que un árbol dedica a la producción de semilla para la generación de nuevos individuos, por lo que refleja la proporción de energía que se almacena en las semillas (^{Mosseler et al., 2000}).

Eficiencia en la producción de semillas

No existieron diferencias significativa (P = 0.1865) entre poblaciones de P. hartwegii, pero si entre altitudes (P = 0.0102) dentro de poblaciones para eficiencia en la producción de semilla. Los promedios fueron de 48 y 50 % para este indicador reproductivo en el Nevado de Toluca y en Monte Tláloc, respectivamente. Los promedios mayores para eficiencia en la producción de semillas se encontraron en las altitudes de 3800 y 3900 en el MT y NT, respectivamente (Cuadro 2).

Con base en el coeficiente de correlación (r = -0.829), las heladas tardías en primavera tuvieron un efecto negativo alto en la eficiencia en la producción de semillas de conos de P. hartwegii; por otro lado, la temperatura media anual (r = 0.679) y amplitud del periodo de heladas (r = 0.643) se asociaron de manera positiva y moderada en este indicador reproductivo de P. hartwegii. El valor de eficiencia en la producción de semilla en el presente estudio fue superior que el valor de 14 % que se encontró para esta variable en una población en el Parque Nacional Cofre de Perote (^{Alba et al., 2003}); sin embargo, el valor de eficiencia en la producción de semilla es variable en especies de Pinus. Una polinización insuficiente y baja viabilidad y vigor del polen pueden influir en la eficiencia en la producción de semillas por la presencia de alelos letales en individuos homocigóticos y daños biológicos (^{Bramlett et al., 1977}). Las poblaciones aisladas y con un número reducidos de árboles tienen valores bajos en la eficiencia en la producción de semillas debido a que el polen es escaso y aumenta la probabilidad de autofecundación y cruzamiento entre árboles emparentados (^{Bramlett et al., 1977}; ^{Mosseler et al., 2000}).

Índice de depresión endogámica

No existieron diferencias significativas (P = 0.2436) entre las poblaciones pero si entre altitudes (P = 0.0083; P = 0.0001) en El Monte Tláloc y Nevado de Toluca, respectivamente para el índice de depresión endogámica en la producción de semillas de P. hartwegii en el presente estudio. El promedio fue de 0.14 y 0.10 para MT y NT, respectivamente. Los mayores índices de depresión endogámica en la producción de semilla se encontraron en las altitudes de 3600 y 4100 msnm en el MT y NT, respectivamente (Cuadro 2). El índice de depresión endogámica fue menor para P. hartwegii en el presente estudio que los valores de 0.48 y 0.50 que se encontraron en P. leiophylla (^{Gómez et al., 2010}). Valores altos del índice de depresión endogámica están asociados con una alta tasa de cruzamiento entre individuos genéticamente emparentados (^{White et al., 2007}). La endogamia implica un aumento en la frecuencia de individuos homocigóticos, los cuales pueden ser menos competitivos que los individuos heterocigóticos, particularmente en ambientes adversos, debido a la acción en estado homocigótico de alelos deletéreos o parcialmente deletéreos, fenómeno común en coníferas (^{Crnokrak y Barrett, 2002}; ^{Hartl y Clark, 2007}).