Geography and Genetics of Ecological Speciation in Pea Aphids

During ecological speciation, divergent natural selection drives evolution of ecological specialization and genetic differentiation of populations on alternate environments. Populations diverging onto the same alternate environments may be geographically widespread, so that divergence may occur at an array of locations simultaneously. Spatial variation in the process of divergence may produce a pattern of differences in divergence among locations called the Geographic Mosaic of Divergence. Diverging populations may vary in their degree of genetic differentiation and ecological specialization among locations. My dissertation examines the pattern and evolutionary processes of divergence in pea aphids (Acyrthosiphon pisum) on alfalfa (Medicago sativa) and clover (Trifolium pretense). In Chapter One, I examined differences among North American aphid populations in genetic differentiation at nuclear, sequence-based markers and in ecological specialization, measured as aphid fecundity on each host plant. In the East, aphids showed high host-plant associated ecological specialization and high genetic differentiation. In the West, aphids from clover were genetically indistinguishable from aphids on alfalfa, and aphids from clover were less specialized. Thus, the pattern of divergence differed among locations, suggesting a Geographic Mosaic of Divergence. In Chapter Two, I examined genomic heterogeneity in divergence in aphids on alfalfa and clover across North America using amplified fragment length polymorphisms (AFLPs). The degree of genetic differentiation varied greatly among markers, suggesting that divergent natural selection drives aphid divergence in all geographic locations. Three of the same genetic markers were identified as evolving under divergent selection in the eastern and western regions, and additional divergent markers were identified in the East. In Chapter Three, I investigated population structure of aphids in North America, France, and Sweden using AFLPs. Aphids on the same host plant were genetically similar across many parts of their range, so the evolution of host plant specialization does not appear to have occurred independently in every location. While aphids on alfalfa and clover were genetically differentiated in most locations, aphids from alfalfa and clover were genetically similar in both western North America and Sweden. High gene flow from alfalfa onto clover may constrain divergence in these locations.

Seguimiento de la productividad forrajera mediante teledetección : desarrollo de una herramienta de manejo para sistemas de producción ganaderos

La productividad forrajera (PF) es una variable crítica para el manejo y la planificación de los sistemas de producción ganaderos. Sin embargo, las dificultades para cuantificarla a campo y la necesidad de manejar un marco conceptual robusto para utilizarla en la toma de decisiones hacen que habitualmente los sistemas de producción se manejen con una caracterización rudimentaria de esta variable. En esta tesis se desarrolló un sistema de seguimiento de la PF en tiempo real y a la escala de lote, basado en la lógica de la eficiencia en el uso de la radiación (EUR). Primero se diseñó y se puso en funcionamiento una versión preliminar del sistema, y luego se investigaron en mayor detalle dos aspectos críticos de su funcionamiento: la estimación de la fracción de radiación absorbida por el canopeo (fRFAA) a partir de índices de vegetación derivados de imágenes satelitales, y el comportamiento de la EUR ante variaciones del estrés ambiental, el manejo de la defoliación, y la escala temporal de observación. La metodología para implementar la versión preliminar del sistema de seguimiento forrajero se basó en estimar la fRFAA y la EUR. La primera fue estimada como una función no lineal del índice de vegetación normalizado del sensor MODIS. La estimación de la EUR se basó en calibraciones empíricas entre la PF estimada a campo y la radiación absorbida para dos recursos forrajeros: pasturas de loma y bajos de agropiro. Los resultados mostraron que la radiación absorbida predijo datos independientes de PF con precisión aceptable. El sistema fue implementado informáticamente en un software específico denominado Segf. En relación al primer aspecto de mejora del sistema, la estimación de la fRFAA, se estudió la absorción de radiación a campo con una barra de interceptación en cultivos de trigo (utilizados como modelo experimental) y se la correlacionó con distintos índices de vegetación calculados a partir del sensor espectral MODIS. Se encontró que los índices de vegetación explicaron entre 90 y 94 por ciento de las variaciones de fRFAA. El índice de vegetación mejorado presentó una relación más lineal que el clásico índice de vegetación normalizado, posiblemente debido a la ausencia de saturación del primero ante aumentos del área foliar. En relación al segundo aspecto de mejora del sistema, la variabilidad de la EUR, se realizó un experimento de un año sobre una pastura consociada de festuca y alfalfa sometida a distintos tratamientos. La EUR fue más estable que la fRFAA ante cambios de la disponibilidad de recursos y de intensidad de defoliación. Sin embargo, la EUR tendió a disminuir ante estrés hídrico (déficit y exceso), y a aumentar ante defoliación severa y sombreado. Además, la variabilidad de la EUR a lo largo del rebrote de la pastura y entre tratamientos dependió de la escala temporal de observación o cálculo: fue más variable al considerar períodos de 12 días que al considerar todo el período de rebrote o la estación (45 y 90 días respectivamente). Como resultado de la tesis, los productores agropecuarios y sus asesores cuentan con un sistema capaz de estimar mes a mes la PF de sus lotes para una serie temporal de aproximadamente diez años. Actualmente 1.478.000 ha ganaderas están bajo seguimiento mediante un sistema basado en esta tesis. Esto implica un cambio cualitativo de disponibilidad de información y representa una oportunidad para tomar mejores decisiones de manejo, a la vez que concientiza sobre el uso racional del forraje para maximizar su crecimiento. Adicionalmente, la base de datos de PF generada, extraordinariamente amplia en su cobertura espacial y temporal, será de utilidad para trabajos de investigación sobre los patrones espacio-temporales de PF.

Estudio de una estrategia alternativa de ingeniería genética para incrementar la fijación biológica de nitrógeno atmosférico

Para satisfacer los altos rendimientos que impulsan la agricultura moderna la aplicación de fertilizantes nitrogenados ha sido fundamental. Dado que la base de la producción industrial de los fertilizantes químicos esta basado en el uso de combustibles fósiles, estos, actualmente, incrementan el costo económico debido a la disminución constante de las reservas de petróleo. Además, dada la baja eficiencia en el uso del fertilizante aplicado por parte de las plantas y el alto impacto ambiental debido a la emisión de óxido nitroso, resulta necesario emprender la búsqueda de nuevas estrategias para aumentar la concentración del nitrógeno fijado. Una de las propuestas para disminuir la aplicación de fertilizantes es el uso de microorganismos fijadores de nitrógeno; que ya son ampliamente utilizados en leguminosas por su capacidad de establecer asociaciones simbióticas; las cuales, lamentablemente, aún no han sido encontradas entre los principales cultivos de cereales. El objetivo del presente trabajo es la producción de una técnica de ingeniería genética que permita obtener bacterias fijadoras de nitrógeno recombinantes capaces de asociarse a distintos cultivos vegetales incrementando la productividad de los mismos. Para ello, los genes que sintetizan la nitrogenasa (nif), que están co-localizados en una isla genómica, en Pseudomonas stutzeri A1501 se transfirieron, vía el cósmido recombinante X940, a un promotor del crecimiento vegetal, Pseudomonas protegens Pf-5. La bacteria recombinante obtenida, P. protegens Pf-5 X940, fue capaz de crecer en medios de cultivo deficientes en nitrógeno o con el agregado de amonio; mostró una alta actividad nitrogenasa, liberando al medio de cultivo cantidades significativas de amonio y presentó expresión de los genes nif, sugiriendo que el proceso de fijación, en esta bacteria, es constitutivo. Las inoculaciones de especies vegetales (arabidopsis, alfalfa, festuca alta y maíz) con Pf-5 X940 aumentaron la concentración de amonio en el suelo y la productividad de las plantas en condiciones deficientes de nitrógeno. Estos resultados inician un nuevo camino hacia la producción efectiva de inoculantes recombinantes para la fijación de nitrógeno en un amplio rango de cultivos

Aspectos morfológicos y biológicos del gusano aspero (Agrotis malefida (Guenée) ) (Lep.:Noctuidae)

p.199-206

Estudios biológicos preliminares sobre Halticus pygmaeus (Miridae : Hemiptera) : I. ciclo biológico y descendencia sobre Medicago sativa

p.111-115

Contribución al conocimiento de Porosagrotis gypaetina (Guen.) (Lep.:Noctuidae)

p.15-22

Estudio de una estrategia alternativa de ingeniería genética para incrementar la fijación biológica de nitrógeno atmosférico

Para satisfacer los altos rendimientos que impulsan la agricultura moderna la aplicación de fertilizantes nitrogenados ha sido fundamental. Dado que la base de la producción industrial de los fertilizantes químicos esta basado en el uso de combustibles fósiles, estos, actualmente, incrementan el costo económico debido a la disminución constante de las reservas de petróleo. Además, dada la baja eficiencia en el uso del fertilizante aplicado por parte de las plantas y el alto impacto ambiental debido a la emisión de óxido nitroso, resulta necesario emprender la búsqueda de nuevas estrategias para aumentar la concentración del nitrógeno fijado. Una de las propuestas para disminuir la aplicación de fertilizantes es el uso de microorganismos fijadores de nitrógeno; que ya son ampliamente utilizados en leguminosas por su capacidad de establecer asociaciones simbióticas; las cuales, lamentablemente, aún no han sido encontradas entre los principales cultivos de cereales. El objetivo del presente trabajo es la producción de una técnica de ingeniería genética que permita obtener bacterias fijadoras de nitrógeno recombinantes capaces de asociarse a distintos cultivos vegetales incrementando la productividad de los mismos. Para ello, los genes que sintetizan la nitrogenasa (nif), que están co-localizados en una isla genómica, en Pseudomonas stutzeri A1501 se transfirieron, vía el cósmido recombinante X940, a un promotor del crecimiento vegetal, Pseudomonas protegens Pf-5. La bacteria recombinante obtenida, P. protegens Pf-5 X940, fue capaz de crecer en medios de cultivo deficientes en nitrógeno o con el agregado de amonio; mostró una alta actividad nitrogenasa, liberando al medio de cultivo cantidades significativas de amonio y presentó expresión de los genes nif, sugiriendo que el proceso de fijación, en esta bacteria, es constitutivo. Las inoculaciones de especies vegetales (arabidopsis, alfalfa, festuca alta y maíz)con Pf-5 X940 aumentaron la concentración de amonio en el suelo y la productividad de las plantas en condiciones deficientes de nitrógeno. Estos resultados inician un nuevo camino hacia la producción efectiva de inoculantes recombinantes para la fijación de nitrógeno en un amplio rango de cultivos

Seguimiento de la productividad forrajera mediante teledetección : desarrollo de una herramienta de manejo para sistemas de producción ganaderos

La productividad forrajera (PF)es una variable crítica para el manejo y la planificación de los sistemas de producción ganaderos. Sin embargo, las dificultades para cuantificarla a campo y la necesidad de manejar un marco conceptual robusto para utilizarla en la toma de decisiones hacen que habitualmente los sistemas de producción se manejen con una caracterización rudimentaria de esta variable. En esta tesis se desarrolló un sistema de seguimiento de la PF en tiempo real y a la escala de lote, basado en la lógica de la eficiencia en el uso de la radiación (EUR). Primero se diseñó y se puso en funcionamiento una versión preliminar del sistema, y luego se investigaron en mayor detalle dos aspectos críticos de su funcionamiento: la estimación de la fracción de radiación absorbida por el canopeo (fRFAA)a partir de índices de vegetación derivados de imágenes satelitales, y el comportamiento de la EUR ante variaciones del estrés ambiental, el manejo de la defoliación, y la escala temporal de observación. La metodología para implementar la versión preliminar del sistema de seguimiento forrajero se basó en estimar la fRFAA y la EUR. La primera fue estimada como una función no lineal del índice de vegetación normalizado del sensor MODIS. La estimación de la EUR se basó en calibraciones empíricas entre la PF estimada a campo y la radiación absorbida para dos recursos forrajeros: pasturas de loma y bajos de agropiro. Los resultados mostraron que la radiación absorbida predijo datos independientes de PF con precisión aceptable. El sistema fue implementado informáticamente en un software específico denominado Segf. En relación al primer aspecto de mejora del sistema, la estimación de la fRFAA, se estudió la absorción de radiación a campo con una barra de interceptación en cultivos de trigo (utilizados como modelo experimental)y se la correlacionó con distintos índices de vegetación calculados a partir del sensor espectral MODIS. Se encontró que los índices de vegetación explicaron entre 90 y 94 por ciento de las variaciones de fRFAA. El índice de vegetación mejorado presentó una relación más lineal que el clásico índice de vegetación normalizado, posiblemente debido a la ausencia de saturación del primero ante aumentos del área foliar. En relación al segundo aspecto de mejora del sistema, la variabilidad de la EUR, se realizó un experimento de un año sobre una pastura consociada de festuca y alfalfa sometida a distintos tratamientos. La EUR fue más estable que la fRFAA ante cambios de la disponibilidad de recursos y de intensidad de defoliación. Sin embargo, la EUR tendió a disminuir ante estrés hídrico (déficit y exceso), y a aumentar ante defoliación severa y sombreado. Además, la variabilidad de la EUR a lo largo del rebrote de la pastura y entre tratamientos dependió de la escala temporal de observación o cálculo: fue más variable al considerar períodos de 12 días que al considerar todo el período de rebrote o la estación (45 y 90 días respectivamente). Como resultado de la tesis, los productores agropecuarios y sus asesores cuentan con un sistema capaz de estimar mes a mes la PF de sus lotes para una serie temporal de aproximadamente diez años. Actualmente 1.478.000 ha ganaderas están bajo seguimiento mediante un sistema basado en esta tesis. Esto implica un cambio cualitativo de disponibilidad de información y representa una oportunidad para tomar mejores decisiones de manejo, a la vez que concientiza sobre el uso racional del forraje para maximizar su crecimiento. Adicionalmente, la base de datos de PF generada, extraordinariamente amplia en su cobertura espacial y temporal, será de utilidad para trabajos de investigación sobre los patrones espacio-temporales de PF.

Encalado : I- Su efecto sobre las propiedades físico - químicas de un argiudol

p.263-268

Cinética de sobrevivencia de Rhizobium meliloti B - 36 sobre semilla preinoculada con diferentes adhesivos y coberturas

p.167-171

Isotopic composition of tropospheric and soil N2O from successive depths of agricultural plots with contrasting crops and nitrogen amendments

Agricultural soils are the dominant contributor to increases in atmospheric nitrous oxide (N2O). Few studies have investigated the natural N and O isotopic composition of soil N2O. We collected soil gas samples using horizontal sampling tubes installed at successive depths under five contrasting agricultural crops (e.g., unamended alfalfa, fertilized cereal), and tropospheric air samples. Mean d 15N and d 18O values of soil N2O ranged from -28.0 to +8.9‰, and from +29.0 to +53.6‰. The mean d 15N and d 18O values of tropospheric N2O were +4.6 ± 0.7‰ and +48.3 ± 0.2‰, respectively. In general, d values were lowest at depth, they were negatively correlated to soil [N2O], and d 15N was positively correlated to d 18O for every treatment on all sampling dates. N2O from the different agricultural treatments had distinct d 15N and d 18O values that varied among sampling dates. Fertilized treatments had soil N2O with low d values, but the unamended alfalfa yielded N2O with the lowest d values. Diffusion was not the predominant process controlling N2O concentration profiles. Based on isotopic and concentration data, it appears that soil N2O was consumed, as it moved from deeper to shallower soil layers. To better assess the main process(es) controlling N2O within a soil profile, we propose a conceptual model that integrates data on net N2O production or consumption and isotopic data. The direct local impact of agricultural N2O on the isotopic composition of tropospheric N2O was recorded by a shift toward lower d values of locally measured tropospheric N2O on a day with very high soil N2O emissions.

Inhibición del gen de la trehalasa por transgénesis de RNA antisentido y su efecto en el patrón de crecimiento de plantas de Tabaco

Tesis (Doctorado en Ciencias con Especialidad en Biotecnología) U.A.N.L.

Impacts de la fertilisation phosphatée sur la biodiversité microbienne de sols agricoles

La fertilisation phosphatée est très répandue dans les pratiques agricoles Nord-Américaines. Bien que généralement très efficace pour augmenter la production végétale, son utilisation peut engendrer certaines contaminations environnementales. Afin de diminuer ce problème, plusieurs pratiques de gestion sont envisagées. Parmi celles-ci, on retrouve l’intéressante possibilité de manipuler la flore microbienne car cette dernière est reconnue pour son implication dans bons nombres de processus fondamentaux liés à la fertilité du sol. Cette étude a démontré que lors d’essais en champs, la forme de fertilisant ajouté au sol ainsi que la dose de phosphore (P) appliquée avaient un impact sur la distribution des microorganismes dans les différentes parcelles. Une première expérience menée sur une culture de luzerne en prairie semi-aride a montré que les échantillons provenant de parcelles ayant reçu différentes doses de P présentaient des différences significatives dans leurs communautés bactériennes et fongiques. La communauté de CMA est restée similaire entre les différents traitements. Une deuxième expérience fut menée pendant trois saisons consécutives afin de déterminer l’effet de différentes formes de fertilisation organiques et minérale ajustées selon une dose unique de P sur les populations bactériennes et fongiques d’une culture intensive de maïs en rotation avec du soja. Les résultats des analyses ont montrés que les populations varient selon le type de fertilisation reçu et que les changements sont indépendants du type de végétaux cultivé. Par contre, les populations microbiennes subissent une variation plus marquée au cours de la saison de culture. La technique de DGGE a permis d’observer les changements frappant la diversité microbienne du sol mais n’a permis d’identifier qu’une faible proportion des organismes en cause. Parallèlement à cette deuxième étude, une seconde expérience au même site fut menée sur la communauté de champignons mycorhiziens à arbuscules (CMA) puisqu’il s’agit d’organismes vivant en symbiose mutualiste avec la majorité des plantes et favorisant la nutrition de même que l’augmentation de la résistance aux stress de l’hôte. Ceci permit d’identifier et de comparer les différents CMA présents dans des échantillons de sol et de racines de maïs et soja. Contrairement aux bactéries et aux champignons en général, les CMA présentaient une diversité très stable lors des différents traitements. Par contre, au cours des trois années expérimentales, il a été noté que certains ribotypes étaient significativement plus liés au sol ou aux racines. Finalement, l’ensemble de l’étude a démontré que la fertilisation phosphatée affecte la structure des communautés microbiennes du sol dans les systèmes évalués. Cependant, lors de chaque expérience, la date d’échantillonnage jouait également un rôle prépondérant sur la distribution des organismes. Plusieurs paramètres du sol furent aussi mesurés et ils présentaient aussi une variation au cours de la saison. L’ensemble des interactions possibles entre ces différents paramètres qui, dans certains cas, variaient selon le traitement appliqué, aurait alors probablement plus d’impact sur la biodiversité microbienne que la seule fertilisation.

Microbial use of organic substrates and maize growth, especially in saline and alkaline soils of Pakistani Punjab

This thesis consists of 4 main parts: (1) impact of growing maize on the decomposition of incorporated fresh alfalfa residues, (2) relationships between soil biological and other soil properties in saline and alkaline arable soils from the Pakistani Punjab, (3) decomposition of compost and plant residues in Pakistani soils along a gradient in salinity, and (4) interactions of compost and triple superphosphate on the growth of maize in a saline Pakistani soil. These 4 chapters are framed by a General Introduction and a Conclusions section. (1) In the first study, the effects of growing maize plants on the microbial decomposition of freshly chopped alfalfa residues was investigated in a 90-day pot experiment using a sandy arable soil. Assuming that the addition of alfalfa residues did not affect the decomposition of native soil organic matter, only 27% of the alfalfa residues were found as CO2. This suggests that a considerable part of alfalfa-C remained undecomposed in the soil. However, only 6% of the alfalfa residues could be recovered as plant remains in treatment with solely alfalfa residues. Based on d13C values, it was calculated that plant remains in treatment maize + alfalfa residues contained 14.7% alfalfa residues and 85.3% maize root remains. This means 60% more alfalfa-C was recovered in this treatment. (2) In the second study, the interactions between soil physical, soil chemical and soil biological properties were analysed in 30 Pakistani soils from alkaline and saline arable sites differing strongly in salinisation and in soil pH. The soil biological properties were differentiated into indices for microbial activity, microbial biomass, and community structure with the aim of assessing their potential as soil fertility indices. (3) In the third study, 3 organic amendments (compost, maize straw and pea straw) were added to 5 Pakistani soils from a gradient in salinity. Although salinity has depressive effects on microbial biomass C, biomass N, biomass P, and ergosterol, the clear gradient according to the soil salt concentration was not reflected by the soil microbial properties. The addition of the 3 organic amendments always increased the contents of the microbial indices analysed. The amendment-induced increase was especially strong for microbial biomass P and reflected the total P content of the added substrates. (4) The fourth study was greenhouse pot experiment with different combinations of compost and triple superphosphate amendments to investigate the interactions between plant growth, microbial biomass formation and compost decomposition in a strongly saline Pakistani arable soil in comparison to a non-saline German arable soil. The Pakistani soil had a 2 times lower content of ergosterol, a 4 times lower contents of microbial biomass C, biomass N and biomass P, but nearly a 20 times lower content of NaHCO3 extractable P. The addition of 1% compost always had positive effects on the microbial properties and also on the content of NaHCO3 extractable P. The addition of superphosphate induced a strong and similar absolute increase in microbial biomass P in both soils.

Field measurements of the CO2 evolution rate under different crops during an irrigation cycle in a mountain oasis of Oman

For millennia oasis agriculture has been the backbone of rural livelihood in the desertic Sultanate of Oman. However, little is known about the functioning of these oasis systems, in particular with respect to the C turnover. The objective was to determine the effects of crop, i.e. alfalfa, wheat and bare fallow on the CO2 evolution rate during an irrigation cycle in relation to changes in soil water content and soil temperature. The gravimetric soil water content decreased from initially 24% to approximately 16% within 7 days after irrigation. The mean CO2 evolution rates increased significantly in the order fallow (27.4 mg C m^−2 h^−1) < wheat (45.5 mg C m^−2 h^−1) < alfalfa (97.5 mg C m^−2 h^−1). It can be calculated from these data that the CO2 evolution rate of the alfalfa root system was nearly four times higher than the corresponding rate in the wheat root system. The decline in CO2 evolution rate, especially during the first 4 days after irrigation, was significantly related to the decline in the gravimetric water content, with r = 0.70. CO2 evolution rate and soil temperature at 5 cm depth were negatively correlated (r = -0.56,n = 261) due to increasing soil temperature with decreasing gravimetric water content.