Provision of ecological infrastructures to increase pollinators and other beneficial organisms in rainfed crops in Central Spain

In sustainable intensive agriculture, the biodiversity of monoculture fields can be increased by managing the field margins to provide ecological infrastructures that serve as refuges and resources for beneficial organisms (pollinators and natural enemies). In the present work we summarize two years of field trials following the goal to increase biodiversity of beneficial fauna in a barley field in Central Spain by sowing different herbaceous mixtures in the field margins. The presence of arthropods visiting flowers on plots sown with different types of seed mixtures and unsown natural flora (control plot) was compared by visual sampling every week between April and June. The results showed that a combination of herbaceous big-size seeds was the most successful mixture emerging under our experimental conditions and achieved a higher number of visits of beneficial arthropods than the unsown natural vegetation.

Habitat management for conservation of pollinators in agro-ecosystems of Central Spain

La gestión de hábitat orientada a la conservación de polinizadores en los agro-ecosistemas requiere una selección de especies vegetales atendiendo fundamentalmente a dos criterios: i) el potencial atractivo de sus flores a los polinizadores; y ii) la simplicidad en su manejo agronómico. Además de estas premisas, es necesario considerar la capacidad invasora de estas especies vegetales, debido a que algunas de las más atractivas pueden resultar invasoras en determinados agro-ecosistemas. Por lo tanto, es preciso determinar qué especies vegetales son las más indicadas para ser implementadas en cada agro-ecosistema. En la presente tesis doctoral se plantea la búsqueda de las especies vegetales adecuadas para atraer polinizadores en los agro-ecosistemas del centro de España. En una primera aproximación, se ha evaluado la atracción y expansión espacial (potencial invasivo) de seis plantas perennes de la familia Lamiaceae (aromáticas), elegidas por ser nativas de la región mediterránea. La elección de las especies vegetales se ha llevado a cabo con el fin de crear márgenes funcionales basados en la mezcla de especies vegetales con distintos periodos de floración, de modo que prolonguen la disponibilidad de recursos florales en el tiempo. Tras un primer año dedicado al establecimiento de las especies aromáticas, en los dos años siguientes se ha estudiado la atracción individual y combinada de las especies vegetales sobre los polinizadores, y como ésta se ve afectada por la densidad y la morfología floral, utilizando para ello un diseño experimental en bloques al azar. Los resultados de este estudio han puesto de manifiesto que la morfología floral no tuvo influencia sobre la atracción de las especies vegetales, pero si la densidad floral, puesto que las especies vegetales con mayor densidad de flores (Nepeta tuberosa e Hyssopus officinalis) han mostrado mayor atracción a polinizadores. Cabe destacar que de las seis especies consideradas, dos especies de verano (Melissa officinalis y Thymbra capitata) no han contribuido de forma efectiva a la atracción de la mezcla hacia los polinizadores, mostrando una reducción significativa de este parámetro respecto a las otras especies aromáticas a lo largo del verano. Se ha observado que ninguna de las especies aromáticas evaluadas ha mostrado tendencia invasora a lo largo del estudio. En base a estos resultados, se puede concluir que entre las especies aromáticas estudiadas, N. tuberosa, H. officinalis y Salvia verbenaca son las que ofrecen mayor potencial para ser utilizadas en la conservación de polinizadores. De forma similar al caso de las plantas aromáticas, se ha llevado a cabo una segunda experimentación que incluía doce plantas anuales con floración de primavera, en la que se evaluó la atracción a polinizadores y su comportamiento agronómico. Este estudio con especies herbáceas se ha prolongado durante dos años, utilizando un diseño experimental de bloques aleatorios. Las variables analizadas fueron: el atractivo de las distintas especies vegetales a los polinizadores, su eficiencia de atracción (calculada como una combinación de la duración de la floración y las visitas de insectos), su respuesta a dos tipos de manejo agronómico (cultivo en mezcla frente a monocultivo; laboreo frente a no-laboreo) y su potencial invasivo. Los resultados de esta segunda experimentación han mostrado que las flores de Borago officinalis, Echium plantagineum, Phacelia tanacetifolia y Diplotaxis tenuifolia son atractivas a las abejas, mientras que las flores de Calendula arvensis, Coriandrum sativum, D. tenuifolia y Lobularia maritima son atractivas a los sírfidos. Con independencia del tipo de polinizadores atraídos por cada especie vegetal, se ha observado una mayor eficiencia de atracción en parcelas con monocultivo de D. tenuifolia respecto a las parcelas donde se cultivó una mezcla de especies herbáceas, si bien en estas últimas se observó mayor eficiencia de atracción que en la mayoría de parcelas mono-específicas. Respecto al potencial invasivo de las especies herbáceas, a pesar de que algunas de las más atractivas a polinizadores (P. tanacetifolia and C. arvensis) mostraron tendencia a un comportamiento invasor, su capacidad de auto-reproducción se vio reducida con el laboreo. En resumen, D. tenuifolia es la única especie que presentó una alta eficiencia de atracción a distintos tipos de polinizadores, conjuntamente con una alta capacidad de auto-reproducción pero sin mostrar carácter invasor. Comparando el atractivo de las especies vegetales utilizadas en este estudio sobre los polinizadores, D. tenuifolia es la especie más recomendable para su cultivo orientado a la atracción de polinizadores en agro-ecosistemas en el centro de España. Esta especie herbácea, conocida como rúcula, tiene la ventaja añadida de ser una especie comercializada para el consumo humano. Además de su atractivo a polinizadores, deben considerarse otros aspectos relacionados con la fisiología y el comportamiento de esta especie vegetal en los agro-ecosistemas antes de recomendar su cultivo. Dado que el cultivo en un campo agrícola de una nueva especie vegetal implica unos costes de producción, por ejemplo debidos a la utilización de agua de riego, es necesario evaluar el incremento en dichos costes en función de demanda hídrica específica de esa especie vegetal. Esta variable es especialmente importante en zonas dónde se presentan sequías recurrentes como es el caso del centro y sur-este de la península Ibérica. Este razonamiento ha motivado un estudio sobre los efectos del estrés hídrico por sequía y el estrés por déficit moderado y severo de riego sobre el crecimiento y floración de la especie D. tenuifolia, así como sobre la atracción a polinizadores. Los resultados muestran que tanto el crecimiento y floración de D. tenuifolia como su atracción a polinizadores no se ven afectados si la falta de riego se produce durante un máximo de 4 días. Sin embargo, si la falta de riego se extiende a lo largo de 8 días o más, se observa una reducción significativa en el crecimiento vegetativo, el número de flores abiertas, el área total y el diámetro de dichas flores, así como en el diámetro y longitud del tubo de la corola. Por otro lado, el estudio pone de manifiesto que un déficit hídrico regulado permite una gestión eficiente del agua, la cual, dependiendo del objetivo final del cultivo de D. tenuifolia (para consumo o solo para atracción de polinizadores), puede reducir su consumo entre un 40 y un 70% sin afectar al crecimiento vegetativo y desarrollo floral, y sin reducir significativamente el atractivo a los polinizadores. Finalmente, esta tesis aborda un estudio para determinar cómo afecta el manejo de hábitat a la producción de los cultivos. En concreto, se ha planteado una experimentación que incluye márgenes mono-específicos y márgenes con una mezcla de especies atractivas a polinizadores, con el fin de determinar su efecto sobre la producción del cultivo de cilantro (C. sativum). La elección del cultivo de cilantro se debe a que requiere la polinización de insectos para su reproducción (aunque, en menor medida, puede polinizarse también por el viento), además de la facilidad para estimar su producción en condiciones semi-controladas de campo. El diseño experimental consistía en la siembra de márgenes mono-específicos de D. tenuifolia y márgenes con mezcla de seis especies anuales situados junto al cultivo de cilantro. Estos cultivos con márgenes florales fueron comparados con controles sin margen floral. Además, un segundo grupo de plantas de cilantro situadas junto a todos los tratamientos, cuyas flores fueron cubiertas para evitar su polinización, sirvió como control para evaluar la influencia de los polinizadores en la producción del cultivo. Los resultados muestran que la presencia de cualquiera de los dos tipos de margen floral mejora el peso y el porcentaje de germinación de las semillas de cilantro frente al control sin margen. Si se comparan los dos tipos de margen, se ha observado un mayor número de semillas de cilantro junto al margen con mezcla de especies florales respecto al margen mono-específico, probablemente debido al mayor número visitas de polinizadores. Puesto que el experimento se realizó en condiciones de campo semi-controladas, esto sugiere que las visitas de polinizadores fueron el factor determinante en los resultados. Por otro lado, los resultados apuntan a que la presencia de un margen floral (ya sea mono-especifico o de mezcla) en cultivos de pequeña escala puede aumentar la producción de cilantro en más de un 200%, al tiempo que contribuyen a la conservación de los polinizadores. ABSTRACT Habitat management, aimed to conserve pollinators in agro-ecosystems, requires selection of the most suitable plant species in terms of their attractiveness to pollinators and simplicity of agronomic management. However, since all flowers are not equally attractive to pollinators and many plant species can be weedy or invasive in the particular habitat, it is important to test which plant species are the most appropriate to be implemented in specific agro-ecosystems. For that reason, this PhD dissertation has been focused on determination of the most appropriate aromatic and herbaceous plants for conservation of pollinators in agro-ecosystems of Central Spain. Therefore, in a first approximation, spatial expansion (i.e. potential weediness) and attractiveness to pollinators of six aromatic perennial plants from the Lamiaceae family, native and frequent in the Mediterranean region, were evaluated. Preliminary plant selection was based on designing a functional mixed margins consisting of plants attractive to pollinators and with different blooming periods, in order to extend the availability of floral resources in the field. After a year of vegetative growth, the next two years the plant species were studied in a randomized block design experiment in order to estimate their attractiveness to pollinators in Central Spain and to investigate whether floral morphology and density affect attractiveness to pollinators. The final aim of the study was to evaluate how their phenology and attractiveness to pollinators can affect the functionality of a flowering mixture of these plants. In addition, the spatial expansion, i.e. potential weediness, of the selected plant species was estimated under field conditions, as the final purpose of the studied plants is to be implemented within agro-ecosystems. The results of the experiment showed that floral morphology did not affect the attractiveness of plants to pollinators, but floral density did, as plant species with higher floral density (i.e. Nepeta tuberosa and Hyssopus officinalis) showed significantly higher attractiveness to pollinators. In addition, of six plant species, two summer species (Melissa officinalis and Thymbra capitata) did not efficiently contribute to the attractiveness of the mixture to pollinators, which reduced its attractiveness during the summer period. Finally, as none of the plants showed weedy behaviour under field conditions, the attractive plant species, i.e. N. tuberosa, H. officinalis and the early spring flowering Salvia verbenaca, showed good potential to conserve the pollinators. Similarly, in a second approximation, the attractiveness to pollinators and agronomic behaviour of twelve herbaceous plants blooming in spring were studied. This experiment was conducted over two years in a randomized block design in order to evaluate attractiveness of preselected plant species to pollinators, as well as their attractiveness efficiency (a combination of duration of flowering and insect visitation), their response to two different agronomic management practices (growing in mixed vs. mono-specific plots; tillage vs. no-tillage), and their potential weediness. The results of this experiment showed that the flowers of Borago officinalis, Echium plantagineum, Phacelia tanacetifolia and Diplotaxis tenuifolia were attractive to bees, while Calendula arvensis, Coriandrum sativum, D. tenuifolia and Lobularia maritima were attractive to hoverflies. In addition, floral mixture resulted in lower attractiveness efficiency to pollinators than mono-specific D. tenuifolia, but higher than most of the mono-specific stands. On the other hand, although some of the most attractive plant species (e.g. P. tanacetifolia and C. arvensis) showed potential weediness, their self-seeding was reduced by tillage. After comparing attractiveness efficiency of various herbaceous species to pollinators and their potential weediness, the results indicated that D. tenuifolia showed the highest attractiveness efficiency to pollinators and efficient self-reproduction, making it highly recommended to attract bees and hoverflies in agro-ecosystems of Central Spain. In addition, this plant, commonly known as wild rocket, has a supplementary economic value as a commercialized crop. The implementation of a new floral margin in agro-ecosystems means increased production costs, especially in regions with frequent and long droughts (as it is Central and South-East area of Iberian Peninsula), where the principal agricultural cost is irrigation. Therefore, before recommending D. tenuifolia for sustainable habitat management within agro-ecosystems, it is necessary to study the effect of drought stress and moderate and severe deficit irrigation on its growth, flower development and attractiveness to pollinators. The results of this experiment showed that in greenhouse conditions, potted D. tenuifolia could be without irrigation for 4 days without affecting its growth, flowering and attractiveness to pollinators. However, lack of irrigation for 8 days or longer significantly reduced the vegetative growth, number of open flowers, total floral area, flower diameter, corolla tube diameter and corolla tube length of D. tenuifolia. This study showed that regulated deficit irrigation can improve water use efficiency, and depending on the purpose of growing D. tenuifolia, as a crop or as a beneficial plant to attract pollinators, it can reduce water consumption by 40% to 70% without affecting its vegetative and floral development and without reducing its attractiveness to pollinators. Finally, the following experiment was developed in order to understand how habitat management can influence on the agricultural production. For this purpose, it was evaluated if the vicinity of mixed and mono-specific field margins, preselected to conserve pollinators within agro-ecosystems, can improve seed production in coriander (C. sativum). The selection of this plant species for the experiment was based on its necessity for insect pollination for production of seeds (even though some pollen can be transmitted from one flower to another by wind) and the fact that under semi-controlled field conditions established in the field it is possible to estimate its total seed production. Since D. tenuifolia is attractive for both bees and hoverflies in Central Spain, the main objective of this experiment was to estimate the impact of two different types of field margins, i.e. mono-specific margin with D. tenuifolia and mixed margin with six herbaceous species, on the seed production of potted coriander. For that reason, it was tested: i) if open pollination (control without proximate field margin and treatments with nearby mono-specific and mixed margin) increases the seed production of coriander when compared with no-pollination (covered inflorescences of coriander) under field conditions; ii) if frequency of pollinator visitation to the flowers of coriander was higher in the presence of field margins than in the control without field margin; and iii) if seed production was higher in the presence of field margins than in control plants of coriander without field margin. The results showed that the proximity of both types of floral margins (mixed and mono-specific) improved the seed quality of coriander plants, as seed weight and germination rate were higher than in control plants without field margin. Furthermore, the number of seeds produced was significantly higher in coriander plants grown near mixed margins than near mono-specific margin, probably due to an increase in pollinator visits. Since the experiment was conducted under semi-controlled field conditions, it can be concluded that pollinator visits was the main factor that biased the results, and that presence of both mixed or mono-specific (D. tenuifolia) margins can improve the production of coriander for more than 200% in small-scale gardens and, in addition, conserve the local pollinators.

Estudio de los factores que condicionan, a escala local, la presencia de Epidendrum rhopalostele (Orchidaceae): Implicaciones para su conservación

El análisis de los factores que determinan el establecimiento y supervivencia de orquídeas epífitas, incluyen: a) las condiciones microambientales de los bosques que las mantienen, b) preferencias por las características de los hospederos donde crecen, c) limitación en la dispersión de semillas, d) interacciones planta-planta, y e) asociaciones micorrízicas para la germinación y resultan esenciales para el desarrollo de estrategias para la conservación y manejo de este grupo de plantas. Este trabajo ha evaluado la importancia de estos factores en Epidendrum rhopalostele, orquídea epífita del bosque de niebla montano, a través de los análisis de los patrones espaciales de los árboles que la portan y de la propia orquídea, a escala de población, estudios de asociación y métodos moleculares. Estos últimos han consistido en el uso de marcadores AFLP para el análisis de la estructura genética de la orquídea y en la secuenciación-clonación de la región ITS para la identificación de los hongos micorrízicos asociados. El objetivo de esta tesis es, por tanto, una mejor comprensión de los factores que condicionan la presencia de orquídeas epífitas en los remanentes de bosque de niebla montano y una evaluación de las implicaciones para la conservación y mantenimiento de sus hábitats y la permanencia de sus poblaciones. El estudio fue realizado en un fragmento de bosque de niebla montano de sucesión secundaria situado al este de la Cordillera Real, en los Andes del sur de Ecuador, a 2250 m.s.n.m y caracterizado por una pendiente marcada, temperatura media anual de 20.8°C y precipitación anual de 2193 mm. En este fragmento se mapearon, identificaron y caracterizaron todos los árboles presentes con DBH > 1 cm y todos los individuos de Epidendrum rhopalostele. Así mismo se tomaron muestras de hoja para obtener ADN de todas las orquídeas registradas y muestras de raíces de individuos con flor de E. rhopalostele, uno por cada forófito, para el análisis filogenético de micorrizas. Análisis espaciales de patrones de puntos basados en la K de Ripley y la distancia al vecino más cercano fueron usados para los árboles, forófitos y la población de E. rhopalostele. Se observó que la distribución espacial de árboles y forófitos de E. rhopalostele no es aleatoria, ya que se ajusta a un proceso agregado de Poisson. De ahí se infiere una limitación en la dispersión de las semillas en el fragmento estudiado y en el establecimiento de la orquídea. El patrón de distribución de la población de E. rhopalostele en el fragmento muestra un agrupamiento a pequeña escala sugiriendo una preferencia por micro-sitios para el establecimiento de la orquídea con un kernel de dispersión de las semillas estimado de 0.4 m. Las características preferentes del micro-sitio como tipos de árboles (Clusia alata y árboles muertos), tolerancia a la sombra, corteza rugosa, distribución en los dos primeros metros sugieren una tendencia a distribuirse en el sotobosque. La existencia de una segregación espacial entre adultos y juveniles sugiere una competencia por recursos limitados condicionada por la preferencia de micro-sitio. La estructura genética de la población de E. rhopalostele analizada a través de Structure y PCoA evidencia la presencia de dos grupos genéticos coexistiendo en el fragmento y en los mismos forófitos, posiblemente por eventos de hibridización entre especies de Epidendrum simpátricas. Los resultados del análisis de autocorrelación espacial efectuados en GenAlex confirman una estructura genético-espacial a pequeña escala que es compatible con un mecanismo de dispersión de semillas a corta distancia ocasionada por gravedad o pequeñas escorrentías, frente a la dispersión a larga distancia promovida por el viento generalmente atribuida a las orquídeas. Para la identificación de los micobiontes se amplificó la región ITS1-5.8S-ITS2, y 47 secuencias fueron usadas para el análisis filogenético basado en neighborjoining, análisis bayesiano y máximum-likelihood que determinó que Epidendrum rhopalostele establece asociaciones micorrízicas con al menos dos especies diferentes de Tulasnella. Se registraron plantas que estaban asociadas con los dos clados de hongos encontrados, sugiriendo ausencia de limitación en la distribución del hongo. Con relación a las implicaciones para la conservación in situ resultado de este trabajo se recomienda la preservación de todo el fragmento de bosque así como de las interacciones existentes (polinizadores, micorrizas) a fin de conservar la diversidad genética de esta orquídea epífita. Si fuere necesaria una reintroducción se deben contemplar distancias entre los individuos en cada forófito dentro de un rango de 0.4 m. Para promover el reclutamiento y regeneración de E. rhopalostele, se recomienda que los forófitos correspondan preferentemente a árboles muertos o caídos y a especies, como Clusia alata, que posean además corteza rugosa, sean tolerantes a la sombra, y en el área del sotobosque con menor luminosidad. Además es conveniente que las orquídeas en su distribución vertical estén ubicadas en los primeros metros. En conclusión, la limitación en la dispersión, las características del micro-sitio, las interacciones intraespecíficas y con especies congenéricas simpátricas y las preferencias micorrízicas condicionan la presencia de esta orquídea epífita en este tipo de bosque. ABSTRACT The analysis of factors that determine the establishment and survival of epiphytic depends on factors such as a) microenvironmental conditions of forest, b) preference for host characteristics where orchids grow, c) seed dispersal limitation, d) plant-plant interaction, e) priority mycorrhizal associations for germination, are essential for the development of strategies for management and conservation. This work evaluated the importance of these factors in Epidendrum rhopalostele, an epiphytic orchid of montane cloud forest through the analysis of spatial patterns of host trees and the orchid, in a more specific scale, with association studies and molecular methods, including AFLPs for orchid population genetic structure and the sequencing of the ITS region for associated mycorrhizal fungi. The aim of this thesis is to understand the factors that condition the presence of epiphytic orchids in the remnants of montane cloud forest and to assess the implications for the conservation and preservation of their habitats and the persistence of the orchid populations. The study was carried out in a fragment of montane cloud forest of secondary succession on the eastern slope of Cordillera Real in the Andes of southern Ecuador, located at 2250 m a.s.l. characterized by a steep slope, mean annual temperature of 20.8°C and annual precipitation of 2193 mm. All trees with DBH > 1 cm were mapped, characterized and identified. All E. rhopalostele individuals present were counted, marked, characterized and mapped. Leaf samples of all orchid individuals were collected for DNA analysis. Root samples of flowering E. rhopalostele individuals were collected for phylogenetic analysis of mycorrhizae, one per phorophyte. Spatial point pattern analysis based on Ripley`s K function and nearest neighbor function was used for trees, phorophytes and orchid population. We observed that spatial distribution of trees and phorophytes is not random, as it adjusts to a Poisson cluster process. This suggests a limitation for seed dispersal in the study fragment that is affecting orchid establishment. Furthermore, the small-scale spatial pattern of E. rhopalostele evidences a clustering that suggests a microsite preference for orchid establishment with a dispersal kernel of 0.4 m. Microsite features such as types of trees (dead trees or Clusia alata), shade tolerance trees, rough bark, distribution in the first meters suggest a tendency to prefer the understory for their establishment. Regarding plant-plant interaction a spatial segregation between adults and juveniles was present suggesting competition for limited resources conditioned for a microsite preference. Analysis of genetic structure of E. rhopalostele population through Structure and PCoA shows two genetic groups coexisting in this fragment and in the same phorophyte, possibly as a result of hybridization between sympatric species of Epidendrum. Our results of spatial autocorrelation analysis develop in GenAlex confirm a small-scale spatial-genetic structure within the genetic groups that is compatible with a short-distance dispersal mechanism caused by gravity or water run-off, instead of the long-distance seed dispersal promoted by wind generally attributed to orchids. For mycobionts identification ITS1-5.8S-ITS2 rDNA region was amplified. Phylogenetic analysis was performed with neighborjoining, Bayesian likelihood and maximum-likelihood for 47 sequences yielded two Tulasnella clades. This orchid establishes mycorrhizal associations with at least two different Tulasnella species. In some cases both fungi clades were present in same root, suggesting no limitation in fungal distribution. Concerning the implications for in situ conservation resulting from this work, the preservation of all forest fragment and their interactions (pollinators, mycorrhiza) is recommended to conserve the genetic diversity of this species. If a reintroduction were necessary, distances between individuals in each phorophyte within a range of 0.4 m, are recommended. To promote recruitment and regeneration of E. rhopalostele it is recommended that phorophytes correspond to dead or fallen trees or species, such as Clusia alata. Trees that have rough bark and are shade tolerant are also recommended. Furthermore, regarding vertical distribution, it is also convenient that orchids are located in the first meter (in understory, area with less light). In conclusion, limitation on seed dispersal, microsite characteristics, plant-plant interactions or interaction with cogeneric sympatric species and mycorrhizal preferences conditioned the presence of this epiphytic orchid in this fragment forest.