Área de estudio

El estudio se realizó en el Área de Protección de Flora y Fauna Nevado de Toluca (APFF Nevado de Toluca) que incluye el volcán del mismo nombre (Figura 1). El Nevado de Toluca ocupa el cuarto lugar entre las cumbres más altas de México, con una elevación de 4 660 m y una superficie de 53 590 ha; se localiza en la porción centro-sur del Estado de México, 23 km al suroeste de la ciudad de Toluca (^{SEMARNAT, 2016}). El tipo de suelo predominante es el Andosol, que ocupa 90 % del Área Natural Protegida (^{INEGI, 2000}). El clima es frío E(T)H wig y semifrío-subhúmedo C(E)wig según la clasificación de Köppen modificada por ^{García (1973}). El régimen de lluvias es de verano, aunque puede haber nevadas en invierno. La temperatura media mensual fluctúa entre 2 °C y 5 °C, mientras que la temperatura máxima extrema se eleva a 21 °C en el verano y la mínima extrema corresponde a ‑10 °C en invierno (^{SEMARNAT, 2016}).

Determinación del banco de semillas

La determinación se realizó en el mes de agosto del 2017, previo al ciclo de dispersión de ese año, con el propósito de hacer un conteo de semillas y considerarlas como un banco o reservorio de la especie. Se seleccionaron tres sitios de muestreo y en cada sitio se delimitaron cuatro polígonos de 25 m² (5 m x 5 m) o subpoblaciones (manchones con un mínimo de 10 plantas adultas) localizadas en el límite altitudinal superior de distribución de la especie (4 200 m), separadas entre sí por al menos 100 m (Figura 1). Los polígonos se dividieron en 25 cuadros de 1 m² y de ellos se seleccionaron cinco al azar. En el centro de cada unidad se tomó una muestra de suelo con un cilindro de PVC de 20 cm de diámetro (314.16 cm²) y 5 cm de profundidad. Se recolectaron 60 muestras de suelo en total (1.88 m²) y se colocaron en bolsas de plástico. Las muestras se secaron a temperatura ambiente en un invernadero y se tamizaron con una malla de tamaño de poro de 1 mm² para la separación y conteo del número de semillas de L. montanus.

Figura 1 Localización geográfica de los sitios de estudio (sitio 1: 19° 06.33’ N - 99° 44.64’ O; sitio 2: 19° 06.60’ N - 99° 44.44’ O; sitio 3: 19° 06.83’ N - 99° 44.47’ O) en el límite altitudinal superior de Lupinus montanus (4 200 m) en el Área de Protección de Flora y Fauna Nevado de Toluca, Estado de México, México. 

Evaluación de la dispersión de la semilla

En el mes de octubre de 2017 se seleccionaron tres subpoblaciones (manchones de L. montanus) en el límite altitudinal superior de su distribución, cercano a los 4 200 m. En cada subpoblación se localizaron cinco plantas en estado reproductivo (15 plantas en total), aisladas de otras plantas adultas. Se muestreó este número de plantas debido a que no fue posible encontrar un número mayor de ellas aisladas de la población. En cada uno de los individuos se colocaron trampas (coladeras de plástico) de 12 cm de diámetro (113.09 cm²) y 5 cm de alto, las cuales tuvieron una malla de plástico en el interior, para evitar el rebote de las semillas al momento de caer. Las trampas se colocaron en forma de cruz con la planta en el centro; a partir de esta, se trazaron líneas que tuvieron una distancia de 2 m en dirección paralela y perpendicular a la pendiente del terreno. En la dirección perpendicular, las trampas se colocaron cada 50 cm a partir del centro, y en la dirección paralela, se colocaron cada 25 cm; el interés principal fue detectar, con mayor precisión, la capacidad de dispersión a favor y en contra de la pendiente del terreno. En total se colocaron 24 trampas de captura de semillas alrededor de cada planta.

En cada lupino se contó el número de vainas y tallos, y se midió la altura de los tres tallos centrales más altos. Posteriormente, para estimar el potencial de producción, el número de semillas llenas (con embrión) por vaina se determinó en una muestra de 50 vainas tomadas al azar de 10 plantas cercanas. Durante el periodo de octubre 2017 a enero 2018, el número de semillas capturadas en las trampas se contó cada semana y se obtuvo el total de semillas capturadas en cada una de ellas.

Análisis estadístico

Con los datos del banco de semillas se estimó la cantidad de semillas por m² de terreno. El potencial de producción de semillas por planta se estimó con el promedio de vainas y de semillas por vaina. La relación entre el potencial de producción de semillas y el tamaño de la planta (altura y número de tallos) se estableció mediante la correlación de Pearson. También se realizó un análisis de varianza de una vía (P = 0.05) para evaluar las diferencias en estas características de las plantas, entre las subpoblaciones.

La prueba de Kruskal-Wallis se utilizó para determinar las posibles diferencias en el número de semillas capturadas entre distancias, para cada una de las orientaciones en que se colocaron las trampas y en el promedio de todas ellas. Previo a las comparaciones entre distancias, los datos del número de semillas se transformaron con la función de raíz cuadrada.

Adicionalmente, con los datos del número de semillas capturadas por trampa se ajustó la curva de dispersión con respecto a la distancia de la planta madre, mediante el procedimiento Model de SAS versión 9.3 (^{Statistical Analysis System, 2013}), utilizando un modelo exponencial negativo (^{Bustamante, 1996}) de la forma:

donde,

Y _j = número de semillas capturadas en la j-ésima trampa

X _j = distancia (cm) de la j-ésima trampa a la planta madre

a y b = coeficientes del modelo de regresión a estimar.

El posible efecto de la orientación (a favor vs. en contra de la pendiente o en dirección paralela vs. perpendicular a la pendiente) sobre la curva de dispersión de las semillas se determinó con base en el modelo anterior, del cual se derivó la ecuación Y _ij = (a + a _oi )*exp ^{[(b + boi)Xij]} , donde oi es la variable indicadora de la i-ésima orientación de dispersión de la semilla.

Banco de semillas en el suelo

En la superficie muestreada (1.88 m²) se encontró un total de ocho semillas de L. montanus, lo que representa una densidad de 4.26 semillas∙m² de terreno. Todas las semillas fueron viables, pues se obtuvo 100 % de germinación. Al parecer, una cantidad importante queda almacenada en el suelo por algún tiempo para formar un banco de semillas persistente que puede ser a corto o largo plazo, en función de las condiciones climáticas del sitio y los mecanismos adaptativos de las semillas (^{Marañón, 2001}). Las semillas de los lupinos poseen latencia física y la germinación inicia hasta que se presentan condiciones favorables, a través de algún mecanismo o estímulo (^{Pablo-Pérez, Lagunes-Espinoza, López-Upton, Ramos-Juárez, & Aranda-Ibáñez, 2013}).

Los factores principales que afectan la persistencia de semillas en el suelo son la depredación y el ataque de patógenos (^{De Souza-Maia, Maia, & Pérez, 2006}); sin embargo, en las zonas árticas y alpinas, la incidencia de estos factores es menor, lo cual favorece el mantenimiento de semillas viables en el suelo (^{McGraw & Vavrek, 1989}). A pesar de que las semillas de L. montanus pueden ser consumidas por insectos, aves y roedores, los dos últimos grupos de animales también pueden ayudar en la dispersión, como se ha demostrado en otras especies, incluidas las fabáceas (^{Amico & Aizen, 2005}; ^{Pérez-Cadavid, Rojas-Soto, & Bonilla-Moheno, 2018}); este proceso puede ampliar su movimiento altitudinal. El estudio de la dinámica de las semillas en el suelo es útil para comprender los procesos ecológicos involucrados en el movimiento de las poblaciones (^{Pérez & Santiago, 2001}).

Capacidad de producción de semillas

Una planta de L. montanus tiene el potencial de producir más de 5 500 semillas por ciclo reproductivo, con un promedio de 637 vainas por planta (Cuadro 1) y nueve semillas llenas por vaina. No se encontraron diferencias significativas (P = 0.43) entre las subpoblaciones muestreadas en su capacidad productiva. En cambio, se encontraron diferencias significativas con respecto al número de tallos (P = 0.045) y su altura (P = 0.0004); además, el número de vainas se correlacionó positivamente con el número (r = 0.8602, P < 0.0001) y altura (r = 0.9539, P < 0.0001) de los tallos. En otras palabras, el potencial de producción de semillas está fuertemente relacionado con el tamaño de las plantas, medido en términos de la altura o el número de tallos. Al parecer, la estrategia reproductiva de la especie es producir la mayor cantidad posible de tallos con la mayor longitud posible para que en cada uno se produzca una inflorescencia que maximice la producción de semillas. Esta es una característica general de las Fabaceae, donde la producción de rebrotes o tallos que generen estructuras reproductivas favorece la permanencia de los individuos adultos (^{Barchuk, Campos, Oviedo, & Díaz, 2006}).

Los datos muestran que esta especie tiene potencial elevado de producción de semillas por planta y que se mantienen a escasa profundidad del suelo como es característico de las fabáceas (^{O´Connor & Pickett, 1992}); sin embargo, además del consumo de semillas por la fauna y el ataque de patógenos, el establecimiento de plántulas es un proceso difícil y hasta poco común en ambientes de alta montaña (^{Cabrera, 2002}). Por lo anterior, la producción alta de semillas puede compensar la mortandad elevada de las plántulas, producto de factores ambientales adversos como temperaturas congelantes, inestabilidad del suelo y escasez de nutrimentos (^{Escudero et al., 2012}).

Capacidad de dispersión de la semilla

El número de semillas capturadas varió significativamente (P < 0.0001) en las trampas entre todas las distancias de 25 cm a 100 cm. La Figura 1 muestra que la curva promedio de dispersión de las semillas con respecto a la distancia se ajustó de manera significativa (P < 0.01) a un modelo exponencial negativo con R² = 0.849. De acuerdo con este modelo, 90 % de las semillas dispersadas por una planta cae dentro del primer metro de distancia y menos de 3.2 % se dispersa de manera natural a 2 m o más de la planta madre.

Figura 2 Patrón espacial de dispersión de semillas de Lupinus montanus (15 plantas en total) en promedio de las cuatro orientaciones de las trampas. La línea indica la distribución a la que se ajustaron los datos. Las diferencias fueron significativas (Kruskal-Wallis; P < 0.0001) entre todas las distancias de 25 cm a 100 cm. 

Estos resultados de dispersión concuerdan con los datos presentados por ^{Ruiz et al. (2010}) para Lupinus elegans Kunth, pues también encontraron que la mayor cantidad de semillas se concentró cerca de la planta madre, con una distancia de dispersión limitada (i. e., <1 m). En ese estudio se capturaron más semillas en las trampas colocadas pendiente abajo de las plantas, por lo que el ascenso hacia partes más elevadas fue limitado. No obstante, el movimiento geográfico de las semillas depende no solo de la dispersión de la planta madre; factores como la velocidad y dirección del viento, ingestión y transporte por fauna o eventos de lluvia pueden ocasionar el desplazamiento de semillas a mayor distancia, en sitios alejados de la planta madre (^{García, 1991}), lo cual puede favorecer el movimiento de la especie hacia sitios de mayor elevación.

En el presente estudio no se encontró un efecto significativo (P > 0.05) de la orientación (paralelo o perpendicular) al ajustar el modelo exponencial con variables indicadoras (oi). De acuerdo con el Cuadro 2, los parámetros estimados para la variable indicadora al comparar la orientación a favor vs. en contra de la pendiente o la dirección paralela vs. perpendicular a la pendiente, no fueron significativos. La Figura 2 muestra que las curvas ajustadas de dispersión de las semillas son similares en ambos casos.

La semilla de L. montanus se dispersó de manera simétrica en las cuatro orientaciones. La pendiente del terreno (alrededor de 30 %) no favoreció alguna orientación en particular, a favor o en contra de la pendiente. La mayoría de las especies de Lupinus tienen un mecanismo de dispersión balística (autocoria): las vainas se secan y se abren de forma explosiva, expulsando las semillas como máximo a unos pocos metros de separación de las plantas madre (^{Nevado, Contreras-Ortiz, Hughes, & Filatov, 2018}). Lupinus texensis Hook lanza sus semillas de 0 a 4 m (^{Turner, Huang, Cronk, & Rieseberg, 2017}).

Figura 3 Patrón espacial de dispersión de semillas de Lupinus montanus en el Nevado de Toluca: a) a favor y en contra de la pendiente; b) en dirección paralela y perpendicular a la pendiente (15 plantas en total). Las líneas muestran las curvas ajustadas a cada serie de datos. No se encontró un efecto significativo (P > 0.05) de la orientación de acuerdo al modelo de regresión ajustado para la estimación de los parámetros. 

La dispersión de semillas es la fase demográfica más importante para el movimiento de las plantas en el espacio; el establecimiento o supervivencia dependerá de los mecanismos de adaptación, resistencia y establecimiento (^{Ooi, 2012}). En este estudio se muestra que, en cada ciclo reproductivo, L. montanus libera una gran cantidad de semillas que no alcanza una distancia lejana. Esta cercanía a la planta madre también tiene consecuencias genéticas, ya que el establecimiento local de propágulos resulta en un agrupamiento de individuos genéticamente emparentados (^{Rovere & Premoli, 2005}); sin embargo, si estos manchones persisten, se reproducen y liberan semillas, lo cual podría representar una oportunidad de avance para la especie hacia otros lugares y modificar la dinámica poblacional y comunitaria de las plantas (^{Wang & Smith, 2002}). Con el incremento en temperatura asociado al cambio climático, el proceso de migración de especies puede provocar desplazamientos y una nueva distribución de ellas (^{Aitken et al., 2008}). La evaluación de la dinámica de dispersión de las semillas y sus efectos demográficos en especies como los lupinos contribuye al entendimiento de los posibles impactos derivados del cambio climático en zonas de alta montaña.

El estudio de la dispersión de semillas contribuye al conocimiento de la colonización de nuevas áreas. Es importante continuar con la observación a largo plazo de la dispersión de semillas de L. montanus pues la oscilación en el tiempo también marca una dinámica particular con respecto al ascenso o retroceso de esta especie en la zona alpina. El muestreo se hizo hasta 2 m de distancia, por lo que en estudios posteriores podría determinarse el alcance de dispersión ampliando la distancia de las trampas. De acuerdo con su distancia de dispersión, existe la posibilidad de aumentar la colonización de sitios a mayor elevación; sin embargo, el cambio climático que ocurre en un lapso corto podría ser un factor determinante en el establecimiento de las poblaciones en esos sitios.