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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICO FACULTAD DE CIENCIAS Regeneración in vitro de Strombocactus disciformis ssp. disciformis (De Candolle) Britton y Rose y S. disciformis ssp. esperanzae Glass y Arias. T E S I S QUE PARA OBTENER EL TÍTULO DE: BIÓLOGA P R E S E N T A : MARIANA BEATRIZ RIVERA BENÍTEZ DIRECTOR DE TESIS: M. en C. OCTAVIO GONZÁLEZ CABALLERO 2016 Lourdes Texto escrito a máquina CIUDAD UNIVERSITARIA, CDMX UNAM – Dirección General de Bibliotecas Tesis Digitales Restricciones de uso DERECHOS RESERVADOS © PROHIBIDA SU REPRODUCCIÓN TOTAL O PARCIAL Todo el material contenido en esta tesis esta protegido por la Ley Federal del Derecho de Autor (LFDA) de los Estados Unidos Mexicanos (México). El uso de imágenes, fragmentos de videos, y demás material que sea objeto de protección de los derechos de autor, será exclusivamente para fines educativos e informativos y deberá citar la fuente donde la obtuvo mencionando el autor o autores. Cualquier uso distinto como el lucro, reproducción, edición o modificación, será perseguido y sancionado por el respectivo titular de los Derechos de Autor. Hoja de datos del jurado 1. Datos del alumno Rivera Benítez Mariana Beatriz 57432652 Universidad Nacional Autónoma de México Facultad de Ciencias Biología 303240884 2. Datos del tutor M. en C. Octavio González Caballero 3. Datos del sinodal 1 Dr. Ángel Salvador Arias Montes 4. Datos del sinodal 2 Dr. Víctor Manuel Chávez Avila 5. Datos del sinodal 3 Dr. Isaac Reyes Vera 6. Datos del sinodal 4 Biól. Wendy Rocío Juárez Pérez 7. Datos del trabajo escrito Regeneración in vitro de Strombocactus disciformis ssp. disciformis (De Candolle) Britton y Rose y S. disciformis ssp. esperanzae Glass y Arias. 79p 2016 La presente investigación se llevó a cabo en el Laboratorio de Cultivo de Tejidos Vegetales del Jardín Botánico del Instituto de Biología de la UNAM, bajo la dirección del Dr. Víctor Manuel Chávez Avila y con el apoyo económico de PAPIIT con el proyecto IT-200412 titulado “Regeneración in vitro y conservación de cactáceas mexicanas en peligro de extinción” Dedicatoria A Braulio Sánchez Rivera, porque eres lo más importante en mi mundo, por ser el sol que ilumina todos mis días desde que llegaste a mi vida, gracias por regalarme tu amor, cuando te miro siento que todo tiene sentido y que se puede ser feliz. No solo te quiero hijo, yo sé que tú eres el amor. Gerardo Rivera y Teresa Benítez por cada esfuerzo de cada día, gracias por todo el apoyo, comprensión, comida, hogar, regaños, abrazos, risas, palabras, por todo en mi vida! Los amo con todo mi ser, espero siempre corresponder a tanto amor, sin ustedes jamás habría llegado hasta aquí. Gracias a ustedes he aprendido a ser feliz. Octavio Caballero y Víctor Chávez grandes maestros, por toda la ayuda, confianza y comprensión, por ser ejemplo de dedicación e integridad. Por regalarme su amistad, porque sin tener que hacerlo han estado a mi lado en momentos difíciles, gracias por estos años de felicidad en el laboratorio, mi segundo hogar. Agradecimientos A la Universidad Nacional Autónoma de México y a la Facultad de Ciencias por abrirme sus puertas y brindarme conocimientos, experiencias y momentos memorables, para mi desarrollo y formación académica y personal. A cada uno de los integrantes del jurado por tomarse el tiempo para revisar y realizar las valiosas aportaciones a este trabajo: Al Dr. Ángel Salvador Arias Montes por su amabilidad y disposición para la revisión de mi escrito y por los acertados comentarios y observaciones. Al Dr. Víctor Manuel Chávez Avila por permitirme formar parte de esa gran familia que es el Laboratorio de Cultivo de Tejidos Vegetales, por su guía y apoyo a lo largo de mi estancia ahí, pero sobre todo por su amistad. Al M. en C. Octavio González Caballero director de este trabajo, por su paciencia y siempre disposición de aclarar mis dudas, por ser un excelente maestro y un gran amigo. Al Dr. Isaac Reyes Vera, por su hospitalidad en el Laboratorio de Cultivo de Tejidos en la UPAEP, y por tomarse el tiempo para el enriquecimiento de este trabajo. A la Biól. Wendy Rocío Juárez Pérez por sus valiosas observaciones en mi escrito, por su amabilidad y compañerismo. Al Biól. José Ángel Jiménez Rodríguez por sus valiosos comentarios a lo largo de la elaboración de este trabajo. Al pas. de Biól Pablo Gracidas Díaz por el material vegetal donado. A mis hermanos Beto, Lupe, Pepe y Diego, por todo el apoyo que siempre nos han dado a Brau y a mí, gracias por siempre estar cuando los necesito, los quiero. Muchas gracias Lupe porque eres uno de mis más grandes ejemplos de mujer. Gracias Beto por todo el cariño que siempre me demuestras. A mis sobrinos Itzel, Iván y Monse, mis tres cheches los amo, gracias por las risas, pláticas y juegos. A Claudia Ruz por darme felicidad con mis sobrinos y por ser mi amiga desde hace más de 20 años. A Jazmín de la Luz por el cariño que nos das a Brau y a mi. A toda la familia Santos Rivera, muy en especial a mis tios Luz Rivera y Erasmo Santos, los quiero mucho, gracias por estar simpre al pendiente de mi. A Carmen Hurtado a quien extraño cada día, nos faltó mucho por compartir, pero agradezco infinitamente el haberte conocido. A mi abuela Ángela Aguilar el más grande ejemplo de fuerza, la mujer más guerrera que he conocido, gracias por apoyarme desde siempre, te amo. A mi abuelo Francisco Rivera quien forma parte especial de los recuerdos más felices de mi infancia. A mis abuelos Asunción González y Jose Benítez por todos esos bonitos momentos en Capulines. A dos de mis personas favoritas, Jorge Hernández y Monserrat Peña mis hermanos del corazón, gracias por todo, por estar siempre presentes. A mis hermanitas de la Facultad, Angélica Hernández, Xcitalli González y Alejandra Márquez gracias por todo hermosas, agradezco a la vida el ponernos en el mismo camino. A mis maestros Julieta Sierra, Aurora Zlotnik, Iván Castellanos, Víctor López, Ernesto Velázquez, Gabriel Olalde, Leia Scheinvar y Octavio González por transmitirme su conocimiento y la pasión por el maravilloso mundo de la Biología. A la Biól. Bárbara Estrada por brindarme siempre tu ayuda y amistad, gracias por todos los buenos momentos. A mis amigos del Laboratorio de Cultivo de Tejidos Vegetales Wendy, Marisela y Paulina por ayudarme y compartir conmigo desde que llegué al Lab., gracias por sus consejos. Alejandra, Pablo, Mary y Alfonso grandes amigos, siempre apoyando, gracias por las platicas, risas, chismes y consejos. Oscar y Fernando los quiero mucho, gracias por ser esa linda pareja que siempre me hace reir. Héctor adémas de amigo eres un valioso compañero de trabajo, gracias por todo. Fátima, Silvia, Ester y Alex en poco tiempo he aprendido a quererlos mucho, gracias por siempre escucharme, darme consejos, ayuda y su invaluable amistad. Gracias a todos ustedes por formar parte importante de mis momentos más felices en mí paso por el Lab. cada uno representa algo especial para mi. Contenido ABREVIATURAS ............................................................................................................................. 1 RESUMEN ......................................................................................................................................... 2 I. INTRODUCCIÓN ..................................................................................................................... 3 A. ANTECEDENTES ...................................................................................................................6 Familia Cactaceae ..................................................................................................................... 6 Usos e importancia ................................................................................................................ 6 Problemas de conservación ................................................................................................ 11 Legislación ....................................................................................................................... 14 Propagación de cactáceas ................................................................................................... 16 Cultivo de Tejidos Vegetales (CTV) ...................................................................................... 18 Explantes .............................................................................................................................. 19 Medio de cultivo .................................................................................................................. 20 Reguladores de crecimiento vegetal (RCV) ...................................................................... 20 Auxinas ............................................................................................................................. 21 Citocininas ....................................................................................................................... 21 Respuestas morfogenéticas ................................................................................................. 22 Organogénesis .................................................................................................................. 22 Activación de yemas preformadas ................................................................................. 23 Embriogénesis somática .................................................................................................. 23 Problemas que se presentan en el CTV ................................................................................. 24 Oxidación ............................................................................................................................. 24 Hiperhidratación ................................................................................................................. 25 Cultivo de Tejidos Vegetales en la Familia Cactaceae ......................................................... 26 Strombocactus (De Candolle) Britton y Rose ........................................................................ 29 Clasificación taxonómica (Bravo-Hollis y Sánchez-Mejorada, 1991 .............................. 29 Strombocactus disciformis ssp. disciformis (DC) Britton y Rose ...................................... 30 Descripción botánica ....................................................................................................... 30 Hábitat .............................................................................................................................. 31 Strombocactus disciformis ssp. esperanzae Glass y Arias ................................................. 33 Descripción botánica ....................................................................................................... 33 Hábitat .............................................................................................................................. 34 Estatus, conservación y factores de riesgo ........................................................................ 36 B. JUSTIFICACIÓN ................................................................................................................... 38 C. OBJETIVOS ........................................................................................................................... 39 General ..................................................................................................................................... 39 Particulares .............................................................................................................................. 39 II. MATERIALES Y MÉTODOS ........................................................................................... 40 Material biológico ........................................................................................................................ 40 Desinfección y siembra................................................................................................................ 40 S. disciformis ssp. esperanzae .................................................................................................. 40 S. disciformis ssp. disciformis .................................................................................................. 41 Inducción morfogenética ............................................................................................................ 42 Lotes sin inducción morfogenética ............................................................................................. 44 III. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ......................................................................................... 45 Desinfección de las semillas ........................................................................................................ 45 Germinación in vitro de Strombocactus disciformis ssp. esperanzae. ....................................... 47 Germinación in vitro de Strombocactus disciformis ssp. disciformis. ....................................... 49 Respuestas morfogenéticas en Strombocactus disciformis ssp. esperanzae ............................ 53 Oxidación ................................................................................................................................. 53 Organogénesis Directa e Indirecta ......................................................................................... 54 Respuestas morfogenéticas en Strombocactus disciformis ssp. disciformis. ............................ 62 Hiperhidratación ......................................................................................................................... 65 IV. PERSPECTIVAS ................................................................................................................ 69 V. CONCLUSIONES ................................................................................................................... 70 VI. BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................. 72 1 ABREVIATURAS ANA Ácido -naftalenacético BA 6-Benciladenina CA Carbón Activado CITES Convención sobre el Comercio Internacional de Especies Amenazadas de Flora y Fauna Silvestre (The Convention on International Trade in Endangered Species of Wild Fauna and Flora) CTV Cultivo de Tejidos Vegetales MS Medio Nutritivo Murashige y Skoog (1962) MS 50% Medio Nutritivo Murashige y Skoog reducido al 50% de la concentración de sales inorgánicas NOM-059-SEMARNAT-2010 Norma Oficial Mexicana con el título: Protección ambiental, Especies Nativas de México de flora y fauna silvestres, Categorías de riesgo y especificaciones para su inclusión, exclusión o cambio y Lista de especies en riesgo PEG Polietilenglicol PROFEPA Procuraduría Federal de Protección al Ambiente PBZ Paclobutrazol RCV Reguladores de Crecimiento Vegetal UICN Unión Internacional para la Conservación de la Naturaleza (International Union for Conservation of Nature) UMA Unidad de Manejo Ambiental para la Conservación de la Vida Silvestre 2 RESUMEN Strombocactus disciformis ssp. disciformis y S. disciformis ssp. esperanzae son cactáceas endémicas de una pequeña región de México, están reconocidas por la NOM-059- SEMARNAT-2010 como amenazadas y como vulnerables por la lista roja de la UICN. Sonespecies altamente ornamentales apreciadas por los coleccionistas por lo que se incluyen en el apéndice I de la CITES. Por la importancia biológica y económica que tienen ambas subespecies se hace necesaria la generación de diversos sistemas para su propagación y conservación. Una alternativa para el estudio, propagación, conservación y aprovechamiento sustentable de especies de la Familia Cactaceae, es el empleo de Cultivo de Tejidos. En la presente investigación se logró el establecimiento aséptico in vitro de semillas de S. disciformis ssp. disciformis (97.4%) y S. disciformis ssp. esperanzae (87.5%). Para su germinación se sembraron en medio MS 50%, bajo dos condiciones de cultivo: fotoperiodo y oscuridad, obteniéndose un mayor porcentaje de germinación en fotoperiodo. Para ambas subespecies la germinación ocurrió de manera asincrónica, y se logró 57.5% de germinación para S. disciformis ssp. esperanzae y 85.5% para S. disciformis ssp. disciformis. Se exploraron las respuestas morfogenéticas utilizando para S. disciformis ssp. esperanzae (Lote I con RCV) en explantes laterales de tallo (L), plántulas sin raíz (P), raíces (R) y callos (C). El tratamiento 3 (0.5/3 mg/l ANA/BA) resultó el que regeneró mayor número de brotes (221 brotes/explante). Los explantes tipo C generaron el mayor número de brotes, en promedio 342 brotes por explante. Se obtuvo respuesta morfogenética (organogénesis vía directa e indirecta) en plántulas de S. disciformis ssp. disciformis (741 brotes en el lote I y 325 en el lote II sin RCV) y S. disciformis ssp. esperanzae (Lote II sin RCV) 381 brotes. La hiperhidratación fue un problema frecuente en los cultivos de ambas subespecies, el uso de PEG (25 g/l) favoreció la consolidación de los brotes, notándose un cambio de color, en la compactación de los tejidos y en la disminución de la apariencia hiperhídrica, se logró 76.2% de los brotes con hiperhidratación baja. Esta investigación es de gran importancia pues demostró el potencial morfogenético de ambas subespecies, y contribuyó al conocimiento, conservación y aprovechamiento sustentable de éstas y otras cactáceas. 3 I. INTRODUCCIÓN La Familia Cactaceae constituye un grupo natural originario del continente Americano, que comprende cuatro subfamilias de plantas perennes: Pereskioideae, Maihuenioideae, Opuntioideae y Cactoideae (Anderson, 2001). Arias et al. (2012) han estimado que la familia incluye cerca de 126 géneros y más de 1900 especies, siendo México, Argentina, Bolivia, Brasil y Perú los países donde se encuentra el mayor número de especies. Como bien se puede advertir, los seres vivos se distribuyen regulados por factores naturales (Arias, 1993). En particular esta familia se ha diversificado en diferentes climas y tipos de vegetación como las regiones tropicales, subtropicales, templadas y frías, la mayor diversidad está distribuida en zonas áridas y semiáridas (Rzedowski, 1991). México cuenta con una amplia diversidad de estos tipos de vegetación, y la Familia Cactaceae está representada en todos ellos (Tabla 1). Tabla 1. Relación porcentual aproximada de los géneros de cactáceas presentes en México en función de los principales tipos de vegetación (Tomado de Arias, 1993). Principales tipos de vegetación Aprox. en el territorio nacional (%) Número de géneros % de géneros Matorrales xerófilos 45 39 34 Bosques de coníferas y encinos 21 7 6 Bosques mesófilos de montaña 1 4 3 Bosques tropicales perennifolios 11 6 5 Bosques tropicales subcaducifolios caducifolios y espinosos 17 24 21 4 Dada la gran representatividad de las cactáceas en el territorio nacional, se ha derivado que desempeñen un papel muy importante no solo desde el punto de vista biológico, sino desde la perspectiva social y económica (Benítez y Dávila, 2002). Sin embargo, el uso indiscriminado de las cactáceas ha amenazado su sobrevivencia en estado silvestre y ha motivado que en nuestro país se haya recomendado su protección desde 1930, sin resultados positivos, ya que el estatus de muchas especies se ha agravado, no obstante que existen leyes para su protección, éstas pocas veces se cumplen y no se ha observado que exista una rigurosa y constante actividad de protección para estos organismos. Se ha incluido a las cactáceas en listados para su protección a nivel nacional e internacional, tales como la NOM-059-SEMARNAT-2010, la lista roja de la UICN y la CITES. Además de estos listados que se encargan de indicar la categoría de riesgo en la que se encuentran las especies y de emitir recomendaciones para su aprovechamiento sustentable y protección en el medio silvestre, también existen esfuerzos en cuanto a su propagación. La propagación masiva de cactáceas mexicanas en riesgo de extinción es una alternativa para su conservación, puede llevarse a cabo mediante semillas, hijuelos, injertos y por medio de técnicas biotecnológicas como el cultivo de tejidos (Reyes, 1994). El cultivo de tejidos vegetales representa una alternativa para el estudio, conservación y propagación de plantas en peligro de extinción, al presentar ventajas como la rápida multiplicación bajo condiciones controladas, la obtención de plantas libres de patógenos, una propagación masiva a partir de poco material vegetal y en periodos de tiempo reducidos (Fay, 1993; Rubluo et al, 1993; Gómez, 2008; González, 2008). Strombocactus disciformis es endémica de una pequeña región de México, está catalogada como amenazada por la NOM-059-SEMARNAT-2010 y como vulnerable en la lista roja de la UICN. Se cuenta con evidencia sobre su vulnerabilidad por actividades humanas, como pastoreo, extracción de materiales para construcción y saqueo para venta como plantas de ornato (Anderson et al., 1994; Benítez y Dávila, 2002; Gómez-Hinostrosa et al., 2013). Además se incluye en el Apéndice I de la CITES. Sin embrago su propagación es limitada, y solo se sabe de algunos viveros en Alemania, República Checa, Italia y Suiza. Mientras que en México hasta el año 2000 solo se propagaba en 2 jardines botánicos (Sánchez, 2006). 5 Por la importancia biológica y económica que tiene esta especie y en general la Familia Cactaceae, se hace necesario su estudio para la generación de diversos sistemas de propagación, adquiriendo una gran importancia como alternativas potenciales para su conservación y aprovechamiento sustentable (Fay, 1993; Reyes, 2007). La presente investigación contribuyó con el estudio de la propagación in vitro, conservación y aprovechamiento sustentable de Strombocactus disciformis ssp. disciformis y S. disciformis ssp. esperanzae. 6 A. ANTECEDENTES Familia Cactaceae México es actualmente el país con mayor diversidad de cactáceas ya que se valora que a nivel nacional cuenta con aproximadamente 1900 especies repartidas en 126 géneros (Arias et al., 2012). Además de esta gran diversidad existe un alto grado de endemismo a nivel genérico y especifico, 40% y 79% respectivamente (Guzmán et al., 2003), mientras que Hernández y Godínez (1994) reportaron que el 73% de los géneros y 78% de las especies de la familia son exclusivas del territorio nacional. La familia de las cactáceas es una de las más fascinantes principalmente por las adaptaciones evolutivas que ha adquirido como: presentar tejidos de almacenamiento (parénquima) muy desarrollados para conservar agua y nutrientes en sus tallos; atrofia de sus hojas y transformación en espinas para su protección contra depredadores y para producir sombra y protección al tallo reflejando los rayos solares; sus raíces crecen extendiéndose alrededor de la planta a poca profundidad, algunas de éstas son tuberosas, grandes y almacenan agua; los tallos presentan cutícula gruesa e impermeable que evita la pérdida de agua por transpiración; presentan también epidermismúltiple con tricomas y desarrollo de tejido medular y cortical con células de mucilago (Fernández, 2014). La característica más distintiva es la presencia de areolas en sus tallos y a veces en sus flores y frutos, las cuales son zonas meristemáticas que dan origen a nuevos tallos, flores, espinas y tricomas (Bravo- Hollis y Scheinvar, 1995; Hunt, 1999). Además de ser ornamentales por las variadas formas de sus tallos y espinas y los diversos colores en sus flores. Usos e importancia En México, uno de los grupos de plantas con más usos, es el de la Familia Cactaceae (Tabla 2). Hay reportes de su uso y aprovechamiento desde la época prehispánica tal es el caso de Opuntia spp., Echinocactus platyacanthus, Escontria chiotilla, Ferocactus latispinus, Myrtillocactus geometrizans, Pachycereus weberi y Stenocerus stellatus que entre 7 otras especies fueron parte de la dieta las diferentes culturas (Casas, 2002). Diversas especies se manejaron con fines medicinales, mágico-religiosos y ornamentales debido a sus formas extrañas y flores vistosas (Bravo-Hollis, 1978). La importancia de las cactáceas en la historia de las culturas mesoamericanas puede apreciarse en la Historia Natural y General de las Indias de Gonzalo Fernández de Oviedo y Valdés, el Códice De la Cruz-Badiano, el Códice Florentino, los libros de Francisco Hernández y las Relaciones Geográficas del Siglo XVI (Casas, 2002). Cabe recalcar la importancia del uso de tallos, frutos e incluso de flores como fuente de alimento humano, que probablemente es el uso más común desde los antiguos pobladores de México hasta nuestros días. Algunas especies por ejemplo tienen un uso medicinal o son fuente de materias primas para la construcción (Alanísy Velazco, 2008). Otras han llegado a tener un significado divino, y aun en la actualidad se usan en ceremonias religiosas o algunos ritos, creencias y costumbres de algunos grupos étnicos, tal es el caso del peyote, Lophophora williamsii y Ariocarpus retusus para los Huicholes de Wirikuta o A. fissuratus y Epithelantha micromeris para los Tarahumaras (Batis y Rojas, 2002; Calderón, 2007; Alanís y Velazco, 2008). Además de los usos antes mencionados las cactáceas se han utilizado con otros fines como cercas vivas, fijadoras de suelo para evitar la erosión, como fuente de forraje, fuente de mucilagos, gomas y pectinas (Tabla 2) (Bravo-Hollis y Scheinvar, 1995; Alanís y Velazco, 2008). En el centro del país se acostumbra comer nopales como verdura fresca, su venta genera anualmente más de 8 millones de dólares. El 6% del total de frutos consumidos por mexicanos está representado por tunas reinas, blancas o xoconostles (Mandujano et al., 2002). En la actualidad el fruto y el tallo de muchas de estas especies complementan la subsistencia y el ingreso monetario de muchas localidades (Reyes, 2007). 8 Tabla 2.Uso de algunas especies de la Familia Cactaceae (Tomado de Alanís y Velazco, 2008; Batis y Rojas, 2002; Benítez y Dávila, 2002; Casas, 2002; Bárcenas, 2006 y Sánchez, 2006). Especie Uso Parte utilizada Ariocarpus fissuratus Medicinal (analgésico, antipirético) Bebida alcohólica Ornamental Planta completa Planta completa A.kotschoubeyanus Medicinal (analgésico) Pegamento Ornamental Tallo Mucilago Planta completa A. retusus Alucinógeno Ornamental Tallo Planta completa Astrophytum ornatum Ornamental Planta completa Aztekium ritteri Ornamental Planta completa Backebergia militaris Ornamental Alimenticio Textil Forraje Planta completa Fruto Cefalio Cephalocereus apicicephalium Alimenticio Forraje Frutos Tallos C. senilis Ornamental Planta completa Coryphanta erecta Alimenticio Fruto C. macromeris Alucinógeno Echinocactus grusonii Ornamental Planta completa E. platyacanthus Alimenticio (dulce de acitrón) Tallo Epithelantha micromeris Narcótico (estimulante) Alimenticio Tallo Fruto Ferocactus histrix Alimenticio (dulce de acitrón) Tallo y fruto Hylocereus undatus Alimenticio Fruto 9 Tabla 2.Continuación. Lophophora williiamsii Medicinal (hemático, estimulante cardiaco, analgésico, para tratar influenza, diabetes, artritis, desórdenes intestinales, mordedura de serpiente y picadura de alacrán) Alucinógeno Tallo Myrtillocactus geometrizans Alimenticio Bebida alcohólica Cercas vivas Tallo y fruto Planta completa Neobuxbaumia tetetzo Alimenticio Construcción Forraje Tallo, fruto y semillas Nopalea sp. Alimenticio Fruto Opuntia sp. Alimenticio Medicinal Forraje Tallo y fruto Pachycereus grandis Alimenticio Forraje Fruto y semillas Tallo P. marginatus Alimenticio Medicinal Forraje Cercas vivas Fruto Planta completa P. pecten-aboriginum Alimenticio (miel, aderezo) Bebida alcohólica Medicinal (analgésico, antiinflamatorio, curar úlceras gástricas) Leña Tallo y semillas Tallo Tallo Tallo 10 Tabla 2.Continuación. Stenocereus stellatus Alimenticio Bebida alcohólica Forraje Cercas vivas Leña Tallo, fruto y semillas Strombocactus disciformis Ornamental Planta completa Turbinicarpus spp. Ornamental Alucinógeno Medicinal Planta completa Por otro lado la importancia a nivel biológico y ecológico de la Familia Cactaceae radica en muchos aspectos, algunos tales como brindar oxígeno al medio, ser una alternativa para evitar la degradación de suelos deforestados, la interacción con otras especies como sitios de anidamiento de diversas especies de aves y mamíferos debido a la protección que brindan y como fuente de alimento (Bustamante y Búrquez, 2005; Ronquillo, 2009; Yañez, 2011). Hernández (1991) mencionó que la dieta principal de Lepus californicus (liebre) la constituía Opuntia lindheimeri mientras que para Spermophilus spilosoma (ardilla de tierra) y Bassariscus astutus (cacomixtle) la principal fuente de alimento era Myrtillocactus geometrizans, ingiriendo también, pero en menor medida, otras cactáceas como Stenocereus griseus, Opuntia imbricata y Opuntia leptocaulis. Algunas cactáceas columnares proveen de recursos alimenticios a grandes poblaciones de murciélagos, aves e insectos al consumir su néctar, polen y frutos, además de servir de refugio a animales que utilizan su sombra y sus ramas. Estas interacciones positivas contribuyen al mantenimiento de las especies y promueven la diversidad en los ecosistemas que ocupan (Bustamante y Búrquez, 2005), por ejemplo están las interacciones planta- polinizador que hay entre las flores de los géneros Carnegiea, Pachycereus, Pilosocereus y Stenocereus que poseen rasgos morfológicos y funcionales asociados claramente a la 11 polinización por murciélagos, siendo éstos sus principales polinizadores. En los casos de C. gigantea y S. thurberi también atraen abejas, mariposas nocturnas, colibríes y otras aves; en algunos casos, la relación suele ser muy estrecha, como en el caso de Pachycereus schottii que es polinizada exclusivamente por una palomilla (Upiga virescens), menos frecuente en cactáceas columnares son las flores con rasgos que favorecen la polinización por abejas (melitofilia), algunos géneros que presentan este síndrome son Escontria, Myrtillocactus y Polaskia (Bustamante y Búrquez, 2005). Problemas de conservación De entre los usos antes mencionados que se les da a las cactáceas uno que ha ejercido mayor presión sobre sus poblaciones naturales ha sido el de ornato, lo que ha provocado que estén amenazadas por una colecta excesiva (Reyes, 2007). Arias (1993) menciona tres principales causas que ponen en peligro la distribución, abundancia y estabilidad de las poblaciones de dicha familia: 1) la sobrecolecta del recurso, principalmente de aquellas especies con morfología particular y de dimensiones pequeñas. Esta sobrecolecta se presentódesde poco tiempo después del descubrimiento de América, y sigue presente en la actualidad y particularmente a partir de la segunda guerra mundial, cuando la afición por estas plantas se extendió a países europeos, Japón y E.U.A. El mercado internacional se ha abastecido principalmente por medio de la extracción ilegal de ejemplares de su hábitat natural. 2) Destrucción y modificación del hábitat, este es el segundo factor en importancia y son cinco las variables detectadas: desmontes con fines agrícolas, sobrepastoreo, apertura de vías de comunicación y ductos, erosión del suelo e inundación de zonas por embalses. 3) Factores naturales dentro de los que destacan problemas de germinación, reproducción, establecimiento y depredación, entre otros. Las cactáceas son plantas de lento crecimiento y con ciclos de vida largos y que habitan sitios con condiciones edáficas especificas (Godínez et al., 2003; Álvarez et al., 2004). Presentan bajas tasas de reclutamiento, poblaciones con baja densidad y patrones de distribución restringidos, lo que ha propiciado altos niveles de endemismo, haciéndolas vulnerables a diversos factores de perturbación (Godínez et al., 2003). 12 La mayoría de las especies que se encuentran amenazadas se caracterizan por presentar una distribución geográfica restringida y poblaciones pequeñas (Álvarez, 2003). Por su parte Godínez (2008) menciona entre las principales causas además de la sobrecolecta, factores como cambios de uso de suelo a uso extensivo agrícola o la creación de nuevas carreteras, la construcción de presas, vías para cables de electricidad y teléfono, urbanización, ganadería y los drásticos cambios en el ambiente lo que han provocado la disminución en las poblaciones naturales. Chávez et al. (2007) documentaron factores de amenaza para cactáceas del Semidesierto Queretano y encontraron que también además del saqueo, otros factores como la hervivoría por parte del ganado dañan especies como Echinocactus platyacanthus y Astrophytum ornatum, hasta en el 85% de sus poblaciones; la destrucción del hábitat por extracción de leña causa daños en el 30% de las localidades estudiadas; el sobrepastoreo contribuye de manera significativa en la destrucción de la cubierta vegetal en el 20% de estas localidades y en menor medida registraron consecuencias graves al cambio de uso de suelo para la agricultura, construcción de nuevas viviendas y apertura de bancos de materiales y caminos. Cabe mencionar que la sobrecolecta del recurso ha tenido y sigue teniendo la principal importancia dentro de los problemas de conservación que persiguen a las cactáceas. Se sabe que este grupo ha sido el blanco de un intenso saqueo ilegal tanto de plantas como de semillas, para satisfacer el mercado internacional. En 1979, Hernando Sánchez-Mejorada reportó que se confiscaron alrededor de 6000 ejemplares entre ellos varias especies amenazadas de extinción y otras bastantes raras y de alto valor comercial, tales como: Obregonia denegrii, Ariocarpus trigonus, A. retusus, Mammillaria lasiacantha, M. lauii, M. rhodantha y varias especies de Ferocactus, Echinocereus y Astrophytum. Otro caso se dio en marzo de 1986 en Estados Unidos de América, donde se confiscaron más de 200 ejemplares de cactáceas mexicanas ilegalmente introducidas a dicho país, las cuales pertenecían a tres coleccionistas y comerciantes de cactáceas, y dentro de las que se incluían 96 ejemplares de Aztekium ritteri, 50 de Ariocarpus agavoides, 21 de Pelecyphora strobiliformis y varios ejemplares más de otras seis especies (Sánchez-Mejorada, 1987). Se estima que de 1977 a 1984 se exportaron ilegalmente a los Estados Unidos 289 mil ejemplares de cactáceas (Arias, 1993). En 1998 se decomisaron alrededor de 800 cactáceas a viajeros que ingresaron a Estados Unidos desde 13 México, en 2003 se reportó el decomiso de 1180 ejemplares en puertos de EUA y 240 en el Aeropuerto Internacional de la Ciudad de México (CCA, 2005; Naranjo y Dirzo, 2009). A nivel mundial se comercian ilegalmente entre 7 y 8 millones de cactáceas al año, con un valor de mercado que va de 2 a 2 mil dólares por unidad (CCA, 2005). Por otro lado Montaño et al. en 1993 realizaron un análisis de catálogos de algunas empresas extranjeras comercializadoras de plantas, las cuales incluían cactáceas dentro de sus listas de plantas y/o semillas, y en el cual se percataron de lo siguiente: 1. Empresas extranjeras comercializan plantas y semillas de cactáceas mexicanas. 2. Empresas extranjeras demandan plantas y semillas de cactáceas mexicanas 3. Empresas extranjeras ofrecen sin problemas, semillas de cactáceas colectadas en México 4. Empresas extranjeras colectan “per se” o pagan a mexicanos o extranjeros que colecten semillas y plantas dentro de territorio mexicano. A partir de una investigación por medio de la búsqueda vía internet, se comprobó la existencia de 19 proveedores internacionales pertenecientes a 8 países en los que se anunciaban en venta, cactáceas mexicanas, se registraron 531 pertenecientes a diversos géneros (Tabla 3) (Benítez y Dávila, 2002). Tabla 3. Géneros más comunes de especies de cactáceas mexicanas que son anunciadas para venta en internet (Tomado de Benítez y Dávila, 2002). Acanthocereus Epithelantha Neoevansia Acharagma Escobaria Neolloydia Ancistrocactus Escontria Obregonia Aporocactus Ferocactus Opuntia Ariocarpus Geohintonia Ortegocactus Astrophytum Glandulicactus Pachycereus Aztekium Grusonia Pelecyphora Bartschella Hylocereus Peniocereus 14 Tabla 3. Continuación. Carnegiea Leuchtenbergia Pereskiopsis Cephalocereus Lophocereus Pilosocereus Coryphantha Lophophora Polaskia Cylindropuntia Mammillaria Rhipsalis Disocactus Mammilloydia Selenicereus Echinocactus Marginatocereus Stenocactus Echinocereus Melocactus Stenocereus Echinomastus Mitrocereus Strombocactus Encephalocarpus Myrtillocactus Thelocactus Epiphyllum Neobuxbaumia Turbinicarpus Wilcoxia Los precios que se llegan a pagar por un ejemplar alcanzan magnitudes realmente impresionantes; en 1994, por ejemplo, compradores japoneses ofrecían dos mil dólares por un ejemplar de Geohintonia mexicana o de Aztekium hintonii. Estas situaciones han llevado al desarrollo de una compleja red de comercio ilegal que ha afectado de manera determinante las poblaciones naturales y ha colocado a muchas especies en situación de riesgo (Becerra, 2000). A pesar de que en la actualidad es más clara la idea sobre las medidas de protección a los ambientes silvestres, el saqueo ilegal se sigue llevando a cabo, principalmente para satisfacer el mercado internacional. Se ha estimado que más de 50 000 ejemplares silvestres de cactáceas son exportadas anualmente de nuestro país y menos del 1% son reportadas como propagadas (Oldfield, 1997). Legislación Aunado a lo anterior, la notable diversidad de la familia y el número de endemismos hace que se trate de uno de los grupos más amenazados de plantas superiores, lo cual se refleja en 15 el número de especies con algún grado de amenaza incluidas en los listados de la IUCN y la NOM-059-SEMARNAT-2010 que indican en qué categoría de riesgo se encuentran tanto a nivel nacional como internacional, por otro lado la CITES enumera a las especies con la finalidad de regular su comercio a nivel mundial (Tabla 4) (Arias et al., 2005). La NOM-059-SEMARNAT-2010 tiene por objeto identificar las especies o poblaciones de flora y fauna silvestres en riesgo en la República Mexicana, así como establecer los criterios de inclusión, exclusión o cambio de categoría de riesgo para las especies o poblaciones, mediante un método de evaluación de su riesgo de extinción (DOF, 2010). En la actualidad encontramos 285 especies de cactáceas dentro de alguna de las categorías de riesgo de la Norma Oficial Mexicana. La UICN es una unión democráticaque reúne a más de 1,000 organizaciones. La lista roja de la UICN es el inventario más completo del estado de conservación de las especies de animales y vegetales a nivel mundial. Actualmente en la lista roja de la UICN se encuentran 1477 especies de cactáceas en las distintas categorías, entre las que se encuentran 133 endémicas de México (http://www.iucnredlist.org/). La CITES es un organismo encargado de regular a nivel internacional el comercio y tráfico ilegal de las especies silvestres de animales y plantas amenazadas de extinción, así como promover la conservación y el aprovechamiento sustentable de la vida silvestre. A nivel internacional la CITES es administrada por la Organización de las Naciones Unidas (ONU) y en ella se cuenta con la participación de 173 países. En el Apéndice I se ampara a las cactáceas en peligro de extinción, y su comercio se autoriza solamente bajo circunstancias excepcionales, en dicho apartado se hallan especies pertenecientes a los géneros: Ariocarpus, Astrophytum, Aztekium, Coryphanta, Disocactus, Echinocereus, Escobaria, Mammillaria, Melocactus, Obregonia, Pachycereus, Pediocactus, Pelecyphora, Sclerocactus, Strombocactus, Turbinicarpus y Uebelmannia. En el Apéndice II se incluyen a las especies que no se encuentran necesariamente en peligro de extinción, pero cuyo comercio debe ser controlado para evitar la utilización incompatible con su supervivencia. En este Apéndice se encuentra el resto de las cactáceas mexicanas. 16 Tabla 4. Algunas especies incluidas en listados de protección nacionales e internacionales. Especie NOM CITES UICN Ariocarpus bravoanus P I En A. kotschoubeyanus A I Nt Astrophytum asterias P I Vu Aztekium hintonii Pr II Nt Backebergia militaris Pr I Vu Echinocactus grusonii P II En Leuchtenbergia principis A II Lc Lophophora diffusa A II Vu L. wiliiamsii Pr II Vu Mammillaria bombycina Pr II Vu M. carmenae P II Cr M. herrerae P II Cr M. hernandezii Pr II En M. sanchez-mejoradae P II Cr M. theresae A II Cr Strombocactus disciformis A I Vu Turbinicarpus laui Pr I Vu T. pseudopectinatus Pr I Vu P – En peligro de extinción; En – En peligro; A – Amenazada; Nt – Casi amenazada; Vu – Vulnerable; Pr – Sujeta a protección especial; Lc – Preocupación menor; Cr – En peligro crítico. Propagación de cactáceas De manera general en el caso de las cactáceas, se han realizado esfuerzos para protegerlas, tanto en su hábitat, como fuera del mismo, a lo que se denomina conservación in situ y conservación ex situ respectivamente. En estas acciones destaca el trabajo realizado por Jardines Botánicos, y la creación de centros de propagación y distribución de cactáceas tales como UMAS o viveros comerciales como medidas que ayudan a disminuir la presión de colecta sobre las poblaciones naturales (Becerra, 2000). La conservación in situ incluye la 17 creación de Áreas Naturales Protegidas (ANP) que son sitios naturales en los que se registra una gran diversidad biológica y en las que se realizan tareas para su protección. La Comisión Nacional de Áreas Naturales Protegidas administra actualmente 176 áreas naturales de carácter federal que representan más de 25,394,779 hectáreas (CONANP, 2014). La conservación ex situ engloba la creación de Jardines Botánicos, Zoológicos, Viveros, Bancos de Germoplasma, Unidades de Manejo Ambiental para la Conservación de la Vida Silvestre (UMA), entre otras y se encargan del mantenimiento de diversas especies fuera de su hábitat para favorecer su conservación (Pérez, 2015). La actual y constante degradación de los ecosistemas naturales donde se distribuyen y crecen las cactáceas, además de la presión sobre sus poblaciones hacen urgente implementar programas de manejo y propagación para esta familia. Contar con métodos eficientes de reproducción de estas especies es de vital importancia para asegurar su conservación (Cox, 1997; Mandujano et al., 2002; Chávez et al., 2007; González, 2008). Entre los métodos tradicionales de propagación aplicados a las cactáceas se encuentran la siembra directa por semilla, la reproducción por hijuelos, por esquejes o por injertos intergénericos o interespecíficos, sin embargo la propagación a través de estos métodos puede llevar mucho tiempo (Gómez, 2008; Yáñez, 2011). La propagación de cactáceas por semilla es insuficiente para cubrir la demanda debido a su limitada producción, disponibilidad y viabilidad; tampoco es suficiente la propagación vegetativa convencional en vista de que algunas especies silvestres con desarrollo monopodial como Strombocactus disciformis, presentan poca o nula producción de hijuelos y crecimiento lento (Mandujano et al., 2002; Trejo et al., 2005; Alanís y Velazco, 2008). Debido a los problemas de conservación que han venido sufriendo las cactáceas, se ha estimulado el interés en desarrollar investigaciones que permitan la recuperación de las especies afectadas de manera rápida e incrementar el número de individuos por un lado para su reincorporación a su ambiente natural o para su comercio legal y así disminuir la presión de colecta a las que están sometidas las plantas en sus ambientes naturales. 18 Una de las alternativas más eficaces en los últimos 30 años, ha sido la aplicación del cultivo de tejidos vegetales que ha probado ser eficiente en la propagación de plantas en poco tiempo, incluidas aquellas que se encuentren en peligro de extinción (Zamora, 2007; Gómez, 2008; González, 2008). Cultivo de Tejidos Vegetales (CTV) El Cultivo de Tejidos Vegetales consiste en aislar una porción de planta (explante) y proporcionarle artificialmente las condiciones físicas y químicas apropiadas para que las células expresen su potencial intrínseco o inducido. Es necesario además adoptar procedimientos de asepsia para mantener los cultivos libres de contaminación microbiana (Roca y Mroginski, 1993; FAO, 2010). El CTV se basa en la totipotencialidad celular que a su vez se apoya en la teoría celular postulada en el año de 1839 por Schwann y Schleiden. En 1902 Haberlandt (1938; citado por Flores, 2007) retomó la teoría anterior y estableció que “si el ambiente y la nutrición del cultivo celular es manipulado, estas células podrían recapitular la secuencia de desarrollo de una planta con un crecimiento normal”, marcando la pauta para la micropropagación de plantas. El CTV es una ciencia (George et al., 2008) que se basa en la totipotencialidad celular y en la que se han establecido un conjunto de técnicas que hacen posible dividir un organismo en sus bloques constituyentes y cultivarlos asépticamente in vitro en condiciones controladas, pudiendo variar las condiciones de cultivo y/o tipo de explante para dirigir las respuestas morfogenéticas y biosintéticas de las células, logrando una gran variedad de objetivos (Chávez, 1993). Los objetivos al utilizar el CTV son en resumen: a) estudios básicos de fisiología, genética y bioquímica; b) producción de compuestos útiles en la industria, medicina etc; c) plantas transformadas genéticamente; d) obtención de plantas libres de patógenos; e) propagación masiva de plantas; y f) conservación e intercambio de germoplasma (Roca y Mroginski, 1993). 19 Muchas de las respuestas morfogenéticas de los tejidos están determinadas por el tipo y concentración de los reguladores de crecimiento vegetal (Chávez, 1993; Razdan, 2003; Gómez, 2008; González, 2008). Sin embargo es claro que todas las variables determinan esta respuesta, ya sean los reguladores de crecimiento, los explantes, el tipo de medio de cultivo, las condiciones de incubación, entre otras. Explantes Se le denomina explante a las porciones de tejido que se emplean para iniciar los cultivos in vitro. Dicho tejido puede provenir de cualquier parte de la planta como la raíz, tallo, hojas, flores, frutos, semillas y granos de poleno incluso ser solamente células aisladas (George, 2008). La elección de un explante apropiado constituye el primer paso para el establecimiento de los cultivos, la selección de la parte de la planta de la cual se obtendrán los explantes está determinada por el objetivo perseguido, el tipo de cultivo que se inicie y la especie vegetal utilizada (Roca y Mroginski, 1993; George, 2008). Una de las cuestiones más importantes en cuanto al explante es su edad fisiológica, ya que determina el tipo y la velocidad de la respuesta morfogenética (Roca y Mroginski, 1993). Tejidos más jóvenes pueden presentar mayor capacidad de diferenciación en comparación con tejidos maduros (Robert y Loyola, 1985; Ronquillo, 2009). En general factores como el tamaño del explante, el genotipo y el estado fisiológico de la planta también se deben tener en cuenta para el establecimiento de los cultivos (Abdelnour-Esquivel y Escalant, 1994). Los explantes de mayor tamaño tienen algunas ventajas en comparación con los más pequeños, como una mejor capacidad de sobrevivir la transferencia a las condiciones in vitro, iniciar rápidamente el crecimiento y contener más yemas axilares (en algunos casos). Sin embargo, cuanto mayor sea el tamaño del explante, más difícil será el establecimiento aséptico. Se recomienda que el tamaño utilizado sea el más grande que puede ser establecido en condiciones asépticas (George y Debergh, 2008). 20 Medio de cultivo Los explantes utilizados necesitan de un medio de soporte artificial, que además provean los nutrientes requeridos para el crecimiento y desarrollo de las nuevas plantas. El medio de cultivo usualmente consiste en una solución en la que se encuentran elementos esenciales como micronutrientes y macronutrientes, en combinación con diversas vitaminas y aminoácidos que pueden ser opcionales, además de una fuente de energía (por lo general sacarosa) y en algunos casos, agentes gelificantes para darle el soporte a las células (George, 2008). Reguladores de crecimiento vegetal (RCV) Las hormonas vegetales o fitohormonas son moléculas orgánicas que se producen de manera natural en las plantas, los RCV se han sintetizado artificialmente para simplificar su uso y son agregadas al medio de cultivo para que actúen de manera exógena, se utilizan con el fin de iniciar, terminar, acelerar o desacelerar los procesos vitales de las plantas (Rojas y Ramírez, 1993; Razdan, 2003; Machakova et al., 2008). Estos RCV actúan a concentraciones muy bajas y son capaces de modificar el crecimiento y las respuestas morfogenéticas en los tejidos vegetales (George, 2008). La concentración y combinación de los RCV tienen un papel muy importante en la propagación, regulan, ya sea inhibiendo, promoviendo o modificando algún proceso fisiológico (Chávez, 1993; Gómez, 2008). En la mayoría de los casos es necesario agregar al medio de cultivo, sustancias artificiales reguladoras del crecimiento, generalmente del tipo de las auxinas o las citocininas que son las más importantes en el crecimiento y la morfogénesis en el cultivo de tejidos y órganos vegetales (Chávez, 1993; Roca y Mroginski, 1993; Martínez, 2003; Razdan, 2003; Machakova et al., 2008). 21 Auxinas Las auxinas son compuestos orgánicos, se sintetizan de manera natural a partir del triptófano principalmente en ápices de tallo, en órganos inmaduros como ramas y hojas jóvenes, embriones y en general en los meristemos (Rojas y Ramírez, 1993; Salisbury y Ross, 2000). Promueven y participan en procesos como el crecimiento, la división y la expansión celular, mantienen la dominancia apical, estimulan la formación y el alargamiento de las raíces así como la síntesis de pared celular. Tienen efectos en la elongación de la pared celular, crecimiento, síntesis de RNA y de las proteínas, metabolismo y en el transporte de nutrientes (Rojas y Ramírez, 1993; Zamora, 2007; Gómez, 2008;). Participan promoviendo la división celular para la formación de agregados celulares (callos) o diferenciando tejidos y órganos (Díaz, 2007). Las auxinas se utilizan con mucha frecuencia en la micropropagación, solas o en combinación con citocininas y se ha observado que inducen la formación de raíces en los brotes resultantes. Entre las que más se utilizan en el establecimiento de los cultivos son: ácido 2,4-diclorofenoxiacético (2,4-D), ácido -naftalenacético (ANA), ácido indol-3- acético (AIA) y ácido indol-3-butírico (AIB) (Roca y Mroginski, 1993; Gaspar et al., 1996; Zamora, 2007). Citocininas Las citocininas son derivados de la adenina, y de manera endógena se sintetizan en tejidos jovenes principalmente en las raíces siendo transportadas por el xilema hacia las hojas y los tallos (Rojas y Ramírez, 1993; Salisbury y Ross, 2000). Los efectos fisiológicos de las citocininas sobre las plantas son la activación de la división celular, síntesis de proteínas, rompimiento de la dominancia apical, retardo de la senescencia de los tejidos y órganos e intervienen en la diferenciación y desarrollo de los cloroplastos (Salisbury y Ross, 2000; Staden et al., 2008). 22 En el CTV tienen la función de romper la latencia de los meristemos laterales y promover la formación de brotes al adicionarlas al medio. Auxinas en combinación con citocininas pueden desarrollar callo debido a que inducen la división celular (Rojas y Ramírez, 1993; Razdan, 2003; Zamora, 2007). Se pueden usar para inhibir el desarrollo de raíces laterales, romper la latencia de las yemas axilares, promover la organogénesis en los callos, promover el desarrollo y diferenciación de los cloroplastos (Rojas y Ramírez, 1993; Gaspar et al., 1996; Salisbury y Ross, 2000). Las citocininas que se emplean con mayor frecuencia son: Benciladenina (BA), Kinetina (K), N-6 dimetilalilaminopurina (2iP) y Zeatina (Z) (Roca y Mroginski, 1993; Gaspar et al., 1996; Zamora, 2007). Respuestas morfogenéticas Al inducir la respuesta morfogenética de los cultivos, en un medio con reguladores de crecimiento se puede promover el desarrollo de órganos o de embriones somáticos de manera directa o indirecta. De forma indirecta, primero se pasa por una fase en la que una masa compuesta de células que no están organizadas ni especializadas y las cuales se encuentran en división activa, a esta acumulación de células se le conoce como callo, mientras que en la morfogenesis directa no hay formación de callo (Chawla,2003). Organogénesis La organogénesis es un evento morfogenético que involucra la formación de órganos, principalmente de brotes, los cuales pueden formarse directamente del explante, o pueden pasar por una fase de callo (Gahan y George, 2008), se distinguen entonces dos tipos: 23 a) Organogénesis directa Es la formación de brotes y/o raíces directamente del explante inicial, sin formación de callo, la ausencia de callo en los explantes genera una mayor posibilidad de que los brotes producidos sean idénticos genéticamente a la planta madre, siendo por esto un medio de propagación comercial para llevar a cabo una propagación clonal (Flores, 2007). Este evento morfogenético se caracteriza por su desarrollo unipolar, y por la existencia de una conexión vascular persistente entre los brotes y el tejido de origen (Jiménez, 2001). b) Organogénesis indirecta En esta vía existe una desorganización de las células del explante inicial (formación de callo), posteriormente existe una reorganización de las células para dar lugar a brotes adventicios. En este tipo de propagación existe una gran posibilidad de que se produzca variación genética, también llamada variación somaclonal producto de eventos como mutaciones, inversiones y/o deleciones cromosómicas y amplificación génica (Flores, 2007; Gahan y George, 2008; Gonzalez, 2008). Activación de yemas preformadas Las condiciones in vitroestimulan el desarrollo de las yemas axilares permitiendo la formación de una planta por cada yema. La eficiencia de este sistema estriba en que el número de plantas obtenidas está determinado por el número de yemas axilares existentes en el explante, esta vía de regeneración presenta la ventaja de que los individuos regenerados muestran gran estabilidad genética, sin embargo es necesario promover la formación de raíces en los brotes regenerados (Villalobos y Thorpe, 1993). Embriogénesis somática Otro tipo de respuesta es la embriogénesis somática, en donde se presenta la formación de embriones, pero que no son producto de la fusión gamética y pueden desarrollarse de manera directa a partir del explante o indirecta a partir del callo embriogénico (Razdan, 2003). Los 24 embriones somáticos son estructuras bipolares con un eje radical-apical, y no poseen conexión vascular con el tejido materno, estas estructuras son capaces de crecer y formar una planta (Litz y Jarret, 1993), evitándose la fase de enraizamiento y disminuyendo los costos y posiblemente el tiempo (Flores, 2007). Cada una de las respuestas morfogenéticas están determinadas por la interacción, combinación y concentración de los reguladores de crecimiento, aunque no siempre es necesario proveer reguladores de crecimiento externos para obtener una respuesta, ya que al parecer los factores físicos como la intensidad luminosa o químicos como los macronutrientes o micronutrientes, afectan la movilización o producción de fitohormonas (endógenas) (Roca y Mroginski, 1993; Gaspar et al., 1996). Problemas que se presentan en el CTV Oxidación La oxidación ocurre cuando al obtener explantes para el cultivo in vitro, se provocan heridas en el tejido vegetal, que exudan compuestos fenólicos, los cuales colaboran en la cicatrización y defensa ante patógenos, cuando estos compuestos entran en contacto con las polifenol oxidasas dependientes de oxígeno, producen quinonas que resultan tóxicas para los tejidos vegetales (Fernández, 2014). El fenómeno de la oxidación se puede expresar con el oscurecimiento del explante en la zona de contacto con el medio de cultivo y puede extenderse en todo el tejido y al medio, y frenar su crecimiento o causar la muerte del tejido (Zamora, 2007; Hernández, 2013). Existen procedimientos para evitar o regular la oxidación, tales como el uso de antioxidantes, que son compuestos que inhiben o retrasan la oxidación, estos incluyen agentes reductores que pueden remover oxígeno de moléculas o compuestos (Azofeifa, 2009). Los antioxidantes pueden usarse en la solución para enjuagar después de la desinfección del material vegetal, al realizar los cortes de los explantes o adicionados al medio de cultivo (Azofeifa, 2009). 25 Otra forma de prevenir la oxidación en el CTV es exponer los cultivos a una baja luminosidad u oscuridad total por algunas semanas, posteriormente se transfieren a condiciones normales de luz. Se han observado resultados positivos empleando este método en especies como Picea abies, Hevea brasilensis y Anacardium occidentale (Azofeifa, 2009). Hiperhidratación La hiperhidratación es un fenómeno fisiológico que ocurre tanto en brotes, como en callos, debido entre otros a la presencia de altos niveles de humedad dentro de los envases de cultivo y el efecto de los RCV principalmente citocininas, los cuales, debido a una elevada presión osmótica, provocan que los tejidos se vuelven translúcidos, con superficie acuosa e hipolignificada y que sean fácilmente quebradizos (Collin y Edwards, 1998; Kevers et al., 2004, Hazarika, 2006). Algunos agentes utilizados para controlar la hiperhidratación y promover el enraizamiento de los brotes son: Manitol. Es una fuente de carbono que presenta una acción metabólica y osmótica, que altera el balance osmótico debido a que es un azúcar, el cual interactúa con las cabezas polares de los fosfolípidos para hacer más impermeable a la membrana celular, de esta manera baja el potencial hídrico del medio para que el agua contenida en él no pueda ser absorbida por la planta y ésta se vea forzada a generar raíces (Rodríguez, 2006). Polietilenglicol (PEG). Es un compuesto soluble en agua, comercialmente existen varias presentaciones dependiendo del peso molecular. Se utiliza en el medio de cultivo como agente osmótico utilizado para promover el enraizamiento y evitar la hiperhidratación en los tejidos. Carbón activado. El carbón activado es cualquier forma de carbón caracterizada por su alta capacidad de adsorción de gases, vapores y sólidos coloidales. Su adición al medio favorece el crecimiento de los tejidos, acelera el crecimiento del ápice, promueve el 26 enraizamiento y absorbe los reguladores de crecimiento y sustancias inhibidoras o indeseadas en el medio de cultivo (Ronquillo, 2009). Paclobutrazol (PBZ). El paclobutrazol pertenece al grupo de los triazoles, actúa como un retardador de crecimiento bloqueando la síntesis del ácido giberélico. Se ha registrado el uso del PBZ en el cultivo de tejidos vegetales por su efecto positivo en la inducción de los procesos de organogénesis y embriogénesis somática (Bello-Bello et al., 2014). Cultivo de Tejidos Vegetales en la Familia Cactaceae El primer reporte de la regeneración por brotes de una cactácea fue a partir de callo de Mammillaria woodsii (Kolar y Bartek, 1976). Por más de 30 años se han explorado las técnicas de cultivo in vitro en la Familia Cactaceae, con resultados variables, con la utilización de distintos reguladores de crecimiento, con el uso más comúnmente del medio de cultivo Murashige y Skoog (1962) (MS), formando en algunos casos brotes, callo, y/o embriones somáticos. No obstante estos esfuerzos, no se tienen reportados protocolos de cultivo para cada especie de cactácea, incluso hay géneros con los que se ha trabajado muy poco, como el caso de Strombocactus. Por el contrario hay géneros en los que se ha centrado mayor atención como en el caso de Mammillaria que hasta el 2007 contaba con reportes en 33 especies (Ramírez-Malagón et al., 2007). Algunas de las ventajas que presenta la propagación de cactáceas por cultivo de tejidos son que permite el desarrollo de plántulas libres de patógenos y una masiva y rápida multiplicación (Fay, 1993). Es importante también mencionar que el CTV conlleva algunos requisitos, tales como la inversión, ya que se necesita infraestructura especializada y costosa, cada especie vegetal requiere de un método específico para obtener resultados, por lo que se necesita del trabajo intensivo y del personal capacitado, las plántulas obtenidas inicialmente son pequeñas y pueden tener características anómalas por lo que se requiere de un proceso 27 gradual para la transferencia de las plantas del medio in vitro al medio ex vitro, ya que las plantas son susceptibles a este cambio (George y Debergh, 2008). En la actualidad se cuenta con diferentes investigaciones que reportan la regeneración in vitro para las especies de la Familia Cactaceae. Algunos ejemplos de estos reportes se resumen en la tabla 5, en donde se puede ver los RCV más utilizados y las respuestas morfogenéticas que inducen, así como porcentajes de enraizamiento y sobrevivencia ex vitro. Tabla 5. Algunas especies de cactáceas regeneradas in vitro. Especies Respuetas morfogenéticas Brotes por explante RCV Enraizamiento in vitro (%) Tratamiento para enraizamiento in vitro Sobrevivencia ex vitro (%) Referencia Ariocarpus kotschoubeyanus Organogénesis directa e indirecta; Embriogénénsis somática 6,3 13.3/5.4 BA / ANA ** 30 1 CA *** 95 Moebius- Goldammer et al., 2003 Astrophytum myriostigma Activación de yemas preformadas 9,23 1/0.01 BA/ ANA * 75 1 IBA * Pérez-Molphe et al., 1998 Cereus peruvianus Organogénesis indirecta 17,318.1/ 27.9 2,4-D /Kin** 96 18.6 Kin ** 87 Aparecida de Oliveira et al., 1995 Coryphanta clavata Activación de yemas axilares 4,73 1 BA * 90 0.5 IBA * 75 Pérez-Molphe et al., 1998 Echinocactus platyacanthus Activación de yemas preformadas 9 1 BA * 95 0.5 IAA * 90 Pérez-Molphe et al., 1998 Ferocactus hamatacanthus Activación de yemas preformadas 5.83 1/0.1 BA/ ANA * 100 0.5 IBA * 80 Pérez-Molphe et al., 1998 Mammillaria theresae Organogénesis directa e indirecta 10.8 0.5/3 ANA/B A * 45 1 manitol *** 86 Ronquillo, 2009 Pelecyphora aselliformis Activación de yemas axilares 13.7 8.8 BA ** 89 2.85 IAA** 2.46 IBA** 88 Pérez-Molphe y Dávila, 2002 Pelecyphora strobilliformis Activación de yemas axilares 12.4 8.8 BA ** 87 2.85 IAA** 2.46 IBA** 88 Pérez-Molphe y Dávila, 2002 Turbinicarpus hoferi Organogénesis indirecta y actvación de areolas 4 4.44 BA ** 59 2 CA *** 40 De la Rosa et al., 2012 T. laui Organogénesis indirecta 16 4,4 BA ** 89.7 - 71.4 Dávila et al., 2005 T. pseudomacrochele ssp. lausseri Organogénesis indirecta y actvación de areolas 26.3 3.33 BA ** 97 2 CA *** 76 De la Rosa et al., 2012 28 Tabla 5. Continuación. T. schmiedickeanus ssp. macrochele Organogénesis indirecta y actvación de areolas 10.1 2.22 BA ** 96 2 CA *** 92 De la Rosa et al., 2012 T. schmiedickeanus ssp. flaviflorus Activación de areolas 14 19.7 2iP ** 57.4 4.9 IBA ** 86.1 Dávila et al., 2005 T. valdezianus Activación de areolas 8 2.2 BA ** 84.4 - 83.9 Dávila et al., 2005 T. valdezianus ssp. albiflorus Organogénesis indirecta y actvación de areolas 11.1 4.92 2iP ** 61 2 CA *** 60 De la Rosa et al., 2012 * mg/l; ** μM/l; *** g/l; 29 Strombocactus (De Candolle) Britton y Rose Entre los géneros prácticamente endémicos de la zona árida queretano-hidalguense se encuentra Strombocactus que fue propuesto por Britton y Rose en 1922 como un género monotípico a partir de una especie anteriormente descrita como Mammillaria disciformis por De Candolle (1828). Strombocatus es el taxón hermano de un clado integrado por Ariocarpus, Turbinicarpus, Epithelantha y Pediocactus sin relación directa con Aztekium lo que había sido un tema de discusión (Arias y Sánchez-Martínez, 2010). Strombocactus actualmente incluye dos especies, una de ellas con dos subespecies que son objeto de estudio en esta investigación. Clasificación taxonómica (Bravo-Hollis y Sánchez-Mejorada, 1991). Reino Plantae División Magnoliophyta Subdivisión: Angiospermae Clase: Magnoliopsida Orden: Caryophyllales Familia: Cactaceae Subfamilia: Cactoideae Tribu: Cactae Género: Strombocactus Especies: Strombocactus disciformis (DC) Britton y Rose Strombocactus corregidorae Arias y Sánchez Subespecies: Strombocactus disciformis ssp. disciformis (DC) Britton y Rose Strombocactus disciformis ssp. esperanzae Glass y Arias Nombre común: Biznaga trompo, peyote, peyotillo o falso peyote. 30 Strombocactus disciformis ssp. disciformis (DC) Britton y Rose Descripción botánica Son plantas con tallos simples, globosos, aplanados, en forma de disco y de color verde grisáceo de 3 hasta 12 cm de altura y de 3 a 9 cm de diámetro. Presenta tubérculos romboidales dispuestos en espiral que tienen de 1 a 5 espinas cortas de 0.7 a 1.5 cm de longitud rectas o encorvadas, son grisáceas y con la punta oscura, pronto caducas. Cada tubérculo posee una aréola blanca y afieltrada en su ápice. Flores apicales infundibuliformes, de 2.6 a 3.2 cm de longitud y de 2 a 3.2 cm de diámetro, de color blanco cremosas con algunos segmentos amarillos y garganta roja, poseen un nectario pequeño en la base del estilo, su tubo receptacular es escamoso. Los frutos son cilíndricos, cafés y dehiscentes de 7 a 10 mm de longitud y un diámetro de 6 a 7 mm. Las semillas son pequeñas y rojizas con una longitud de 0.4 a 0.6 mm y con un grosor que oscila entre 0.3 y 0.4 mm, tienen un microrelieve reticulado y presentan estrofíolo (Fig. 1) (Bravo-Hollis y Sánchez-Mejorada, 1991; Arias y Sánchez-Mártinez, 2010). El promedio de semillas por fruto va de 621 a 990 (Álvarez, 2003). El periodo de floración comienza en enero y termina a finales de mayo, sus flores son diurnas y permanecen abiertas por varios días, siendo polinizadas principalmente por abejas (Hymenoptera: Apoidea) pertenecientes a los géneros Ashmeadiella, Augochlorella, Lasioglossum y Perdita. Se ha observado a otros visitantes florales en menor medida, como diversos insectos pertenecientes a las Familias Coleoptera, Hemiptera y Diptera (Álvarez, 2003). Se ha sugerido que la dispersión de las semillas es llevada a cabo por hormigas (Álvarez et al., 2004). 31 Hábitat Los individuos de esta especie crecen comúnmente en laderas inclinadas de origen calcáreo (Álvarez et al., 2004). Se distribuye en Hidalgo y Querétaro en acantilados calcáreos y aluviales, a lo largo de lechos de arroyos o barreras de cañones (Lüthy, 2001). En Zimapán, en emplazamientos como Xajhá, pueden encontrarse poblaciones de S. disciformis ssp. disciformis, también se tienen registros en la barranca de Tolimán, en Ixmiquilpan, en San Pedrito de los Ángeles y cerca del Río Moctezuma (Sánchez, 2006). El semidesierto queretano es el núcleo de distribución de esta subespecie, especialmente la cuenca del Río Estórax y diversas confluencias de cauces fluviales secundarios que ocurren con el Río Moctezuma, en sus vertientes de Querétaro (Cadereyta) e Hidalgo (Zimapán). Se le ha observado en los siguientes municipios del estado de Querétaro: Peñamiller, Cadereyta, San Joaquín, Pinal de Amoles y Tolimán. Algunas localidades, ubicadas en el centro de distribución de esta especie incluyen Vizarrón, Peña Blanca e Higuerillas (Godínez, 2002; Sánchez, 2006). El tipo de vegetación en el que se encuentra esta subespecie es el matorral xerófilo, algunas especies de plantas presentes en este tipo de vegetación son Larrea tridentata, Prosopis glandulosa, P. leavigata, Hechtia glomerata, Jatropha dioica, Echinocactus platyacanthus, Thelocactus leucacanthus, Astrophytum ornatum, Agave striata, Lophophora diffusa, Coryphantha erecta, Fouquieria splendens, Koeberlinia spinosa, Condalia mexicana, Acacia vernicosa, Opuntia microdasys, O. imbricata, Myrtillocactus geometrizans y Stenocereus spp. (Godínez, 2002; Álvarez et al., 2004; Sánchez, 2006). 32 Fig. 1. Strombocactus disciformis ssp. disciformis. a, b) Individuos en floración. c) Planta adulta (Barra= 1 cm). d) Población creciendo en una pared, cohabitando con otras especies vegetales. e, f, g) Microfotografías de semillas. e) Vista lateral. f) Acercamiento a la región lateral. g) Una célula de la región lateral (Foto Arias y Sánchez-Martínez, 2010). 33 Strombocactus disciformis ssp. esperanzae Glass y Arias Descripción botánica La subespecie esperanzae exhibe diferencias en el tamaño de su tallo, así como en el color de las semillas y las flores. Presenta un tallo globoso alargado de 2.5 a 4.5 cm de altura y de 4 a 5 cm de diámetro. Tubérculos de color verde-grisáceo pálido, comprimidos lateralmente en la porción inferior. Aréolas un tanto hundidas en el ápice, con lana blanca-grisácea cuando jóvenes; pronto quedan desnudas. Espinas rectas y flexibles, de 1 a 5 por tubérculo, con una longitud de 0.8 a 2cm, no encorvadas hacia adentro, como sucede con las espinas centrales, más flexibles, de la subespecie disciformis, son de color grisáceo con la punta o bandas oscuras, pronto caducas. Flores pequeñas, 1 a 1.2 cm de diámetro y 2.5 a 3.5 cm de altura, de color magenta intenso y garganta magenta; filamentos blancos, 4.5 a 6 mm de longitud; anteras amarillas; estilo rojo púrpura, 8 mm de longitud, que excede a las anteras en 2 mm. Fruto de color rojo purpúreo, más pequeño que en la especie S. disciformis, 6 a 10 mm de longitud, 3-4 mm de diámetro. Por lo común, conserva adheridos los restos secos del perianto, dehiscente por una ranura longitudinal. Semillas muy finas y globosas, 0.4 a 0.5 mm de longitud y 0.2 a 0.3 mm de grosor, de color miel oscuro; testa diminutamente rugosa con el arilo grande y suberoso, también presentan estrofíolo (Glass, 1998; Arias y Sánchez- Mártinez, 2010). 34 Hábitat Esta subespecie se distribuye únicamente al noreste del Estado de Guanajuato. El hábitat de estas plantas es muy específico, ya que solo crecen sobre laderas con pendientes inclinadas y suelo derivado de calizas margas o lutitas (Álvarez, 2003). Bárcenas (1999) determinó que en Guanajuato esta cactácea tiene afinidad exclusiva por el Matorral Xerófilo. Mientras que Donati y Zanovello en el 2005 refieren que en el municipio de Xichú crece en un Matorral Submontano abierto, asociada con otras suculentas como: Astrophytum ornatum, Echeveria walpoleana, E. xichuensis, Ferocactus echidne, Mammillaria candida, M. schiedeana y el estenoendémico Turbinicarpus alonsoi (Sánchez, 2006). 35 Fig. 2. Strombocactus disciformis ssp. esperanzae. a, b y c) Individuos adultos en floración (Barra= 1 cm). d) Hábitat natural de la especie, Xichú, Guanajuato. e, f, g) Microfotografías de semillas. e) Vista lateral. f) Acercamiento a la región lateral. g) Una célula de la región lateral)(Foto Arias y Sánchez-Martínez, 2010). 36 Estatus, conservación y factores de riesgo Strombocactus disciformis es una especie endémica de una pequeña región de México, está catalogada como amenazada por la NOM-059-SEMARNAT-2010 y como vulnerable en la lista roja de la UICN. S. disciformis ssp. disciformis y S. disciformis ssp. esperanzae se encuentran en esta condición de amenaza debido a diversas actividades humanas como el sobrepastoreo y la extracción de materiales para construcción (Anderson et al., 1994). Sin embargo el mayor riesgo para sus poblaciones es la extracción ilegal para su venta como plantas de ornato tanto en México, como en el extranjero. En relación a esto existen evidencias de la venta ilegal de plantas y semillas en varios países, entre los que destacan Alemania, Estados Unidos, Francia, Inglaterra, Japón, Italia y Republica Checa. Además, en años recientes se han asegurado cargamentos de estas plantas en varios estados de la República Mexicana, así como en otros países (Benítez y Dávila, 2002). Sánchez (2006) mencionó que en el hábitat natural de S. disciformis ssp. disciformis y S. disciformis ssp. esperanzae existen sitios accesibles o populares en donde ocurre saqueo constante como Xichú, Gto.; Vizarrón-Peña Blanca, Qro.; o en el entorno del embalse de Zimapán, Hgo. Gómez-Hinostrosa et al. (2013) mencionaron que se consideran vulnerables en la lista roja de la UICN debido a su limitada distribución (presentes en aproximadamente 4.500 km2), en menos de 10 localidades, ademas que en sus poblaciones hay una disminución de individuos maduros por la sobrecolecta ilegal con fines ornamentales. Cabe recalcar que especies como Ariocarpus retusus, A. agavoides, S. disciformis o Aztekium hintonni estan incluidas en el Apéndice I de la CITES, por lo tanto tienen prohibiciones totales de comercio como consecuencia de lo amenazado de sus poblaciones (Gómez, 2008). Sin embargo se sabe de su venta de manera ilegal, tanto en comercios, como por internet. En México su presencia en colecciones formales se ha registrado en al menos 5 jardines botánicos, aunque hasta el año 2000, se le propagaba únicamente en 2 de éstos (Hernández- Martínez y Sánchez, 2000). En el año 2002 existían a nivel nacional 5 viveros que se 37 dedicaban a la propagación de esta especie (Godínez, 2002). A nivel internacional, en el 2001 existía registro en la CITES de 5 viveros que propagaban solo a la subespecie disciformis, en Alemania y Republica Checa (Lüthy, 2001). En 2014 se tenían registrados en CITES viveros en Alemania, República Checa, Italia y Suiza que propagan S. disciformis ssp. disciformis, mientras que S. disciformis ssp. esperanzae se propaga en viveros de República Checa y Suiza. Sin embargo no hay un vivero mexicano registrado ante CITES para propagación de S. disciformis (Olmos, 2016). Según datos de la PROFEPA en el 2000 fueron aseguradas y repatriadas 70 plantas de S. disciformis encontradas en Holanda (Godínez, 2002). En años anteriores entre 1994 y 1996 se reexportaron a México de Bélgica, Alemania y Francia 121 especímenes vivos, en 1987 se reportó el envío de México a Estados Unidos de 200 ejemplares, en 1982 fueron 1,680 plantas y en 1981, 1,260 en un cargamento y 600 en otro, en 1980 se enviaron 1,700 especímenes y en 1979 fueron 1,104 (Lüthy, 2001). Sánchez (2006) cita que entre 1980 y 1983 se recibieron en Japón 1,155 plantas embarcadas desde los Estados Unidos. Olmos (2016) menciona que desde que la CITES entró en vigor en 1969 se ha autorizado la exportación de 326,879 indiviuos vivos y la importación de 21,304. Actualmente sus poblaciones siguen disminuyendo, principalmente ejemplares adultos, debido a la extracción ilegal con fines ornamentales (Gómez-Hinostrosa et al., 2013). En cuanto a otros factores que ponen en riesgo a S. disciformis, Álvarez (2003) menciona que la producción y germinación de semillas, así como la sobrevivencia de las plántulas de S. disciformis son etapas del ciclo de vida que podrían limitar el reclutamiento de nuevos individuos y, por tanto, el mantenimiento de las poblaciones. La afectación del hábitat de esta especie por factores humanos, también pone en riesgo a sus poblaciones, Chávez et al. (2007) reportan para poblaciones de S. disciformis en los municipios de Cadereyta y Peñamiller, Qro. caminos y áreas agrícolas próximas a estas poblaciones (de 550.5 a 750.5 m) además señalan que el cien por ciento de estas poblaciones se ven afectadas por actividades como extracción de leña, y cincuenta por ciento son afectadas por desmontes. 38 B. JUSTIFICACIÓN Strombocactus disciformis ssp. disciformis y S. disciformis ssp. esperanzae son altamente ornamentales apreciadas por los coleccionistas, que aún actualmente son de difícil adquisición por su lento crecimiento y complicados cuidados. Ambas son endémicas de una pequeña región de México y están catalogadas, como amenazadas por la NOM-059- SEMARNAT-2010 y como vulnerables en la lista roja de la UICN. Se les atribuye un papel importante por la función ecológica relacionada con la retención y formación de suelo dado su crecimiento en terrenos con fuerte pendiente. Además se sabe que esta especie presenta alcaloides, por lo que podría significar efectos narcóticos o medicinales (Smith, 2003; Scheinvar, 2004). Por la importancia biológica y económica que tiene esta especie y en general la Familia Cactaceae, se hace necesaria la generación de diversos sistemas de propagación, como alternativas para su conservación (Fay, 1993; Reyes, 2007). La propagación por semillas, hijuelos, esquejes o injertos son técnicas que implican mucho tiempo. La alta demanda de éstas especies se ve reflejada en las cantidades alarmantes en cuanto a su contrabando, cargamentos confiscados e incluso su oferta vía internet desde México y otros países. Lo que ha llevado a que se encuentre listada en el Apéndice
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