Specific Absorption of Seagrass Syringodium Filiforme

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specific absorption is a descriptor of the eficiency with the organisms photosynthetic abosrbe the light and is important to understand its role ecologic

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Universidad del Mar Campus (Puerto Angel)

Anlisis del efecto de la morfologa foliar sobre la eficiencia de absorcin de luz de las hojas del pasto marino Syringodium filiforme

T E S I SQue para obtener el grado acadmico de Licenciado en Biologa Marina

P r es e n t a

Miguel Angel Prez Castro

Directora de tesis: Dra. Susana Enrquez Domnguez

Agradecimientos y dedicatoria

Agradezco a mis padres por todo el apoyo que me proporcionaron, porque en los momentos de dificultad estn siempre pendientes, porque me guiaron sabiamente e impulsaron mis habilidades y mi desempeo escolar hacindome posible culminar esta etapa de mi vida. Gracias mam por tus oraciones, por tu entrega, por tus consejos, pero sobre todo por tu gran amor incondicional, que con ese ejemplar sentimiento que tienes has formado un carcter especial en mi vida. Gracias pap por tus palabras puntuales y oportunas, porque apoyas y orientas mis inquietudes, porque confas en m y me recordaste lo que es ser un Capitn de mi vida, A ti hermana gracias por todo lo que hiciste por m durante esta tesis, por tu especial amor, compaa y conocimiento. A ti especialmente te dedico esta tesis para que en tu carrera como arquitecta te inspiren los diseos de esta sabia naturaleza. A mis Tos les agradezco por su cario y por hacerme un poco ms cmoda mi estancia en Puerto Morelos. A la Dra. Susana Enrquez por transmitirme su conocimiento, por su gran apoyo y por escuchar mis inquietudes. A mis compaeros de laboratorio por hacer ms placentero el trabajo. Y a las personas que compartieron experiencias nicas conmigo y me apoyaron de alguna u otra manera en el desarrollo de esta tesis. Al CONACYT por haber financiado este trabajo de tesis con el proyecto 104643 en la convocatoria 2008

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ResumenLos pastos marinos descendieron de plantas terrestres y recolonizaron el ambiente marino hace 90-120 m.a. Al colonizar los ambientes bentnicos de las aguas costeras han tenido que competir con la gran diversidad de macroalgas ya presentes y lo han hecho exitosamente, pues se encuentran en las aguas costeras de todos los continentes excepto de la Antrtida. En ste estudio se evalu el efecto de la morfologa foliar en la capacidad y eficiencia de absorcin de luz del pasto marino Syringodium filiforme para conocer las ventajas o desventajas que adquiere la estructura cilndrica de este pasto marino sobre las hojas laminares que presenta Thalassia testudinum en la habilidad de absorber la luz. Tales propiedades pticas constituyen uno de los abundancia y distribucin espacial. Los modelos obtenidos indicaron que variaciones en el grosor de las hojas de S. filiforme generan los mayores cambios en la capacidad de absorcin de luz, y que la densidad de la hoja (mg PS cm ) provoca las mayores cadas en la eficiencia de absorcin de luz de la clorofila a (a*Chla) de los pigmentos (a*pigm) y de la biomasa (a*M). Al comparar el patrn de reduccin de a*Chla en funcin del aumento del contenido de clorofila a o pigmentos por rea proyectada result que las hojas de S. filiforme son ms eficientes absorbiendo luz que las de T .testudinum. El examen morfolgico indic que lo consiguieron gracias a desarrollar unas hojas gruesas (un orden de magnitud mayor que la hoja laminar), pero tambin del gran aumento del volumen de los espacios de aire del sistema lacunar (3 veces), as como de su disposicin radial del mismo. Estas caractersticas en conjunto le otorgaron a S. filiforme una mayor habilidad de dispersar la luz en su estructura interna y de esta manera aumentar significativamente el paso ptico de la luz, que aunado a la amplia distribucin de sus cloroplastos en el interior de su hoja cilndrica, la probabilidad de absorber un fotn por una molcula de pigmento es mayor que dentro de la hoja laminar de T. testudinum que tiene restringido los cloroplastos en la epidermis. Por lo tanto la ventaja adaptativa que presentan las hojas cilndricas de S. filiforme sobre las hojas laminares de T. testudinum, result en este estudio de un aumento en un 15% de la capacidad mxima de absorcin de luz, y tambin un significativo incremento de la eficiencia de absorcin de luz tanto por los pigmentos y tanto ms por la biomasa. La respuesta fotoaclimatativa de las hojas de S. filiforme se observ claramente en el contenido de pigmentos, absorptancia y a*pigm. Mientras que las variables morfolgicas fueron menos claras en dicha respuesta, sin embargo los resultados indicaron que las variaciones morfolgicas (grosor, densidad y contenido de pigmentos) actan conjuntamente para regular la capacidad y eficiencia de absorcin de luz. Adems en este anlisis preliminar las hojas de S. filiforme resultaron tener una alta plasticidad fotoaclimatativa a nivel morfolgico y bioqumico, lo cual est en funcin de las demandas o necesidades de absorcin de luz.-3

factores

reguladores del crecimiento de los organismos fotosintticos y que son claves para entender su

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ndice

I.

Introduccin

1.1 Importancia y caractersticas de los pastos marinos.Los pastos marinos son las nicas plantas con flores y frutos que viven en el mar, son, adems, el nico ejemplo de plantas superiores terrestres que regresaron al ocano para vivir totalmente sumergidas hace 90-120 millones de aos (den Hartog 1970). Los pastos marinos se distribuyen en las aguas costeras y estuarinas de todos los continentes del mundo, excepto en la Antrtida. Este grupo tiene relativamente pocas especies, sin embargo su compleja estructura fsica y la alta productividad de estos ecosistemas les permite mantener una biomasa considerable y servir de alimento y/o refugio para una gran diversidad de especies asociadas (Green & Short 2003). Constituyen el hbitat de numerosas especies marinas de diverso tamao y en diferentes fases de desarrollo (larvas, postlarvas, juveniles, adultos), por lo que juegan un papel fundamental en los ecosistemas costeros para preservar la biodiversidad marina (Romeu 2005). Despus de cinagas, marismas y de bosques tropicales y templados, la pradera submarina es uno de los ecosistemas ms productivos del planeta, se ha estimado que son responsables de fijar un 15% del carbono orgnico neto total producido en el ocano, a pesar de que slo ocupan una pequea fraccin (0.1-0.2%) de su superficie (Duarte & Chiscano 1999). Adems secuestran alrededor de 3700 kilogramos de carbn atmosfrico por ao (83 gr. de carbn por metro cuadrado al ao), de sta manera ayudan a reducir considerablemente los gases de efecto invernadero. Los servicios que aportan las praderas submarinas en relacin a otros hbitats marinos y terrestres han sido valorados como uno de los ms altos (Costanza et al. 1997). Entre estos servicios destacan su importancia en la produccin pesquera, en la estabilizacin del sustrato y en la proteccin de la erosin costera (Green & Short 2003).

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Aunque todos los pastos marinos son monocotiledoneas, las especies que conforman este reducido grupo no tienen un origen evolutivo comn. Son un grupo polifiltico definido por el particular nicho ecolgico que habitan. A pesar de la diversidad filtica, hay clara evidencia de la convergencia evolutiva en varias de sus estructuras y funciones, como lo es el extensivo sistema de rizomas que por su expansin horizontal (implicado a un crecimiento clonal), hace posible la construccin de verdaderas praderas submarinas. (Green & Short 2003). Los pastos marinos actuales tienen varias modificaciones morfolgicas y anatmicas, las cuales los diferencian de las dems plantas terrestres. Sin embargo, muchas de estas adaptaciones tambin estn presentes en otras plantas acuticas de ambientes dulceacucolas o salobres (Arber 1920; Sculthorpe 1967 in Kuo & den Hartog 2006) y deberan ser interpretados como adaptaciones al ambiente acutico. Estos rasgos incluyen: hojas con cutcula delgada; pequeas clulas de la epidermis con gruesas paredes; concentracin de cloroplastos en la epidermis; ausencia de estomas; un mesfilo transformado en un aernquima que rodea grandes espacios intercelulares; y una reduccin del xilema (Kuo & den Hartog 2006). Varias de estas adaptaciones de la anatoma foliar parecen encaminadas a favorecer la fotosntesis en el ambiente marino y sumergido (Larkum et al. 2006). Los pastos marinos comparten con otras plantas acuticas ciertas caractersticas que varios autores han identificado como fundamentales para asegurar su superviviencia en el medio marino. Entre ellas destacan: (1) crecer totalmente sumergidos, (2) sistema eficiente de anclaje, y (3) ser capaz de osmorregular y (4) tener un mecanismo hidroflico de polinizacin (Kuo & Den Hartog 2000; Green & Short 2003). Adems de estas caractersticas se ha reseado la necesidad de considerar una quinta para explicar el xito evolutivo de este grupo en los ecosistemas costeros de la mayor parte del los continentes del planeta, que es ser capaz de competir exitosamente con las dems macrfitas marinas presentes en los distintos ambientes costeros (Kuo & Den Hartog 2000; Green & Short 2003) como lo estn las macroalgas del genero Halimeda, Penicillum, Udote etc. Teniendo en cuenta que la luz es el factor principal que determina la densidad, distribucin, abundancia y productividad de los organismos fotosintticos, (Kirk 1994), sta ltima caracterstica est ligada a la habilidad de los pastos marinos para absorber luz y a la eficiencia cuntica en el uso fotosinttico de la luz absorbida para soportar el crecimiento de la planta (Enrquez 2005; Cayabyab & Enrquez 2007). Los requerimientos mnimos de luz estimados para los pastos marinos indican que tienen altas demandas de luz, entre el 5% y el 37% de la irradiancia superficial (%Es)

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(Duarte, 1991; Dennison et al. 1993; Olesen & San-Jensen 1993 in Zimmerman 2006) mucho mayores que las estimadas para las macrfitas y el fitoplancton del orden de 0.1 al 1% de la irradiancia superficial (%Es), lo que probablemente est relacionado con su mayor complejidad estructural (Dennison et al. 1993; Cayabyab & Enrquez 2007). La informacin de la que se dispone hasta la fecha sobre los requerimientos mnimos de luz de los pastos marinos, proviene bsicamente de descripciones empricas del lmite de distribucin en profundidad de una determinada especie y del ambiente lumnico que corresponde a ese lmite (Denisson et al. 1993). La variabilidad interespecfica observada entre las macrfitas podra explicar diferencias significativas entre especies en su habilidad para colonizar reas ms profundas y/o para superar largos periodos de reduccin de luz, pero es mnima la informacin con la que se cuenta todava sobre los mecanismos fisiolgicos que explican estas observaciones empricas (Ralph et al. 2007; Cayabyab & Enrquez 2007), y en general de la variacin de los requerimientos mnimos de luz de los productores primarios bentnicos de ambientes acuticos. Los pastos marinos, son particularmente sensibles a las disminuciones de la disponibilidad de luz, pues pequeos decrementos pueden causar significativas declinaciones en su crecimiento y abundancia, as como en su distribucin espacial (Ralph et al. 2007). Al ser organismos bentnicos, la luz disponible para la fotosntesis de estas fanergamas marinas, suele estar fuertemente atenuada por la columna de agua, el dosel de la pradera submarina, y finalmente tiene que atravesar la capa de epfitas localizadas en la superficie de la hoja antes de entrar en la epidermis que es donde se encuentran la mayor parte de los pigmentos fotosintticos en las hojas laminares de pastos marinos (Dalla Via et al. 1998). En esta delgada capa de la epidermis, es donde la luz es principalmente absorbida y se integra en el proceso fotosinttico de la hoja (Tomilson 1980, Enrquez 2005). Durante todo este trayecto la luz est afectada fuertemente por procesos de absorcin y esparcimiento, lo que condiciona tanto la intensidad como la variacin espectral de la energa lumnica que ser absorbida por la hoja. Por tanto, la luz y el conjunto de procesos que la atenan hasta llegar a la hoja tienen una considerable influencia sobre la productividad y la estructura de la comunidad de macrfitas bentnicas que predominan en el ecosistema (Kirk 1994). Para poder entender los mecanismos que explican la estructura de una determinada comunidad algal o pradera submarina, los posibles cambios de fase que estn sufriendo o que potencialmente les pueden afectar en un futuro, adems de conocer las caractersticas del ambiente lumnico en la columna de agua, en el dosel de la pradera

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y el posible efecto de la cobertura de epfitos, es necesario conocer tambin la variacin de la capacidad y eficiencia de absorcin de luz de las hojas mismas, y los lmites de su adecuacin ambiental. Por tanto, describir estas dos propiedades pticas de las hojas: la capacidad de absorcin de luz o absorptancia (A, fraccin de luz incidente absorbida), y la eficiencia de absorcin de luz o coeficiente especfico de absorcin (a*, m2 mg-1 Chl a), as como su plasticidad y los mximos valores que pueden alcanzar, se convierte en uno de los primeros retos en este campo de investigacin. La capacidad de absorcin de luz determina la magnitud de la energa lumnica que se incorpora en el aparato fotosinttico de un organismo, y que tiene el potencial de ser fijada como energa qumica orgnica. Por tanto este parmetro permite estimar la dosis de luz absorbida y los lmites del crecimiento y productividad de una determinada especie o poblacin. Por otro lado, la habilidad para colectar luz y para transformar la energa absorbida en biomasa y crecimiento, establecen los requerimientos mnimos de luz de un organismo (MQR, mnimum quantum requirements). Este descriptor funcional (MQR) es de enorme importancia para definir el lmite de distribucin en profundidad de una especie o morfotipo, y su habilidad para competir exitosamente con otras especies (Cayabyab & Enrquez 2007; Ralph et al. 2007). Para determinar MQR es crtico conocer la habilidad de la especie o poblacin para colectar luz y para transformar la energa absorbida en biomasa y crecimiento a travs del mecanismo de la fotosntesis. La variabilidad de la capacidad y eficiencia de absorcin de luz de las hojas depende de los cambios en el contenido de pigmentos pero tambin de los cambios estructurales de su anatoma interna (Enrquez & Sand-Jensen 2003, Enrquez 2005, Legaria-Moreno 2008). Los pastos marinos tienen una anatoma foliar muy homognea resultado de su adaptacin al ambiente acutico (den Hartog 1970), a partir, probablemente, de un mesfilo bifacial tpico (i.e. parnquima de empalizada y mesfilo esponjoso) de una hoja de planta terrestre, sin embargo las fanergamas marinas cambiaron esta anatoma desarrollando un aernquima, un nuevo tejido resultado del mesfilo que ha perdido una gran cantidad de pigmento (en algunos casos como Thalassia testudinum sin ninguna pigmentacin) y unos amplios espacios intercelulares conocidos como lacunae, esta caracterstica novedosa se asume que fue desarrollada para incrementar los espacios internos de gas de las plantas acuticas ya que ellas suelen crecer en substratos pobres de oxigeno (Tomlinson 1980, Kuo y den Hartog 2006)

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Una delgada epidermis constituye el volumen celular que concentra la mayor parte de la pigmentacin fotosinttica de la hoja y representa a menudo slo el 20% del volumen foliar total (Tomlinson1980). Estudios recientes han determinado una significativa variacin del grosor de la epidermis en las hojas de la especie Thalassia testudinum desde un valor mnimo de 8.7 m hasta un valor mximo de 18.25 m (Legaria-Moreno 2008). Esta variacin es independiente de la variabilidad del grosor de la hoja (entre 110 y 410 m) y supone una variacin entre un 3% y un 11% del volumen total pigmentado, claramente inferior al reportado por Tomlinson (1980). Estos datos confirman que el volumen pigmentado de la hoja representa una fraccin muy pequea del volumen total y que, por tanto, la alta concentracin de pigmentos que contiene este pequeo volumen podra afectar fuertemente la capacidad y eficiencia de absorcin de la hoja debido al efecto de autosombra de los pigmentos

1.2 Absorcin de luz y fotosntesisLa fotosntesis es el proceso por el cual las plantas y los dems organismos fotosintticos capturan la energa solar en las membranas tilacoidales de los cloroplastos, y la transforman en energa qumica que posibilita la sntesis de molculas orgnicas, libera oxgeno y soporta el desempeo del organismo, es decir, su crecimiento y adecuacin al ambiente (Horton et al; 1996; Falkowski & Raven, 1997; Blankenship, 2002). La fotosntesis involucra el acoplamiento de mltiples reacciones. Se divide en cuatro fases. En la primera se agrupan todos los procesos relacionados con la absorcin de luz y la transferencia de la energa absorbida en las antenas hacia el centro de reaccin. En la segunda ocurre la transformacin qumica de la energa lumnica (fotoqumica) y se genera el flujo de electrones y la protonizacin de la membrana fotosinttica. La tercera fase consiste en la estabilizacin de la energa por procesos secundarios. Por ltimo, en la cuarta fase se produce la sntesis de productos estables de la fotosntesis y su exportacin al citosol o almacenamiento en el cloroplasto como almidn (Blankenship 2002) En la actualidad la comunidad cientfica cuenta con un modelo molecular muy slido para explicar tanto la estructura como el funcionamiento del aparato fotosinttico de plantas superiores. As mismo, se ha avanzado mucho en el conocimiento de la bioqumica y la complejidad de reacciones enzimticas involucradas tanto en la fijacin de

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carbono como en la sntesis de una gran diversidad de compuestos orgnicos fundamentales para el metabolismo fotosinttico y respiratorio celular vegetal. Tambin est aumentando rpidamente la informacin disponible sobre las caractersticas biofsicas y estructurales de las estructuras supramoleculares encargadas de absorber la luz (antenas) formados por complejos de pigmentos-protenas. En las antenas se colecta la luz y se conduce la energa de excitacin al centro de reaccin fotoqumico, que es donde ocurre la transformacin de la energa lumnica en energa qumica y se encuentran los primeros donadores de electrones (P680 y P700) y los primeros aceptores de electrones. Las antenas y los centros de reaccin conforman los fotosistemas I y II (Blankenship 2002). A pesar del rpido aumento del conocimiento cientfico del proceso fotosinttico a nivel supramolecular (ej., absorcin de luz, transferencia de la excitacin, fotoqumica, cadena de transporte de electrones, etc..), poco se conoce todava sobre la variacin de una funcin bsica como es la absorcin de luz en niveles de organizacin superior como el celular, el tejido fotosinttico (hoja o talo) y/o el dosel de la comunidad. Desde el punto de vista fsico, la absorcin de luz es el proceso por el cual un electrn es conducido a un estado excitado, debido a que la absorcin de un fotn induce un cambio en el estado de la energa de sus tomos o molculas (Falkowski & Raven, 1997). En los organismos fotosintticos, la absorcin de luz, se refiere a la capacidad de un sistema de complejos pigmentos-protenas llamados antenas, especializados en colectar luz y transferir esta energa al centro de reaccin fotosinttico (Horton et al 1996) Las antenas fotosintticas han evolucionado como avenidas de transmisin de excitones hacia el centro de reaccin fotoqumica para facilitar el proceso fotoqumico y permitir un flujo continuo de electrones. El gran esfuerzo evolutivo invertido en maximizar la eficiencia cuntica de la reaccin fotoqumica se ha conseguido gracias a una eficiente transmisin de la excitacin de las antenas hacia los centros de reaccin. Sin embargo, este logro requiere de una gran proximidad de los pigmentos en las membranas fotosintticas y por tanto de una alta concentracin molar (la probabilidad de la transmisin de la excitacin de una molcula a otra es inversamente proporcional a la sexta potencia de la distancia para espectros de emisin y absorcin compatibles). Como consecuencia, los pigmentos in vivo experimentan un fuerte efecto de autosombra en las membranas, cloroplastos, clulas y tejidos fotosintticos (Enrquez 2005b) Este fenmeno se conoce con el nombre de efecto paquete y fue descrito por primera vez para suspensiones de algas, y, posteriormente para poblaciones naturales del fitoplancton. El efecto paquete explica, por tanto, la prdida de eficiencia de los pigmentos fotosintticos

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en su capacidad de absorber luz cuando estn empaquetados en estructuras funcionales vivas. Para cuantificarlo se han utilizado diferentes metodologas. Dos de ellas lo estiman a partir de un descriptor F del paso ptico calculado o bien comparando diferencias entre los espectros de absorcin en el rango de luz visible de clulas intactas y rotas, o comparando la absorcin in vivo, con la absorcin de una concentracin similar de pigmentos extrada en un solvente orgnico. La ms comn propuesta por Morel & Bricaud (1986) para clulas del fitoplancton utiliza como descriptor del efecto paquete el coeficiente especfico de absorcin (a*, m2 mg-1 pigm) que se define como la absorcin de luz efectiva por unidad de pigmento colector (Enrquez 2005). Los organismos fotosintticos han podido contrarrestar el efecto paquete y mejorar significativamente la eficiencia de absorcin de luz de sus pigmentos gracias al esparcimiento mltiple de la luz en el interior de la estructura fotosinttica. Evidencias de la existencia de esparcimiento mltiple en el interior de hojas de plantas terrestres ya han sido proporcionadas al medirse en el interior de la hoja intensificaciones de hasta dos y tres veces la intensidad lumnica externa. La cantidad de luz que es capaz de absorber o colectar la clula o estructura fotosinttica depende del tamao ptico efectivo de los sistemas colectores de luz o antenas. El tamao ptico efectivo depende: 1) del tamao de la antena de cada centro de reaccin; 2) del grado y nmero de conectividad de los centros de reaccin, es decir, de la organizacin de la membrana fotosinttica; 3) de la distribucin de los pigmentos dentro de la estructura fotosinttica; y 4) de la forma de la estructura fotosinttica. Estas caractersticas pticas son fundamentales para determinar no slo la dosis de luz que un organismo es capaz de colectar sino tambin de la eficiencia cuntica del proceso fotosinttico. La eficiencia cuntica de la fotosntesis es la habilidad con la que el proceso fotosinttico transforma la energa lumnica absorbida en energa qumica (Iglesias Prieto & Trench, 1994, 1997). La absorcin ptica efectiva (a*) de la unidad fotosinttica es una medida del tamao de la unidad funcional que abastece al centro de reaccin durante el proceso fotoqumico primario de la fotosntesis (Falkowski & Raven 1997). La seccin transversal de pigmentos que requiere esta absorcin efectiva es dependiente del tipo de antena del organismo, pero involucra una cantidad ms o menos conocida de pigmentos. Para organismos unicelulares la absorcin transversal efectiva (effective absorption cross-section) es dependiente de la magnitud del efecto paquete que afecta a la clula, y es, por tanto, muy variable entre diferentes tipos celulares. Morel & Bricaud

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(1986) propuesieron, sin embargo, la existencia de una relacin general entre la absorcin transversal efectiva (a*) y la seccin transversal de pigmentos que est bsicamente determinada por la variacin del contenido intracelular [Ci] de pigmentos y del dimetro celular [d]) para el fitoplancton (Anexo 1). En los organismos pluricelulares la seccin transversal de pigmentos (contenido de pigmentos por rea proyectada) no refleja la variacin de la seccin transversal de absorcin de luz efectiva (effective absorption cross-section) cuantificada a travs del coeficiente especfico de absorcin de luz (a*, m2 mg Chla-1) La razn es que su variacin no est nicamente determinada por el efecto paquete, sino tambin por la presencia de estructuras dispersivas como cristales, tipos celulares o tejidos que favorecen el esparcimiento mltiple de la luz y contrarrestan en menor o mayor grado el efecto paquete mejorando la eficiencia de absorcin de luz. Considerando el amplio repertorio de anatomas de los tejidos fotosintticos que la evolucin ha generado, desde los talos de las macroalgas a las hojas y tallos de plantas con flores, y la gran variacin que existe en la distribucin de los pigmentos dentro de dichos tejidos, es altamente probable que exista una gran variacin de la seccin transversal de absorcin de luz efectiva entre distintas estructuras fotosintticas (Vogelmanm et al. 1991, 1996).

II.

Antecedentes

Sobre las propiedades pticas de las hojas de los pastos marinos existen pocos trabajos. Los primeros reportes fueron de Enrquez et al. (1992) y Enrquez et al. (1994). Estos autores recolectaron diversas especies de pastos marinos y talos de macroalgas localizados en distintas partes del mundo, y realizaron un anlisis comparativo de la variacin de sus propiedades pticas. Estos autores encontraron que la eficiencia de absorcin de luz decrece conforme incrementa la densidad de pigmentos, es decir, determinaron que los pigmentos dentro de las hojas de pastos marinos estn empaquetados y que considerando el mayor rango de variacin morfolgica de las macrfitas marinas, la capacidad de absorber luz est fuertemente afectada por el grosor de la estructura fotosinttica aunque Enrquez et al. (1992) no encontraron ningn efecto del grosor de las hojas de pastos marinos sobre la variacin de las propiedades de absorcin de luz de stos.

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Estudios ms recientes Cummings & Zimmerman (2003) analizaron la variacin de la absorptancia y del coeficiente de absorcin de pigmentos, en las hojas de los pastos marinos Thalassia testudinum y Zostera marina, estos autores encontraron una variacin entre el 48 y 56% de la absorptancia y determinaron la existencia de un gran empaquetamiento debido a que la hoja restringe los cloroplastos en sus delgadas epidermis, sin embargo estos autores no consideran que esta prdida de eficiencia de absorcin de luz de las hojas de pastos marinos tengan consecuencias en su supervivencia y fotoaclimatacin. A pesar de que ya haba sido advertido hace varias dcadas de que las muestras altamente dispersivas tenan la capacidad de intensificar hasta 10 veces la absorcin de luz , slo recientemente, los estudios de Enrquez & Sand-Jensen (2003), Enrquez (2005) y Enrquez et al. (2005) han prestado atencin al efecto del esparcimiento mliple sobre la variacin de la eficiencia de absorcin de luz de los pigmentos y sus implicaciones biolgicas. Enrquez & Sand-Jensen (2003) examinan por primera en un organismo pluricelular (Mentha aquatica), la absorcin transversal efectiva mediante el coeficiente especfico de absorcin, encontrando una relacin similar a la encontrada por Morel & Bricaud (1986), es decir que los pigmentos y clorofila tambin estn afectados por el efecto paquete y que la habilidad del tejido pluricelular en dispersar la luz, no contrarresta la perdida de la eficiencia de absorcin de luz. En un anlisis posterior Enrquez (2005a) hace un estudio comparativo sobre la eficiencia de absorcin de luz de las hojas de Thalassia testudinum y las compara con otros 12 pastos marinos de distintas partes del mundo y tambin la compara con Mentha aqutica y encontr que las hojas de Thalassia testudinum son menos eficientes para absorber luz que las de la especie Mentha aquatica, pero tambin indica que no se puede concluir que esto sea consecuencia de la nueva anatoma foliar de este grupo taxonmico, pues las hojas de otras especies de ambientes templados con similar anatoma no parecen ser tan ineficientes como las hojas ms pigmentadas de Thalassia testudinum. En las hojas de la planta anfibia Mentha aquatica, los pigmentos se localizan en los dos tipos de mesfilo, parnquima de empalizada y/o mesfilo esponjoso, ocupando, por tanto un volumen similar al que presenta la hoja, mientras que el volumen que ocupan los pigmentos en las hojas del pasto marino Thalassia testudinum estn restringidos en las clulas epidrmicas, ocupando un volumen entre el 6 y 22% (LegariaMoreno 2008). Estas diferencias estn asociadas con una disminucin en promedio del 38% de la eficiencia de absorcin de luz en las hojas de Thalassia testudinum (Enrquez

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2005a), si embargo las hojas menos pigmentadas de T. testudinum muestran una alta eficiencia de absorcin (Anexo 1). Las estructuras fotosintticas ms eficientes para absorber luz descritas hasta la fecha son los corales escleractneos (Enrquez et al. 2005). Estos autores llegan a esta conclusin analizando la variacin de la absorptancia (A) y a* en la especie Porites branneri, y observaron que la eficiencia de absorcin de luz de los dinoflagelados simbiontes dentro del tejido intacto de coral aumentada hasta 5 veces en relacin a la eficiencia que muestra una suspensin de clulas con similar seccin transversal de pigmentos. Adems encontraron que esta eficiencia se consigue gracias a la capacidad del esqueleto de coral de dispersar la luz, por lo que aumenta el paso ptico efectivo de la luz dentro del tejido y la probabilidad de que un fotn encuentre en su paso un pigmento fotosinttico. Es especialmente interesante este estudio porque el gnero del pasto marino Syringodium filiforme presenta una seccin transversal cilndrica, nica en el grupo de las fanergamas marinas. Estas hojas son ms gruesas (un orden de magnitud > 2000 m) y encierran en su interior unos espacios areos de mayor tamao que los lacunae de hojas laminares como Thalassia testudinum. Las hojas de los pastos marinos no presentan el mesfilo bifacial de hoja de planta terrestre, sino un mesfilo especializado o aernquima, que forma grandes espacios intercelulares o lacunae. La hoja de la planta anfibia Mentha aquatica tambin consigue crear espacios areos en el interior de la hoja, sobre todo del mesfilo esponjoso, pero nunca tan grandes como los de pastos marinos (Fig.1). Este cambio anatmico de S. filiforme va a generar cambios significativos en la capacidad y en la eficiencia de absorcin de luz que no han sido cuantificados todava, y con importantes consecuencias probablemente para el establecimiento de los requerimientos mnimos de luz de la especie y para su fotobiologa.

a)

b)

c)

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Fig. 1. Diferencias anatmicas de la seccin transversal de una planta anfibia a) Mentha aquatica proporcionada por Enrquez S.y de los pastos marinos b) Thalassia testudinum y c) Syringodium filiforme.

En este proyecto se propone abordar el estudio del efecto especfico de la morfologa foliar sobre la capacidad y eficiencia de absorcin de luz de las hojas del pasto marino Syringodium filiforme. Esta especie junto con Thalassia testudinum constituyen las dos fanergamas marinas dominantes en las praderas submarinas del Caribe y Golfo de Mxico donde conviven en numerosas ocasiones pero tambin forman praderas monoespecficas cada una de ellas. Conocer los factores reguladores del crecimiento de estas dos especies es clave para entender su abundancia y distribucin espacial, pero tambin su posible respuesta diferencial a la variacin ambiental. Las praderas submarinas son adems ecosistemas comunes en las costas del Caribe Mexicano donde constituyen junto con los humedales dominados por el bosque de mangle y la comunidad coralina una de los tres ecosistemas claves del sistema arrecifal. Profundizar en el conocimiento de los mecanismos que regulan el crecimiento de estas especies va a permitir adems conocer ms de la respuesta de este importante ecosistema costero tropical a la variacin ambiental, pero incluso contar con posibles bioindicadores de cambios en las condiciones ambientales del sistema y/o de cambios de fase. El objetivo de esta tesis es examinar el efecto especfico de la morfologa foliar sobre la capacidad y eficiencia de absorcin de luz de las hojas del pasto marino Syringodium filiforme. Cambios en estas propiedades pticas de absorcin de luz van a tener importantes consecuencias sobre la actividad fotosinttica de estas hojas, pero sobre todo en la eficiencia cuntica de la fotosntesis y en los requerimientos mnimos de luz de las hojas y de la poblacin de haces de la pradera.

III. Hiptesis:La anatoma interna foliar del pasto marino Syringodium filiforme modula la capacidad y eficiencia de absorcin de luz de sus hojas.

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IV.

Objetivos

4.1 General:Analizar el efecto de la morfologa foliar sobre la capacidad y eficiencia de absorcin de luz de los pigmentos en las hojas de Syringodium filiforme.

4.2 Particulares:1. Describir la variabilidad del contenido de pigmentos, morfologa foliar y propiedades pticas de las hojas de S. filiforme en varias praderas de la laguna arrecifal de Puerto Morelos, situadas a lo largo de un gradiente de luz en profundidad. 2. Examinar las asociaciones de variacin y determinar patrones (relaciones alomtricas) entre los descriptores morfolgicos, los de contenido de pigmentos y los descriptores funcionales de la capacidad y eficiencia de absorcin de luz de las hojas de S. filiforme. 3. Analizar la plasticidad fotoaclimatativa de las hojas de S. filiforme y de su patrn de variacin con los cambios observados en la disponibilidad de luz.

V.

rea de estudio:

5.1 Descripcin del rea de estudio:El estudio se llevo a cabo en el mar Caribe del estado de Quintana Roo, en dos grandes ambientes: la laguna arrecifal de Puerto Morelos localizada en la costa noroeste de la Pennsula de Yucatn a 21 0000 y 20 4833 latitud Norte (N) y 86 5314.40 y 86 4638.94 longitud Oeste (O) y en Punta Herrero localizada al sur del estado en la reserva de la biosfera Sian kaan a 191918.30N y 87 2740.88O (Fig. 2). La zona costera del estado se caracteriza por presentar un relieve muy escaso y por la ausencia de ros superficiales, resultado de la naturaleza Krstica del terreno. Por

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esta caracterstica y la escases de suelos, el agua de lluvia se filtra rpidamente a travs de la roca calcrea hacia el acufero, por lo que el drenaje es bsicamente subterrneo. La acumulacin de agua pluviales en la matriz rocosa de la pennsula, ocacionan una diferencia de niveles hidrostticos que determinan un flujo subterrneo de tierra al mar. El promedio actual de descarga de agua subterrnea en la pennsula de Yucatn, por encima de los 20 latitud norte se ha estimado en 8.6 millones de m3 por km de costa al ao. Sn embargo por la escaces de solidos de suspensin la influencia terrgena sobre el arrecife es mnima (INE-SEMARNAT 2000) El tipo de clima de la regin es Ax (wo) iw, clido subhmedo, con lluvias importantes entre verano e invierno. La temperatura promedio del aire es de 26.9 C, con un mximo de 33.5 C registrada en el verano y mnimo de 12.7 C registrada en el invierno. La precipitacin anual varia ampliamente entre aos (Merino & Otero 1991) La laguna de Puerto Morelos tiene una profundidad entre 1.5 y 5 m y est delimitada por un arrecife barrera que se encuentra a una distancia de la costa entre 450 y 1800 m. El sedimento est formado por arenas no consolidadas de carbonato de calcio sobre las que se asienta la pradera submarina. La pradera est compuesta por diversas especies entre las que destacan las fanergamas marinas Thalassia testudinum, Syringodium filiforme y Halodule wrightii y numerosas especies de algas bentnicas arrecifales (INE-SEMARNAT 2000). La pradera submarina de Punta Herrero, situada en la reserva ecolgica de Sian Kaan, al sur del estado, presenta mucho menor impacto antropognico que las situadas al norte, y est tambin dominada por Thalassia testudinum..

- 15 -

Fig. 2. rea de estudio. Laguna arrecifal de Puerto Morelos y Punta Herrero. Mapa tomado de lvarez-Filip, L (2003). Las imgenes obtenidas de Google Earth.

5.2 Caracterizacin de las praderas:Se seleccionaron para este estudio comparativo morfo-funcional, hojas de Syringodium filiforme recolectadas en siete praderas, cinco de ellas localizadas en: la laguna arrecifal de Puerto Morelos y solo una en Punta Herrero. Se describieron las caractersticas de la poblacin de 5 praderas, cuatro en Puerto Morelos y una en Punta Herrero. En las otras dos praderas se seleccionaron o bien slo pices o bien slo bases de la hoja para completar la base de datos del estudio comparativo, por lo que estos segmentos no se consideraron representativos para describir las caractersticas de las praderas. Las praderas difirieron en profundidad, abundancia y composicin de la comunidad. La primera de ellas, se localiza a 51 0814.50 latitud N, y 86 5153.17 latitud O. aproximadamente a 20 m al noreste del muelle de la Unidad Acadmica Puerto Morelos (UASA-UNAM), se caracteriz por ser una pradera extensa con una alta ocupacin del espacio, un 85%, conviviendo en sus extremos con Halodule wrightii y con diversas especies de macroalgas aisladas de los gneros Halimeda, Penicilus, Udotea y Caulerpa. Esta pradera estaba situada a una profundidad de 1.5 m, y S. filiforme present hojas entre 10 y 20 cm de longitud. La segunda 51 0323.21 latitud N, y 86 5154.13 O pradera se localiz aprox. a 20 metros al suroeste del muelle de la UNAM, a una profundidad de 2 m. En esta pradera T. testudinum tiene una menor cobertura (entre el 30 y 40%) y convive con

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S. filiforme adems de con varias especies de macroalgas de los gneros Penicilus, Halimeda y Rhipocephalus. La tercera pradera muestreada se encuentra en las coordenadas 20 52 16.94 N y 86 5155.15O a una profundidad de 2.5 m y ms hacia el centro de la laguna. Es una pradera tambin muy extensa, presenta una ocupacin del espacio del 90%, y S. filiforme se caracteriza por tener haces relativamente grades y gruesos. La cuarta est localizada a 51 0814.50 latitud N, y 86 4640.86 latitud O pradera muestreada se localiza en el arrecife posterior de la laguna arrecifal a una profundidad de 3 m. Por ltimo, la quinta pradera se muestre en Punta Herrero aproximadamente a 20 m al norte del muelle de Punta Herrero (19 1918.30N y 87 2740.88O). Esta pradera era una pradera somera situada entre 0.8 y 1 m de profundidad, en donde S. filiforme forma diferentes parches en los que domina sobre T. testudinum, aunque esta especie crece en una pradera extensa. Adems de caracterizar las hojas de las poblaciones de S. filiforme de estas cinco praderas, se seleccionaron segmentos de hojas de otros dos lugares de la laguna arrecifal de Puerto Morelos para completar la base de datos con observaciones submuestreadas. Por ejemplo, en el costado izquierdo del Muelle del Hotel Ceiba del Mar, a una profundidad de 1.6 m se seleccionaron segmentos poco pigmentados de la parte apical de las hojas. As mismo en varias praderas cercanas al muelle de la Unidad Acadmica Sistemas Arrecifales (UASA) de la UNAM se seleccionaron segmentos poco pigmentados en la base de las hojas.

VI.

Materiales y Mtodos:

6.1 Colecta de las hojas de Syringodium filiformeMediante buceo libre y con un cuchillo de buceo (creo), se cortaron hojas del pasto marino Syringodium filiforme desde la parte ms basal, cerca del sedimento y se depositaron en bolsas de plstico hermticas. Posteriormente las muestras se depositaron en un recipiente de plstico con agua de mar para transportarlas al laboratorio de fotobiologa de la unidad acadmica de Puerto Morelos del Instituto de Ciencias del Mar y Limnologa, en donde se mantuvieron con bobeo de aire, as como a temperatura ambiente (}25 C). El material biolgico se utiliz inmediatamente para las determinaciones espectroscpicas, aunque en algunas ocasiones, se utiliz hasta dos das despus de la colecta.

- 17 -

6.2 Determinaciones espectroscpicas.La caracterizacin de las propiedades pticas de las hojas se realiz espectrofotomtricamente de acuerdo al protocolo descrito por Enrquez (2005) que utiliza la tcnica de opal glass desarrollada por Shibata (1959). Los espectros de absorcin de luz o absorbancia, D, se determinaron para segmentos de hoja con longitud entre 2 y 3 centmetros. Como blanco o lnea de base de referencia (i.e. correccin por la absorcin de la hoja sin pigmentos) se utilizaron segmentos de hojas blanqueadas (sin pigmentos) de grosor similar al que se estaba midiendo. Las hojas se dejaron blanquear con cloro al 5% por 5 a 8 horas y las medidas de grosor se hicieron con un vernier (Fig. 3). Los segmentos se colocaron en celdas de plstico de 3 ml (paso ptico = 1cm) y se inmovilizaron con un soporte de plstico diseado especialmente para ello (Fig. 4). Las celdas se llenaron con agua de mar previamente filtrada. El espectro de absorcin de luz se determin a intervalos de un nanmetro entre 350 y 750nm en un espectrofotmetro Aminco, DW2 (USA), controlado por un sistema colector de datos (OLIS, USA). Se utilizaron dos descriptores de la absorbancia: i) el promedio de la absorcin de luz para el rango entre 400 y 700nm (PAR, luz fotosintticamente activa) y ii) el valor a 680nm, que corresponde al pico de absorcin en el rojo de la clorofila a, donde la interferencia con los pigmentos accesorios es mnima. Los valores de absorbancia (DO) obtenidos fueron corregidos restando los valores de absorbancia a 725 nm para excluir la dispersin residual.

Fig.3 Hojas y segmentos con y sin pigmentos de Syringodium filiforme

- 18 -

Fig. 4 Determinaciones con un de la absorbancia con un espectrofotmetro AMINCO (DW2). Detalle del sistema de medicin: colimador y soporte de la hoja.

A partir de la absorbancia, D, se determin la capacidad de absorcin de luz (Absorptancia, A) utilizando la expresin: A = 1 -10-D (1)

Este valor fue posteriormente corregido por la reflectancia, R (fraccin de luz incidente reflejada por la superficie de la hoja) A = 1 -10-D -R (2)

La reflectancia de las hojas de S. filiforme se determin siguiendo la metodologa descrita en (Enrquez 2005), colectando en un ngulo de 45 con una fibra ptica de 300 m de grosor unida a un espectrmetro porttil Ocean Optics USB2000, la luz difusa reflejada por la superficie de la hoja

6.3 Determinaciones del contenido de pigmentos.Los segmentos de las hojas a los que se les midi previamente su espectro de absorcin de luz, se congelaron a -70C para su posterior anlisis. La extraccin de sus pigmentos (clorofila a+ b+ carotenoides-xantofilas) se realiz utilizando un mortero y nitrgeno lquido, para facilitar el rompimiento de las paredes y membranas de las clulas y cloroplastos de los segmentos. Una vez triturados se colocaron con una esptula en tubos ependorf y se agregaron 3 ml de acetona al 80% en el mortero para recoger los residuos del tejido triturado. Los pigmentos extrados se mantuvieron protegidos de la luz con papel aluminio y en refrigeracin a 4 C durante 24 h para asegurar la extraccin completa. Una vez transcurrido este periodo, las muestras se centrifugaron (centrifuga Eppendorf, 5810R) a 4C durante 20 minutos a 4000 rpm, para separar el sobrenadante que contiene

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los pigmentos del pellet, constituido por los residuos del tejido. Las lecturas de las extracciones de pigmentos fotosintticos se realizaron en un espectrofotmetro (Elyptica2000-Instrumentacin Electro-ptica, Ensenada, Mxico- con doble haz de luz), a tres longitudes de onda: 663, 646 y 470nm que corresponden a la absorcin de la clorofila a, b y carotenoides-xantofilas, as como, a 725nm cuyo valor de absorbancia se substrae a los dems valores para corregir por la dispersin residual de la solucin. Como blanco de referencia se utiliz acetona al 80%. El contenido de clorofila a, b y carotenoidesxantofilas se calcul de acuerdo a las frmulas de Lichtenthaler & Wellburn (1983).

6.4 Determinacin del coeficiente especfico de absorcin (a*)Combinando las mediciones de la absorbancia y los clculos del contenido de pigmentos, se determin el coeficiente especfico de absorcin de los pigmentos, un descriptor de la seccin transversal efectiva de absorcin de luz de la hoja o de la eficiencia de absorcin por unidad de pigmento (a*, m2 mg pigmento-1). Estas determinaciones se hicieron de acuerdo a Enrquez et al. (2005): a* = D ln 10 / V Donde a*pigm= coeficiente especfico de absorcin de los pigmentos (m2 mg pigmentos-1) a*Chla =coeficiente especfico de absorcin de la clorofila a (m2 mg Chla-1) D= Absorbancia en el promedio de la luz visible (PAR) para a*pigm, o en el pico de la clorofila a (}677nm) para a*Chla = Seccin transversal de pigmentos, en (mg pigmentos. m-2) y en (mg Chla. m-2) respectivamente ln 10= Factor de conversin de base 10 (el valor de la absorbancia) a base e. D es la absorbancia y [mg . m-2] es la seccin transversal de pigmentos, y ln 10 es el factor (3)

de conversin de base 10 (el valor de la absorbancia) a base e.

6.5 Determinaciones de los descriptores morfolgicos de las hojas.A cada segmento de hoja se le determin su rea proyectada (longitud x dimetro), el grosor y su peso seco (PS). Para las determinaciones de peso seco, las muestras se secaron en una estufa (Riossa, rango de temperatura 0-120C) a 60C durante 24h,

- 20 -

posteriormente se enfriaron en un desecador y se pesaron en una balanza analtica (OHAUS 0.0001g). Todas estas determinaciones se hicieron sobre los mismos segmentos analizados espectrofotomtricamente. Con las determinaciones del peso seco de la hoja y el rea proyectada se determin el peso especfico (LMA, mg PS cm-2). Con las de peso y volumen (rea por longitud del segmento), se determin adems la densidad de la hoja o contenido de peso por unidad de volumen (mg PS cm-3). Las determinaciones anatmicas se midieron con un vernier en todos los segmentos medidos en el espectrofotmetro y en algunos segmentos se midieron y observaron con un microscopio ptico compuesto (Olympus CH-2), a partir de cortes transversales (1, Y1 incrementa proporcionalmente ms rpido que Y2. 3) Cuando el FE < 1, Y2 incrementa proporcionalmente ms rpido que Y1, y el cociente de Y1 a Y2 decrece con valores altos de Y2. En la bsqueda de los modelos que mejor describen la variabilidad de la capacidad y eficiencia de absorcin de luz se realizaron tambin regresiones mltiples descomponiendo la seccin transversal de pigmentos en sus diferentes descriptores morfolgicos (grosor y pigmentos por unidad de volumen), y a su vez la concentracin de pigmentos por unidad de volumen en los suyos (densidad de la hoja y pigmentos por unidad de peso). Dada la colinealidad encontrada entre los distintos descriptores se aplic un anlisis de rutas para distinguir entre los efectos directos e indirectos de las asociaciones de variacin encontradas. La multicolinealidad entre variables dificulta la separacin del efecto individual de cada variable X sobre la variable Y, y este anlisis separa la significacin y magnitud de las asociaciones directas derivadas de las colinealidades con otras variables (indirectas) (William et al. 1990). Las correlaciones de Pearson, y las regresiones simples y mltiples se realizaron utilizando el programa estadstico Statistica 7.0

6.8 Metodologa estadstica para el anlisis de la respuesta fotoaclimatativa de las hojas de Syringodium filiformeLa variabilidad entre praderas se represent con grficos de barras mostrando los promedios + el error estndar (E.E). Para probar si las diferencias observadas eran significativas, se aplicaron anlisis de variacin de una va (donde las praderas son el factor fijo con cinco niveles). Cuando se obtuvieron diferencias significativas entre las praderas se aplic la prueba de comparaciones mltiples de Tukey que determina que pradera (s) es (son) distinta (s) del resto. Finalmente, se analizaron las asociaciones de variacin entre la profundidad de las praderas y los descriptores pticos, morfolgicos y de pigmentos con el coeficiente de correlacin de Pearson. El anlisis de la varianza y la prueba de comparaciones mltiples de Tukey se realizaron con el programa estadstico Statistica 7.0

- 23 -

VII. ResultadosLos resultados se integran en cuatro apartados, el primero de ellos correspondiente a los espectros de absorcin y reflectancia, el segundo a las observaciones morfolgicas en el microscopio ptico y el tercer apartado corresponde al anlisis alomtrico, en donde se utilizan todos los parmetros calculados para examinar relaciones de la forma-funcin entre los cambios morfolgicos que presenta la hoja de Syringodium filiforme con los cambios asociados en su capacidad y eficiencia de absorcin de luz. Con ello se intenta conocer las ventajas o desventajas que trajo el desarrollo de una hoja cilndrica entre los pastos marinos que presentan hojas laminares para el proceso de absorcin de luz. Por ltimo se presenta un anlisis de la respuesta fotoaclimatativa de las hojas de S. filiforme en dos gradientes lumnicos, en profundidad y a lo largo de la hoja, con el fin de conocer su plasticidad entre diferentes ambientes lumnicos.

7.1 Determinaciones espectroscpicas- 24 -

En total se analizaron espectroscpica y morfolgicamente 193 segmentos de hojas de Syringodium filiforme. En la figura 11 se muestran espectros de absorcin de las hojas de S. filiforme, en el primer grfico se presentan los espectros de segmentos con poca absorcin de luz, correspondientes a las puntas de hojas jvenes (15 cm) de la pradera de Puerto Morelos de 1.5 m de profundidad y en siguiente grfico se muestran segmentos con alta absorcin de luz, correspondientes a las hojas grandes y robustas de la pradera de Punta Herrero.

a)1.2 1

b)1.5

1.2

Absorbancia ( .O)

0.6

0.4

0.2

0 350

400

450

500

550

600

650

700

750

Longi

de onda (nm)

Fig.5. Espectros de absorcin de luz de hojas de Syringodium filiforme. a) segmentos apicales de hojas jvenes. b) Segmentos medios de hojas robustas.

En estos espectros de absorcin de luz, se observa que las hojas de Syringodium filiforme tienen poca absorcin en la regin del verde (}550 nm). Tambin se observa un mayor desequilibrio en los picos de absorcin de la clorofila a, en la regin del azul (400 nm) y el rojo (680 nm) en las hojas de segmentos apicales con baja concentracin de pigmentos (a) y son ms similares en las hojas gruesas y maduras con alta concentracin de pigmentos (b). La reflectancia se midi en 30 segmentos de las hojas pertenecientes a las praderas con mayor esfuerzo de muestreo, la uno y la dos. El promedio de la reflectancia en el PAR result de (5.31%) y se utilizo en todas los clculos de la absorptancia. En la figura 5 se muestran las variaciones espectrales ms representativas que se obtuvieron de las mediciones.

0.8

Absorbancia ( .O)

0.9

0.6

0.3

0 350

400

450

500

550

600

650

700

750

Longi d de onda (nm)

- 25 -

15

Reflectancia (%)

10

5

0 40 0 45 0 50 0 55 0 00

50

70 0

75 0

Longitud de onda (nm)

Fig. 6. Espectros de reflectancia de las hojas de Syringodium filiforme. Promedio 5.31 1.6, n=30.

7.2 Mediciones morfolgicasLas observaciones en el microscopio permitieron conocer la mayor complejidadestructural de las hojas de Syringodium filiforme, pero adems las diferencias en magnitud de la seccin transversal de la hoja con respecto a la de Thalassia testudinum, pues mientras sta midi 170micras =0.17mm la de la hoja cilndrica de Syringodium

filifrome present un promedio de 1540 micras =1.54mm (Fig. 7). Otra diferencia observada entre estas dos hojas fue la distribucin de los cloroplastos, confirmando que las hojas de Thalassia testudinum tienen restringidos los pigmentos en laepidermis, en cambio las imgenes de epifluorescencia mostraron claramente la

amplia distribucin de los cloroplastos desde la epidermis hasta las clulas del aerenquima en las hojas de Syringodium filiforme. Con el objetivo de 40X, se observque la clulas de la epidermis presentan una alta concentracin de cloroplastos (Fig.8).

- 26 -

Fig. 7. seccin transversal de las hojas de Syringodium filiforme yThalassia testudinum

Epidermis Mesfilo

Aerenquima

Fig. 8. Micrografa de epifluorescencia mostrando la seccin transversal de una hoja de Syringodium filiforme y la amplia distribucin de los cloroplastos (puntos rojos).

- 27 -

7.3 Anlisis alomtrico de la relacin forma-funcin entre la morfologa foliar y la variacin de la capacidad y eficiencia de absorcin de luz de las hojas de Syringodium filiforme.La variabilidad natural encontrada en la base de datos indica que los descriptores ms variables fueron los del contenido de pigmentos (C.V. > 40%, Fig. 9b) y de la eficiencia de absorcin de los pigmentos (a*, C.V. = 42.1%, Fig.9a). De los tres descriptores del contenido de pigmentos el ms variable fue la seccin transversal de pigmentos (contenido por unidad de rea proyectada, C.V. = 46.6%, Fig. 9b). Entre los parmetros que variaron menos se encontraron la absorptancia (C.V. = 11%, Fig. 9a) descriptores morfolgicos (C.V. 0.05).Absorbancia de pigmentos (cla+b) en el rango PAR a* PAR (m /mg Cla+b) a*MPAR(m /gPS) Densidad de cla + b [mg/m2] Concentr. de cl a+b [Qg/cm3] Conten. cla + b [mg/gPS] Dens. de hoja (mgPS/cm3] Peso especfico LMA (gPS/m2) Grosor (mm)2 2

Absorptancia PAR -0.51 0.72 0.76 0.67 0.73 -0.31 0.25 0.59 Absorptancia 680 -0.15 0.86 0.74 0.63 0.71 -0.32 0.12ns 0.47

a* Cl a +b 1 -0.24 -0.95 -0.93 -0.9 0.14ns -0.32 -0.45

a*MPAR

Densidad cl a +b

Concent. cl a +b

Cont. cl a +b

Densidad hoja

LMA

1 0.45 0.4 0.63 -0.67 -0.48 0.32 1 0.95 0.95 -0.22 0.34 0.57 Densidad de cl a 1 0.92 -0.02ns 0.28 0.28 Concent. cl a +b 1 -0.41 0.05ns 0.5 Cont. cl a +b 1 0.54 -0.63 Densidad hoja 1 0.32

Absorbancia de cla a 680nm a*680 (m /mg Cla) a*M680 (m /gPS) Densidad de cla [mg/m2] Concentr. de cl a [Qg/cm3] Conten. de cla [mg/gPS] Dens. de hoja (mgPS/cm3] Peso especfico LMA (gPS/m2) Grosor (mm)2 2

a*cl a 1 -0.05ns -0.77 -0.78 -0.7 0.01ns -0.23 -0.22

a*M680

LMA

1 0.59 0.52 0.74 -0.6 -0.38 0.33 1 0.92 0.93 -0.23 0.25 0.49 1 0.89 0.02ns 0.15 0.11ns 1 -0.43 -0.12ns 0.38 1 0.54 -0.63 1 0.32

7.3.1 Anlisis de la morfologa foliar sobre la capacidad de absorcin de luz (Absorptancia) de las hojas de S. filiformeLa absorptancia present una relacin positiva pero no linear con la seccin transversal de pigmentos (pigmentos por unidad de rea), tanto en el promedio del PAR (400-700 nm) como para el pico de absorcin de la clorofila a a 680 nm. Estas relaciones las describen las siguientes ecuaciones: APAR= 101.47+ 0.02 * Densidad de clorofila (a+b)0.16+ 0.01 R2= 0.58, n=193, p< 0.0001, SE= 0.054 A680= 101.41+0.03 * Densidad de clorofila a 0.23+0.016 R2= 0.52, n=193, p< 0.0001, SE= 0.041 (5)

(6)

- 29 -

y los siguientes grficos:90 90

Absorptancia % (680 nm)

Absorptancia % (PA )

80 70 60 50 40

86%80 70 60

76%

50

0

100

200

300

400-2

500

40 0 50 100 150 200 250 300-2

350

Densdidad de Chl a+b (mg m )

Densdidad de Chl a (mg m )

Fig.10.Asociacin de variacin entre la absorptancia y la seccin transversal de pigmentos. En el promedio del PAR (400-700 nm) y en el pico de absorcin de la clorofila a (680 nm).

En estas grficas se observa que la mxima capacidad promedio de absorcin de luz de las hojas de S. filiforme es de 76.12% + 2.59 en el promedio del PAR, y del 85.83% + 3.12 en el pico de clorofila a (680nm). Este mximo se alcanza a una densidad de pigmentos de 300 mg de clorofila (a+b) por m2 para el promedio de absorcin de luz en el PAR, pero el pico de absorcin de la clorofila a con mnima interferencia con otros pigmentos accesorios (680 nm) alcanza el mximo de absorcin a slo 100 mg Chla m-2. A partir de estas densidades de pigmento(s) el incremento de la absorptancia ya no es significativo. Corregidos los factores de escala con el anlisis RMA (Mdelo II de regresin: reduced major axis regression, Niklas, 1994), se confirma que la absorptancia a 680nm aumenta ms rpido al aumentar la densidad de clorofila a (Factor de escala =0.31) en comparacin con el conjunto de pigmentos (Factor de escala=0.21). Tambin se observa en las graficas de la figura 13 que hay un porcentaje muy importante de la variacin de la absorptancia que no la explica la variacin de la seccin transversal de pigmentos. Esta incertidumbre no slo es consecuencia de que a partir de un cierto valor del contenido de pigmentos no hay cambios significativos en la absorptancia, sino que en todo el rango examinado una misma cantidad de pigmentos pueden resultar en una variabilidad de la absorptancia superior al 20%. Esto sugiere que cambios en la morfologa y distribucin de pigmentos dentro de las hojas de Syringodium filiforme pueden afectar a su capacidad y eficiencia de absorcin de luz. Para determinar que parmetros son ms importantes para explicar la variacin de la

- 30 -

capacidad de absorcin de luz(A), se analiz la contribucin de los distintos descriptores de la hoja que afectan a la seccin transversal de pigmentos (pigmentos por rea proyectada); los cuales resultan de la descomposicin matemtica de este descriptor ver figura 11.

Fig. 11. Diagrama que muestra las variables que resultan de la descomposicin matemtica de la seccin transversal de pigmentos. Se sigui el mismo protocolo descrito en Enrquez y SandJensen 2003.

En primer lugar, la seccin transversal de pigmentos puede variar a partir de dos fuentes de variacin: cambios en el contenido de pigmentos por unidad de volumen (concentracin de pigmentos) y cambios en el grosor del tejido. Los cambios en la concentracin de pigmentos tambin dependen de cambios en el contenido de pigmentos por unidad de peso y en los cambios de densidad del tejido. Tanto los cambios en la densidad del tejido como los cambios en el grosor determinan los cambios en el peso especfico de la hoja. Todas estas variables se pueden considerar en modelos de regresin mltiple para analizar su diferente capacidad de explicar la variacin de la absorptancia de la hoja de Syringodium filiforme y, por tanto, la incertidumbre encontrada en la asociacin de variacin entre la seccin transversal de pigmentos y la absorptancia. Estos mismos modelos mltiples se van a utilizar posteriormente para examinar las asociaciones de variacin entre la seccin transversal de pigmentos y las eficiencias de absorcin de luz. Tanto para los modelos mltiples como para los simples se utilizarn los parmetros transformados logartmicamente para evitar problemas de heteroscedasticidad (Draper & Smith 1966). De acuerdo a la figura 11 se realizaron las regresiones mltiples para encontrar los modelos y las variables que mejor explican la variacin la absorptancia de las hojas de Syringodium filiforme. En la tabla II se muestran los resultados de dichas regresiones.

- 31 -

Tabla II. Modelos explicativos de regresin mltiple de la variacin de la absorptancia, tanto el promedio en el PAR [A(PAR)] como en el pico de absorcin a 680 nm [A(680)]. Los parmetros han sido transformados logartmicamente.Log-log pendiente) A(PAR) []cl a+b (mg/cm3) grosor(mm) 0.133047 0.280538 SE 0.0115 0.0306 0.6108 151.6689 0.0000 0.0289 R2 F(2,190) P SE

A(680)

[]cl a (mg/cm3) grosor(mm)

0.208684 0.324137

0.017412 0.038893 0.5514 119.0212 0.0000 0.0381

A(PAR)

Cont. cl a+b (mg/gPS) densidad grosor

0.1353 0.2596 0.1073

0.0118 0.0401 0.0336 0.6101 101.1572 0.0000 0.0289

A(680)

Cont. cl a (mg/gPS) grosor densidad

0.213231 0.254914 0.116849

0.017360 0.049675 0.045066 0.5449 77.6401 0.0000 0.0387

A(PAR)

Contenido cl a (mg/gPS) LMA (gPS*m2)

0.160560 0.155090

0.010517 0.032956 0.5756 131.1960 0.0000 0.0302

A(680)

Cont. cl a (mg/gPS) LMA (gPS*m2)

0.236967 0.171041

0.015874 0.042353 0.5270 107.9637 0.0000 0.0394

Los modelos mltiples que describen mejor la variacin de la absorptancia son:APAR = 101.48+0.06 x Concentracin de pigmentos (pigm/ volumen)0.133+0.012 x grosor (log/log, R2= 0.61, n=193, E.E= 0.028, p < 0.001) APAR = 101.54+0.06 x Contenido de pigmentos (pigm/ peso)0.135+0.01 x grosor 0.26+0.04x densidad hoja 0.11+0.03 (log/log, R2= 0.61, n=193, E.E= 0.06, p < 0.001) (8)0.28+0.03

(7)

Estos modelos indican que el factor que ms afecta a la variacin de la capacidad de absorcin de la luz de las hojas de Syringodium filiforme es el grosor de la hoja. En ambas ecuaciones el coeficiente del modelo mltiple log/log (exponente) del - 32 -

grosor es dos veces mayor que el de los dems (grosor = 0.26+ 0.04 y 0.28+0.03; contenido de pigmentos = 0.135+0.01; y densidad de la hoja = 0.11+0.03). Es decir que los cambios de grosor inducen cambios mayores en los valores de la absorptancia que los cambios en el contenido de pigmentos y/o en la densidad de la hoja. Sin embargo en ambos modelos el parmetro que explica la mayor parte de la variabilidad de la absorptancia es el descriptor de los pigmentos, ya sea por unidad de volumen o por unidad de peso. Para el segundo modelo (ecuacin 8) realizado por pasos, el grosor fue la siguiente variable capaz de explicar un mayor porcentaje de la variacin de la absorptancia, incrementando en un 7% la variabilidad explicada, y por ltimo la densidad de la hoja contribuy a explicar solo un 2% ms. Este descriptor, aunque contribuye muy poco a explicar la variabilidad encontrada en la absorptancia, su contribucin en este modelo es significativa y positiva, es decir un aumento de la densidad de la hoja contribuye a mejorar su capacidad de absorcin de luz.En la figura 15 se comparan las relaciones entre la densidad de clorofila a+b y el grosor con la absorptancia de las hojas de S. filiforme. Esta ultima descrita por la siguiente ecuacin: Absorptancia = 101.75 x grosor 0.38 (log/log, R2= 0.34, n=193, E.E= 0.037, p < 0.001 El factor de escala corregico con el anlisis RMA, Niklas, 1994), fue de 0.65, muy superior al de la densidad de pigmentos de 0.33.

- 33 -

90 90PAR

80 70 60 50 40

Absorp ancia % PAR

80 70 60 50 400.8 1 1.2 1.4 1.6

Absorp ancia %

}20%

0

100

200

300

400

500

Densdidad de chl a+b mg m

-2

Grosor mm

Fig. 12. Relacin entre el la densidad de pigmentos y el grosor con la Absorptancia

Estas grficas demuestran que los cambios en el grosor genera mayores cambios en la capacidad de absorcin de las hojas de Syringodium filiforme que los cambios en la seccin transversal de pigmentos. De hecho los cambios de la seccin transversal de pigmentos dependen en cierta medida de los cambios de grosor, pues implica mayor nmero de clulas. En cuanto a la densidad de hoja a diferencia del modelo mltiple, no present una correlacin significativa con la absorptancia (Tabla 1) .Para entender esta

discrepancia entre el modelo y la correlacin de Pearson, se analiz el posible efecto de la colinealidad entre parmetros sobre sus asociaciones de variacin. Al observar las correlaciones de las 4 variables (contenido de pigmento, grosor, densidad de la hoja y la absorptancia) podemos notar que estn significativamente intercorrelacionadas (tabla 1). Es decir, hojas con mayor capacidad de absorcin de luz (A), tienden a ser las ms gruesas (r = 0.59) y menos densas (r= -0.31), y las hojas gruesas tienden a ser mas pigmentadas (r=0.5) y poco densas (r = -0.63). Debido a esta colinealidad, el efecto individual de cada descriptor sobre la absorptancia, es decir, los coeficientes de correlacin de cada parmetro con la absorptancia, no representan el efecto directo de cada descriptor con esta variable ptica. Por lo que se procedi a realizar el anlisis de vas para distinguir entre los efectos directos y los indirectos resultado de sus respectivas colinearidades, entre los distintos descriptores (contenido de pigmento, grosor y densidad de la hoja) y la variacin de la absorptancia (Fig. 13) Este anlisis permiti adems explicar los resultados del modelo mltiple, ya que - 34 -

Punta Herrero

1.8

2

2.2

2.4

la importancia relativa de los efectos directos permiti reconocer los parmetros ms fuertemente asociados con la variacin de la absorptancia: primero los pigmentos, luego el grosor de la hoja y por ltimo la densidad. Esto se observa en los efectos directos que mostraron estas variables: pigmentos por unidad de peso (68.8%); grosor de la hoja (48.7%); densidad de la hoja (27.2%). A pesar de la poca contribucin de la densidad de la hoja en el modelo mltiple, esta fue positiva y significativa. Con este anlisis se descubri que el efecto positivo que guarda esta variable con la absorptancia esta enmascarado por la fuerza de la colinealidad negativa que tiene con el grosor y el contenido de pigmentos. Esta suma de los dos efectos indirectos, explica la correlacin negativa entre la densidad de la hoja y la capacidad de absorcin. Con este anlisis se lleg a la conclusin de que hojas ms pigmentadas y ms gruesas son las que presentan una mayor capacidad de absorber luz, aunque tambin lo haran las hojas ms densas si no fuera porque las hojas ms gruesas y pigmentadas son adems las menos densas. De todos modos para un mismo contenido en pigmentos y un mismo grosor de la hoja, el modelo mltiple indica que un aumento de la densidad permite tambin aumentar la absorptancia. Pigmento por unidad de peso 0.73 =68.8% (+) efecto directo 22.6% (+) efecto indirecto (grosor) 8.6% (-) efecto indirecto (Dens hoja)

0.50 -0.41 -0.63Grosor de hoja 0.59 = Absorptancia

48.7% (+) efecto directo 37.% (+) efecto indirecto (pigm) -14.3% (-) efecto indirecto (Dens hoja)

-0.31= Densidad de la hoja

27.2% (+) efecto directo 36.2 %(-) efecto indirecto (pigm) 36.6% (-) efecto indirecto (grosor)

Fig. 13. Diagrama de rutas que describe la relacin entre la absorptanciaPAR con los pigmentos por unidad de peso, grosor y densidad de hoja. Los nmeros al costado de las flechas indican los valores de correlacin de Pearson. Se presentan adems los efectos directos e indirectos de cada descriptor sobre la absorptancia.

- 35 -

Para entender mejor estos resultados se realizaron dos simulaciones de la variabilidad de la absorptancia vs. la variacin del contenido de pigmentos por unidad de peso, a partir del modelo obtenido (ecuacin 8). En la primera simulacin se mantuvo fijo el valor de la densidad de la hoja en el promedio de la base de datos analizada y en la segunda, se mantuvo fijo el valor del grosor de la hoja tambin en el promedio de la base de datos (Fig. 14). La variacin utilizada en cada simulacin de las otras dos variables se mantuvo siempre dentro del rango de variacin natural observado en la base de datos. Usando el modeloAPAR = 101.54+0.06

(8)

x pigm/ peso0.135+0.01 x grosor de hoja0.26+0.04x densidad hoja 0.11+0.03

Y el promedio de la densidad de la hoja = 53.47mgPS/cm3 y del grosor= 1.52mm, se obtuvieron las dos simulaciones que ilustran los siguientes grficos:1mm 1.5mm 2mm 2.5mm 30mgPS/cm3 50mgPS/cm3 70mgPS/cm3 0mgPS/cm3

0

0

R

50

0

1

2

3

4

5

6

7

8

Contenido de pigmentos (mg cla+b/gPS)

Figura 14. Comparaciones de los efectos positivos del grosor y densidad de la hoja sobre la variabilidad de la absorptancia.

Con estas imgenes queda claro el efecto positivo que tiene la densidad sobre la absorptancia, pero tambin la diferencia de poder que tiene con respecto al grosor para mejorar la absorptancia de la hoja.

60

!

70!

'

80& % $

R

80

70

60

50

0

1

Contenido de pigmentos (mg cla+b/gPS)

) ( " #

( ' " # & % $

2

3

4

5

6

7

8

- 36 -

7.3.2 Anlisis de la morfologa foliar sobre la eficiencia de absorcin de luz de los pigmentos: La eficiencia de absorcin de luz por unidad pigmento (a*PAR (m2/mg Cla+b) y a*680(m2/mg

Cla) ), son unos parmetros tiles para cuantificar la eficiencia de las

estructuras colectoras de luz en absorber energa, y comparar cmo distintas estructuras o respuestas morfolgicas de la hoja (fotoaclimatativas) pueden mostrar grandes diferencias en la eficiencia de absorcin. En la Tabla I se observa que este parmetro est negativamente asociado a la variacin de la absorptancia, mucho ms para el promedio en el PAR (r = -0.51, P < 0.05) que para el pico de la clorofila a a 680 nm (r = -0.15, P < 0.05). Es decir, las hojas que absorben ms luz, son menos eficientes en absorberla por unidad de pigmento. Con respecto a los otros descriptores morfolgicos de la hoja, las asociaciones de variacin ms fuertes se observaron con los descriptores del contenido de pigmentos (Tabla I), pero tambin se observaron asociaciones significativas y negativas con el grosor de la hoja y con el peso especfico (LMA, Tabla I). No se observ ninguna asociacin significativa con la densidad de la hoja (Tabla I). La asociacin de variacin ms fuerte de la eficiencia de absorcin de luz se present con la seccin transversal de pigmentos. Se observ entre ellos una asociacin no linear y negativa, descrita por las siguientes ecuaciones: a*PAR=10 -0.53 0.04 * Densidad de clorofila (a+b) -0.71 0.02) R2= 0.89, n=193, p< 0.0001 E.E= 0.05 (8) a*680= 10 -0.76 0.06 * Densidad de clorofila a -0.50 0.03 R2= 0.59, n=193, p< 0.01 (9) y los siguientes grficos (Fig. 15): E.E 0.08

- 37 -

Fig.15. Asociacin de variacin entre el coeficiente especfico de absorcin de luz (a*, m2 mg pigm1 ) y la seccin transversal de pigmentos, tanto para el promedio en el PAR (400-700 nm) como para el pico de absorcin de la clorofila a a 680 nm. Se muestran tambin los ajustes a una funcin alomtrica (y = a * Xb).

Estos resultados muestran que la eficiencia de absorcin de luz de los pigmentos decrece no linealmente al aumentar la seccin transversal de pigmentos en las hojas de Syringodium filiforme (Factor de escala de -0.75 para a*pigm y -0.65 para a*chla, corregido con el con anlisis RMA, modelo II de regresin: reduced major axis regression, Niklas, 1994) de forma similar a lo descrito previamente para el pasto marino dominante del Caribe y Golfo de Mxico, Thalassia testudinum (Enrquez 2005), para la planta anfibia, Mentha aquatica (Enrquez & Sand-Jensen 2003) y para el coral hermatpico Porites branerii (Enrquez et al. 2005). Esta reduccin es consecuencia del efecto paquete o autosombra que sufren los pigmentos dentro del tejido que ms adelante se discutir. La teora ptica desarrollada para el fitoplancton dice que la absorcin especfica de los pigmentos depende del tamao celular (que se encuentra en funcin de su dimetro) y de la concentracin intracelular de pigmentos (kirk 1994, Niklas 1994) Los equivalentes descriptores en tejidos multicelulares son el grosor del tejido fotosinttico y la concentracin de pigmentos (pigmentos/volumen). Estos descriptores mostraron correlaciones significativas y negativas con la eficiencia de absorcin de luz de los pigmentos (P < 0.05; Tabla I). El grosor present un coeficiente de correlacin negativo y significativo con la eficiencia de absorcin de los pigmentos (r= -0.45, P 0.05). Estos resultados indican que las hojas menos pigmentadas son las ms eficientes en absorber luz, as como las ms delgadas, sin embargo la fuerte relacin positiva del contenido de pigmentos con el grosor, es la responsable de la correlacin significativa y negativa encontrada entre el grosor y la eficiencia de absorcin de luz de los pigmentos, mayor en apariencia que la correlacin entre - 41 -

(a*PAR, m2/mg Cla+b) y la densidad de la hoja, pero slo en apariencia y fruto de la colinearidad entre variables, pues el efecto directo de la densidad de la hoja sobre a*pigm. es mucho mayor que el del grosor. Por su parte las hojas menos densas no muestran un significativo aumento de a*pigm. (correlacin de Pearson entre densidad y a*pigm no es significativa), pero lo haran a juzgar por su efecto directo si no fuera porque las hojas menos densas tienen tambin ms contenido de pigmento (ver Tabla I). La falta de asociacin (segn la correlacin de Pearson, p> 0.05, Tabla I), entre la densidad de la hoja y la eficiencia de absorcin de luz de los pigmentos es explicable por los sentidos opuestos de su efecto directo e indirecto. El efecto directo negativo (-42%) de la densidad de la hoja queda contrarrestado por el efecto indirecto positivo (43%) de la covariacin (negativa) que tiene la densidad de la hoja con el contenido de pigmentos, lo que resulta en una ausencia de correlacin entre esta variable morfolgica y a*pigm.(Fig.17).78.% (-) efecto directo 13.0% (+) efec. indirecto (dens. hoja) 9.2% (-) efec. indirecto (grosor) Pigmento por unidad de peso )

-0.90 -0.41 0.14ns 0.50Densidad de la hoja a*pigm42% (-) efecto directo 43% (+) efecto indirecto (pigm) 15% (+) efecto indirecto (grosor)

-0.63

-0.45Grosor de hoja23% (-) efecto directo 51% (-) efecto indirecto (pigm) 26% (+) efecto indirecto (Dens hoja)

Fig. 17. Diagrama de rutas que describe la relacin entre la eficiencia de absorcin (a*PAR) con los pigmentos por unidad de peso, grosor y densidad de hoja. Los nmeros al costado de las flechas indican los valores de correlacin de Pearson. Estos efectos se separan en efectos directos e indirectos.

- 42 -

Estos resultados podran explicar la falta de correlacin entre el grosor y la concentracin de pigmentos (Tabla 1), pues al descomponer esta variable de pigmentos (mg Chl a + b cm-3) en las dos variables que causan su variacin independientemente (contenido de pigmentos, mg chl a + b /gPS y densidad de la hoja, mgPS/cm3) se puede observar que estas dos variables tienen una relacin de sentido opuesto con el grosor.Tabla III. Modelos explicativos de regresin mltiple de la variacin de los coeficientes especficos de absorcin de luz, tanto el promedio en el PAR [a*(PAR)] como en el pico de absorcin a 680 nm [a*(680)]. Los parmetros han sido transformados logartmicamente.Descriptor funcional a*(Pigm) Descriptor morfolgico chl [a+b] (mg cm ) Grosor (mm)-3

Coeficiente log-log -0.762903 -0.477841

SE 0.020300 0.054054

R2

F(2,190)

P

SE

0.9047

912.3390

0.0000

0.0511

a*(Chla)

chl a (mg cm ) Grosor (mm) Cont. chl [a+b] -1 (mg gPS ) Densidad hoja -3 (mgcm ) Grosor (mm) Cont. chl a -1 (mg gPS ) Densidad hoja -3 (mgcm ) Grosor (mm) Cont. chl [a+b] -1 (mg gPS ) LMA (gPS m ) Cont. chl a -1 (mg gPS ) LMA (gPS m ))-2 -2

-3

-0.568219 -0.226736

0.033297 0.074377 0.6204 157.9208 0.0000 0.0728

a*(Pigm)

-0.760611 -0.792156 -0.501858

0.020805 0.059454 0.070971 0.9043 605.9939 0.0000 0.0512

a*(Chla)

-0.561328 -0.707433 -0.331669

0.033357 0.086592 0.095448 0.6244 107.4133 0.0000 0.0724

a*(Pigm)

-0.711992 -0.700573

0.018755 0.058773 0.8944 814.1988 0.0000 0.0537

a*(Chla)

-0.496726 -0.559942

0.031219 0.083295 0.5892 138.6920 0.0000 0.0757

- 43 -

6.2.3 Anlisis de la morfologa foliar en la eficiencia de absorcin de luz de la biomasa foliar. La eficiencia de absorcin por unidad de biomasa (a*MPAR(m2/gPS), es un parmetro til para cuantificar la eficiencia del retorno de energa por biomasa de hoja colectora de luz. A pesar de que no toda la biomasa foliar est involucrada en la absorcin de luz, este descriptor puede ser til para explicar diferencias entre especies y respuestas fotoaclimatativas de la hoja de una misma especie en la tasa especfica de crecimiento, pues cuantifica la habilidad de producir una nueva hoja por unidad de energa colectada. En la Tabla I se observa que este parmetro a diferencia de la absorcin especfica de los pigmentos, est positivamente asociado a la variacin de la absorptancia. Es decir, las hojas que absorben ms luz, aunque reduzcan la eficiencia de absorcin por unidad de pigmento, aumentan significativamente la eficiencia de absorcin de luz por unidad de biomasa. Esta asociacin es incluso mayor para la eficiencia de absorcin de la clorofila a (r = 0.72 para APAR y r = 0.82 para A680; Tabla I). Con respecto a los otros descriptores morfolgicos de la hoja, las asociaciones de variacin ms fuertes se observaron con la densidad de la hoja y con el contenido de pigmentos por unidad de peso (Tabla I). En el primer caso se observ una relacin negativa, es decir, un aumento de la densidad de la hoja est asociado a una fuerte disminucin de a*M (r = -0.67 y -0.6, para pigmentos y clorofila a respectivamente, Tabla I), pero en el segundo caso la asociacin de variacin es positiva, es decir, un aumento del contenido de pigmentos por unidad de peso mejora significativamente la eficiencia de absorcin de luz por unidad de peso (r = 0.63 y 0. 74, para pigmentos y clorofila a respectivamente, Tabla I). El resto de los parmetros tambin mostraron relaciones significativas con a*M, aunque menores, negativas para LMA, y positivas para el grosor y para los descriptores de pigmentos (Tabla I). Para analizar cmo la morfologa de la hoja regula la variacin de (a*MPAR,m2/gPS), se compar este parmetro en primera instancia con la seccin transversal o densidad de pigmentos, pues los pigmentos son los que realmente - 44 -

absorben la energa necesaria para el crecimiento y produccin de su biomasa. En conformidad con esta teora, esta relacin mostr una significante y positiva relacin con la seccin transversal o densidad de pigmentos (r=0.45), siendo mayor la relacin con la densidad de Chla (r=0.59). Por otro lado, la comparacin de la eficiencia de absorcin de luz por unidad de biomasa con la variable que refleja la cantidad de tejido que absorbe luz por unidad de rea proyectada (LMA), present tambin una significativa correlacin pero negativa (r= -0.48 y -0.38 para pigmentos y clorofila a respectivamente). En la figura 18 se muestra esta relacin.PAR 680n

0.035

Absorcin especfica e bio asa

0.03

bsorcin especfica e bio asa

gPS )

a* ,(

0.015

a* ,(

M

M

0.010

0.005 40 50 60 70 80 90 1005

110-2

120

Fig. 18. Relacin entre la absorcin especfico de la biomasa y el peso especfico en el PAR y a 680nm de las hojas de Syringodium filiforme.

La ecuacin que describen estas relaciones est dada por: a*biomasaPAR= 10-0.50+ 0.16 x LMA -0.66 ( log/log, R2= 0.22, E.E= 0.06, p < 0.001)

a*biomasa680nm= LMA -0.71+ 0.13(R2= 0.14,E.E= 0.06, p < 0.001) La alta incertidumbre que hay en esta relacin a lo largo de todo el rango de variacin del peso especfico (es decir que hojas con el mismo peso especfico, LMA son capaces de absorber mayor cantidad de luz), hace que la posibilidad de estimar el verdadero factor de escala de esta asociacin sea baja. Sin embargo el factor de escala de estas relaciones corregido con el anlisis de regresin RMA, - 45 -

5

Peso especfico (LMA, g PS

)

4

0.02

gPS )

0.0251

-1

-1

2

2

3

0.06

0.05

2

4

2

0.04

1

0.03

0.02

0.01

0 40 50 60 70 80 90 100 110-2

120

Peso especfico (LMA, g PS

)

Niklas (1994).mostro valores de -1.39PAR y de -1.93680nm. Estos resultados indican que las hojas con mayor biomasa por unidad de rea o ms empaquetada, sufren proporcionalmente mayor reduccin en la eficiencia de absorcin de luz por unidad de biomasa que las hojas menos menos empaquetadas Al analizar conjuntamente en un modelo mltiple, el efecto del contenido de pigmentos y el peso especfico (LMA), se observ un aumento significativo de la capacidad del modelo de explicar la variabilidad de a*MPAR(m2/gPS) a* M PAR= 10-0.55+0.11 x contenido de pigmentos (Chl a +b/gPS)0.28+0.02 x LMA-0.70+0.06 (log/log, R2= 0.65, E.E= 0.05, p < 0.001 a* M 680= 10-0.65+0.15 x contenido de pigmentos (Chl a + b/gPS)0.50+0.03 x LMA-0.56+0.08 (log/log, R2= 0.63, E.E= 0.08, p < 0.001 Segn este modelo, aunque el aumento de LMA contribuye a reducir la eficiencia de absorcin de luz de la hoja por unidad de masa, un aumento del contenido de pigmentos sirve para neutralizar este efecto y mejorar esta eficiencia de absorcin. Para analizar la contribucin de los descriptores morfolgicos, grosor y densidad de la hoja, sobre la eficiencia de absorcin de luz de la biomasa, se utiliz nuevamente un modelo multivariente, (ntese que el producto de estas variables grosor (cm) y densidad de la hoja (mg PS cm-3) es el peso especfico, LMA mg PS cm-2). El modelo resultante se describe en la siguiente ecuacin: a*M(PAR) = 10-0.332+0.11 X pigmentos por peso0.23+0.02 X densidad de la hoja X grosor de la hoja -0.50+0.07 (log/log, R2= 0.69, E.E= 0.05, p < 0.001)-0.79+0.06

Este modelo confirm lo que se haba observado en la comparacin de los coeficientes de correlacin de Pearson (Tabla I): indicando en el primer paso, que la densidad de hoja es la que explica el mayor porcentaje (45%) de variabilidad de - 46 -

a*MPAR(m2/g PS), seguida del contenido de pigmentos, que contribuy en mejorar un 15% la capacidad explicativa del modelo y por ltimo el grosor de la hoja que la aument en un 9% ms. Este modelo adems indica que la densidad de la hoja es la variable que ejerce un mayor efecto negativo sobre los cambios de la eficiencia de absorcin por unidad de biomasa (coeficiente del modelo mltiple log/log de 0.79 + 0.06) y despus es el grosor de la hoja -0.50 0.07). Por ltimo el contenido de pigmentos, ejerce un efecto positivo sobre a*MPAR(m2/g PS), contrarrestando en menor medida el de los otros dos (coeficiente del modelo mltiple log/log de +0.23 0.02). El examen de las relaciones individuales de la densidad de la hoja y el contenido de pigmentos por unidad de peso con respecto a la eficiencia de absorcin de la biomasa, confirma que estas variables son las que mejor explican la variabilidad de a*M. (r= -0.67, 0.63 respectivamente para a*M del promedio en el PAR), con similar fuerza pero en sentido contrario. Los siguientes grficos muestran las relaciones individuales de las variables utilizadas en el ltimo modelo mltiple en relacin con la absorcin especfica de la biomasa.

ente especf co de absorcin de biomasa

0.035

0.035

0.035

0.03

0.03

0.03

0.025 a* 680nm,m gPS@-

0.025

0.025

2

0.02

0.02

0.02

Coef

20

0

60

Densidad de la hoja (mgPS/cm3]

Fig. 19. Relacin entre la absorcin especfica de la biomasa y el contenido de pigmentos, densidad y grosor de las hojas de Syringodium filiforme.

En esta ocasin la correlacin de Pearson y el modelo mltiple slo muestran discrepancias con respecto al grosor como puede verse en la grfica y en el coeficiente de correlacin de Pearson (Tabla I). Segn estos resultados el grosor tiene una asociacin positiva con a*M, pero el modelo mltiple expresa lo - 47 -

7

6

98

8 8

0.015

0.015

0.015

0.01

0.01

0.01

0.005

0.005

0

100

120

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0.005 0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

contenido clor a+b [mg/gPS]

Grosor (mm)

contrario. El anlisis de vas nuevamente nos dejo ver que las colinearidades entre variables, modifican la asociacin de variacin del grosor con a*M y aparentan una relacin positiva.

Densidad de la hoja

-0.67= -0.41Pigmentos/gPS

59.8% (-) efecto directo 19.1% (-) efec. indirecto (pigm/gPS) 21.1% (+) efec. indirecto (grosor) )

0.63 =

-0.63

a*biomasa (PAR)

0.50

53% (+) efecto directo 27.9% (+) efecto indirecto (densidad) 19.1% (-) efecto indirecto (grosor)

0.32 =Grosor de hoja

35.5% (-) efecto directo 39.9% (+) efecto indirecto (pigm) 24.6% (+) efecto indirecto (Dens hoja)

Fig. 20. Diagrama de rutas que describe la relacin entre la eficiencia de absorcin de la biomasa (a* biomasa PAR) con los pigmentos por unidad de peso, grosor y densidad de hoja. Los nmeros al costado de las flechas indican los valores de correlacin de Pearson. Estos efectos se separan en efectos directos e indirectos.

Estos resultados demostraron que al incrementar el empaquetamiento de la biomasa ya sea incrementando la densidad de la hoja referida tanto a volumen como a rea (LMA) resulta en una reduccin de la eficiencia de absorcin de luz por unidad de biomasa; y que un aumento en el grosor tambin contribuye a reducir esta eficiencia. Sin embargo un incremento en el contenido de pigmentos, compensara esta reduccin y ayudara a incrementar a*M.

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7.4 Anlisis de la respuesta fotoaclimatativa de las hojas de Syringodium filiformeEl anlisis de la respuesta fotoaclimatativa de las hojas de Syringodium filiforme se analiz comparando la variacin de los descriptores pticos, del contenido de pigmentos y los descriptores morfolgicos a lo largo de dos diferentes gradientes lumnicos. 1) uno siguiendo la atenuacin de luz en profundidad en la laguna arrecifal de Puerto Morelos, comparando hojas procedentes de 5 diferentes praderas; y 2) siguiendo la atenuacin de luz en el interior del dosel de una misma pradera, es decir comparando diferentes segmentos a lo largo de una misma hoja de S. filiforme. Para este ltimo anlisis se utilizaron los segmentos de hoja colectadas en la pradera de 2 m de profundidad. Se incluy en la comparacin una pradera situada a 1 m de profundidad en un rea de menor impacto antropognico que el de la laguna arrecifal de Puerto Morelos, en las cercanas de la reserva de la Biosfera de SianKan: Punta Herrero. Este anlisis comparativo es una primera aproximacin al examen de la respuesta fotoaclimatativa de Syringodium filiforme, pues no se hizo un estudio muy exaustivo y la base de datos cuenta con un limitado nmero de observaciones en algunas de las praderas.

7.4.1 Variabilidad de la absorptancia y densidad de pigmentos.La densidad de pigmentos ( clorofilas a+b), vari casi en un orden de magnitud (55.2 a 467 mg chl (a+b) m-2)en toda la base de datos (n = 163). La variacin dentro de cada pradera fue muy diferente pues en alguna pradera se observ un variacin muy pequea (del 9%) mientras que otras variaron hasta un 30.2%. Las hojas de la pradera menos profunda contenan la menor cantidad de pigmentos con valores promedios de 140 mg chl (a+b) m-2). Las praderas ms profundas presentaron las mayores densidades de pigmentos, con valores promedios de 285 y 320 mg chl (a+b) m-2). Observese que las hojas de la pradera de Punta Herrero (la ms somera) presentaron una cantidad similar de pigmentos a las hojas de las praderas ms profundas de la laguna arrecifal de Puerto Morelos (Fig.23.) En la figura 21 se presenta adems la variabilidad de la absorptancia. Debido a la correlacin de estos dos descriptores, la absorptancia present una patrn similar de variacin entre las praderas. Este descriptor ptico vari 1.5 veces, desde un mnimo de 53.1% a un mximo de 80.4%, variacin mucho menor que la observada para la densidad de pigmentos que fue casi de un orden de magnitud. Las hojas de Syringodium filiforme

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de las praderas ms someras de Puerto Morelos son las que presentan menores cantidades de pigmentos y menor capacidad de absorcin de luz, La pradera de Sian Kaan, siendo ms somera que las de Puerto Morelos (0,5-1 m) present valores similares a su pradera ms profunda situada a 3 m.Absorptancia 78 350 80

75

300

75

Densi ad de

Absorptancia(%)

ARB

250 72 200 69 150

70

Absorptancia

66 100

63

50

60 1.5m 2m 2.5m Puerto Morelos 3m 0.8-1m Punta Herrero

0

2cmC

istancia al

Fig.21. Variabilidad de la absorptancia y seccin transversal de pigmentos en distintas praderas de Syringodium filiforme.

Un anlisis de la varianza permiti determinar diferencias significativas entre praderas (ANOVA, p< 0.05, F(4,155)= 78.82) en el contenido de pigmentos, pero slo entre las dos praderas menos profundas de la laguna arrecifal de Puerto Morelos y el resto de las praderas. Las dos praderas ms profundas de Puerto Morelos y la pradera de Punta Herrero no fueron diferentes entre s (anlisis de Tukey, Tabla IV).Tabla IV. Probabilidad asociada a la densidad de pigmentos (mg m-2), de acuerdo a la prueba de comparaciones mltiples de Tukey

Tambin

la

absorptancia

vari

significativamente

entre

sitios

(ANOVA,

p 0.05, Fig. 24). Estas asociaciones de variacin, confirman la existencia de un patrn fotoaclimatativo relacionado con la profundidad en las hojas de Syringodium filiforme, que consiste en un progresivo aumento tanto de la seccin transversal de pigmentos como de la absorptancia al disminuir la disponibilidad de luz con la profundidad en la laguna arrecifal de Puerto Morelos Sin embargo, la pradera de Punta Herrero, siendo la ms somera( 0.05). Es decir, hay una tendencia a que aumente el contenido relativo de la clorofila b con la profundidad lo que est asociado a un aumento

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a

f

c

b

d

2

Raz m lar la /

p

0.25

e

i

2.5e c b d

0.3

cie te car tei p i

3.5 3 2.5 2 1.5 1 2cm 6cm 10 18cm

i es /cl aq

del tamao de la antena en condiciones de menor disponibilidad de luz (la clorofila b es un pigmento