Population genetics, clonality and management of giant reed, Arundo donax, in Mexico

Authors: Valera, Aldo, Bonilla, German, Eguiarte, Luis, Souza, Valeria

Year: 2005 (xxxvii)

Abstract

Arundo donax is one of the most aggresive and difficult to eradicate invasive plants in wetlands. In California, its control has been very costly and marginally efficient. It is native to central Asia and, apparently, was introduced to the Americas during colonial times. It basically propagates asexually. In Mexico, one can see small stands of giant reed growing in gardens, and larger, well-developed populations established in wetlands or bordering bodies of water, where it has caused problems rela ted to agriculture and ranching. Nonetheless, diverse Mexican communities exploit the species (for artisanal, construction, medicinal, industrial, esthetic, etc., uses) because they historically utilized plants that are morphologically and ecologically similar (such as Phragmites). We are using ISSR (Inter Simple Sequence Repeats) as molecular markers to reconstruct the plant’s history in Mexico, understand its levels of clonality, and describe the genetic structure of its populations. To date, we have 42 sites located in nine Mexican states, with a total of 1,005 individuals collected. We have detected 39 polymorphic loci with three primers: 14 loci with primer 827, 12 loci with 846, and 13 loci with 850. Diversity is low genetically and genotypically (number of clonal lines per site). Also, we have identified some unique regional profiles (clonal lines). Additionally, we have done experiments aimed at developing efficient control methods that minimize impacts on other organisms in the aquatic and stromatolitic communities where giant reed grows. The experiments include the clonal growth of 50 lines of both fila mentous and unicellular cyanobacteria for toxicity testing with the herbicide Aquamaster™ (Monsanto), at concentrations suggested for field applications: 100x, 10x, 1x, 01x, and negative and positive control of exposure to the herbicide both with and without a surfactant (ammonium sulfate). Toxicity will be evaluated at levels both morphologic (type of damage, using fluorescence microscopy) and demographic (proportion of cells affected in the culture). In addition to the immediate toxicity, we are evaluating the resilience of the microorganisms to the herbicide by extending microscopic observations for a month. If the toxicity at level 1x is not extreme, we will apply Aquamaster in field trials, as suggested by the manufacturer, and evaluate the impact on the microbial community (by use of TRFLP – Terminal-Restriction Fragment Length Polymorphism) before application and at 24 hours and one week following application. Such experimental data, and observations on its genetic structure, should permit implementation of management and control methods for Arundo donax that are adequate to the conditions and necessities of the human communities where the plant grows in Mexico. In particular, they will allow planning for its control in the region of Cuatro Ciénegas, Coahuila.

Resumen

Genética de poblaciones, clonalidad y manejo del carrizo gigante, Arundo donax , en México Arundo donax es una de las plantas invasoras de humedales más agresivas y difíciles de erradicar. En California, ha sido muy costoso y poco eficiente su control. Es originaria de Asia central y aparentemente fue introducida en las Américas durante la colonia. Se prop aga fundamentalmente de form a asexual. En México, es posible observar pequeños manchones de carrizo gigante en los jardines y poblaciones bien desarrolladas en

humedales o bordeando cuerpos de agua, donde se sabe que ha ocasionado problemas relacionados con la agricultura y la ganadería. Sin embargo, muchas comunidades en México explotan a esta especie (usos artesanal, construcción, medicinal, industrial, estético, etc.) debi do a que históricamente usaban plantas nativas similares morfológica y ecológicamente (como Phragmites). Estamos usando ISSR (Inter Simple Sequence Repeats) como marcadores moleculares para reconstruir su historia en México, conocer sus niveles de clonalidad y describir la estructura genética de sus poblaciones. Actualmente, tenemos 42 sitios provenientes de nueve estados de México, dando un total de 1,005 individuos colectados. Hemos detectado 39 loci polimórficos con tres primers: 14 loci con el primer 827, 12 loci con el 846 y 13 loci con el 850. La diversidad genética y genotípica (número de linajes clonales por sito) es baja. Además, se han logrado identificar algunos perfiles (linajes clonales) únicos por región. Asimismo, hemos realizando experimentos para desarro llar métodos de control eficientes y que minimicen el impacto a otros organismos en las comunidades acuáticas y estromatolíticas donde crece. Estos experimentos incluyen crecer, de manera clonal, 50 linajes de cianobacterias, tanto f ilamentosas como unicelulares, para llevar a cabo experimentos de toxicidad con el herbicida Aquamaster™ (Monsanto) a concentraciones sugeridas en campo: 100x, 10x, 1x, 01x, y control negativo y positivo de exposición tanto al herbicida con y sin sufractante (sulfato de amonio). La toxicidad se evaluará tanto a nivel morfológico (tipo de daño, al microscopio de fluorescencia) como demográfico (proporción de célul as afectadas del cultivo). Además de la toxicidad inmediata, se está evaluando la resilencia de los microorganismos expuestos a este herbicida, al mantener las observaciones al microscopio por un mes. Si la toxicidad observada a nivel 1x no es extrema, se aplicará en campo el Aquamaster, como lo sugerido por los fabricantes, y se evaluará el impacto en la comunidad microbiana (por medio de TRFLP) antes de la aplicación, a las 24 horas, y a la semana de la aplicación Estos datos experimentales y las observaciones sobre su estructura genética permitirán llegar a implementar prácticas de manejo y control de Arundo donax adecuadas a las condiciones y necesidades de las comunidades humanas donde se crece esta la especie en México. En par ticular, nos permitirán elaborar planes de manejo en la región de Cuatro Ciénegas, Coahuila. Varela-Romero, Alejandro *1; Yépiz-Plascencia, Gloria 2; Peregrino-Uriarte, Alma2; Hendrickson, Dean A.3 (1-Department of Science and Technology Res earch, University of Sonora , Hermosillo; 2-Aquatic Molecular Biology Laboratory, Cen tro de Investigación en Alimentación y Desarrollo, Hermosillo; 3-Texas Memorial Museum, University of Texas, Austin) Genetic variability of Yaqui catfish, Ictalurus pricei (Pisces: Ictaluridae), in northwestern Mexico ABSTRACT Species of the genus Ictalurus are among the most abundant and commonly encountered species of the catfish family Ictaluridae, ranging from southern Canada to southern Mexico and Central America. The genus is comprised of two clades: the I. furcatus clade, containing the species furcatus, meridionalis and balsanus; and the I. punctatus clade, which includes the species punctatus, lupus, australis, dugesii, mexicanus and pricei, all known from, and all (but the first) endemic (or very nearly so) to Mexico. In general, information on Mexican species of the genus is very scant and further studies are necessary. Becau se perhaps four or five additional Mexican forms remain to be described, the majority of the diversity in the genus clearly resides in Mexico. At least some of those undescribed taxa are members of what has previously been referred to as the (poorly known) “Ictalurus pricei-complex” inhabiting northern Mexico’s Pacific drainages. At least two distinct, undescribed forms are found in the Fuerte and San Lorenzo river basins. Phylogentic relationships of members of this complex from the Yaqui and Fuerte river basins were estimated by analysis of complete sequences of the mitochondrial genes 12SrRNA (954 bp ) and Cytb (1138 bp), obtained fr om recently collected material. Published sequences of selected other members of the punctatus clade and I. furcatus (to represent the clade of the same name) completed the input dataset. Both gene sequences have fixed inter-specific differences, and high levels of intra-specific variation were found among individuals from the Yaqui basin. Maximum likelihood analyses of each gene separately and both genes together support the punctatus clade and exclude I. furcatus from it. Relationships derived from only Cytb sequence exclude specimens from the Fuerte River from a pricei clade, grouping them instead with other native catfishes of Northwest Mexico and with I. lupus from northeastern Mexico.

RESUMEN Variabilidad genética del bagre yaqui, Ictalurus pricei (Pisces: Ictaluridae), en el noroeste de México Los bagres del género Ictalurus son las especies de la familia Icta luridae más abundantes y comúnmente encontradas que se distribuyen del sur de Canadá hasta el sur de México y Centroamérica. El género comprende dos clados: el clado furcatus contiene a las especies furcatus, meridionalis y balsanus; y el clado punctatus incluye a las especies punctatus, lupus, australis, dugesii, mexicanus y pricei, todas presentes y todas (menos la primera) endémicas (o casi todas así) a México. En general, la información sobre las especies mexicanas del género es muy escasa, por lo que son necesarios más estudios. Además, de permanecer cuatro o cinco formas mexicanas adicionales aún sin describirse para la ciencia, la mayoría de la diversidad del género claramente reside en México. Al menos algunos de estos taxa no descritos son miembros de lo que previamente ha sido referido como el (escasamente conocido) “complejo Ictalurus pricei ”, que habita las cuencas del Pacífico del norte de México. Al menos do s formas distintas no descritas se encuentran en las cuencas de los ríos Fuerte y San Lorenzo. Se estimaron las relaciones filogenéticas de este complejo de las cuencas de los ríos Yaqui y Fuerte por medio del análisis de las secuencias completas de los genes mitocondriales 12SrRNA (954 bp) y Cytb (1138 bp), obtenidos de material recientemente recolectado. El grupo de genes para el análisis fue completado con secuenci as publicadas de otros miembros selectos del clado punctatus y I. furcatus (para representar el clado del mismo nombre). Las secuencias de ambos genes demuestran diferencias interespecíficas fijas, y re velan altos niveles de variación intraespecífica entre individuos de la cuenca del Yaqui. Los análisis de máxima verosimilitud de cada gen por separado y de ambos genes juntos soporta el clado punctatus y excluye a I. furcatus del mismo el . Las relaciones derivadas del análisis de sólo la secuencia de Cytb excluye a los especímenes del Río Fuerte de un clado pricei, y los agrupa con los otros bagres nativos del noroeste de México y con I. lupus del noreste de México.