Paleobotánica y Palinología - Paleobotany and Palynology

Análisis de los silicofitolitos presentes en especies de las familias cannabaceae, moraceae y urticaceae del se bonaerense y estudio comparativo de los cistolitos

 

MARIANA FERNÁNDEZ HONAINE^1,2,4*, MARA DE RITO^3,4 y MARGARITA OSTERRIETH^1,2

¹ Instituto de Geología de Costas y del Cuaternario, Universidad Nacional de Mar del Plata-CIC, CC 722, Correo Central, 7600 Mar del Plata, Argentina.
² Instituto de Investigaciones Marinas y Costeras (IIMyC), Universidad Nacional de Mar del Plata- Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas, Mar del Plata, Argentina.
³ Facultad de Ciencias Agrarias-EEA INTA, Balcarce. Grupo de Estudio de Agroecosistemas y Paisajes Rurales, Ruta 226 Km 73,5, Balcarce, Argentina.
⁴ CONICET. * E-mail: fhonaine@mdp.edu.ar

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Summary: Silicophytolith analyses in species of Cannabaceae, Moraceae and Urticaceae from SE Buenos Aires province and a comparative study of their cystoliths. Numerous families produce silicophytoliths in their tissues, which constitute a relevant taxonomic and palaeobotanical tool. Cystoliths are one of the morphologies produced by dicotyledons, and they are defined as deposits of amorphous calcium carbonate with a silica stalk. This amorphous silica stalk remains on soils and sediments, and constitutes a diagnostic morphology for palaeoenvironmental and archaeological phytolith studies. In this work, the phytoliths of six species of Cannabaceae, Moraceae and Urticaceae, all cystolith producers, were analyzed. Phytoliths were extracted through a calcination technique, and the description of the morphologies and the measurements on cystoliths were carried on through optic and scanning electron microscopes. Statistical tests were applied in order to analyze differences. All the species analyzed produced phytoliths. The frst descriptions for three species of Urticaceae and one of Moraceae were shown. Cystoliths, hairs and polyhedrical phytoliths were described, and differentiation was achieved at family level. Celtis spp (Cannabaceae) and Morus alba L. (Moraceae) produce phytoliths different from Urticaceae species, and they present a hair associated, they are thinner and shorter. These features, as well as the morphometric measured variables, could be used for taxa differentiation in fossil phytolith record.

Key words: Amorphous silica biomineralization, Morus alba, Celtis spp., Parietaria spp., Urtica urens, SE Pampean region.

Resumen: Numerosas familias producen silicoftolitos en sus tejidos, los cuales constituyen una herramienta de importancia taxonómica y paleobotánica. Una de las morfologías producidas en dicotiledóneas son los cistolitos, definidos como concreciones de carbonato de calcio con un esqueleto silíceo. Este esqueleto silíceo puede quedar preservado en suelos y sedimentos, constituyendo una morfología diagnóstica para estudios ftolíticos paleoambientales y arqueológicos. En este trabajo se analizaron silicoftolitos de seis especies de las familias Cannabaceae, Moraceae y Urticaceae, todas productoras de cistolitos. Los silicoftolitos se extrajeron mediante técnicas de calcinación; se describieron las morfologías y realizaron mediciones a los cistolitos, bajo microscopios óptico y electrónico de barrido. Se aplicaron tests estadísticos para evaluar diferencias. Todas las especies estudiadas producen silicoftolitos, reportándose las primeras descripciones en tres especies de Urticaceae y una de Moraceae. Se describieron cistolitos de variada forma, pelos y ftolitos poliédricos, y fue posible la diferenciación, al menos a nivel de familia. Celtis spp (Cannabaceae) y Morus alba L.(Moraceae) producen cistolitos diferentes a las especies de Urticaceae y presentan una protuberancia o pelo asociado, son más angostos y más cortos. Estas características, así como las variables morfométricas medidas, podrían ser utilizadas para la diferenciación de estos taxa en el registro ftolítico fósil.

Palabras clave: Biomineralizaciones de sílice amorfo, Morus alba, Celtis spp., Parietaria spp., Urtica urens, SE pampeano.

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Introducción

Los silicoftolitos son biomineralizaciones de sílice amorfo (SiO₂) depositados en espacios intra o intercelulares de los tejidos vegetales (Parry & Smithson, 1964; Bertoldi de Pomar, 1975; Jahren, 1996; Osterrieth, 2004). La formación de estos depósitos de sílice está ampliamente difundida en todos los niveles taxonómicos dentro de las plantas, incluyendo brioftos, pteridoftas, gimnospermas y angiospermas (Piperno, 2006; Mazumdar, 2011; Benvenuto et al., 2013). Los silicoftolitos tienen un alto valor taxonómico, ya que a partir de sus morfologías (que muchas veces copian la forma de las células que los contienen), es posible identificar tejidos y a partir de ellos, las familias y, en algunas ocasiones, los géneros productores (Twiss, 1992; Piperno, 2006; Gomes Coe et al., 2014). Una vez que los órganos vegetales mueren, caen al suelo y se descomponen, los silicoftolitos pasan a formar parte de la fracción mineralógica de los mismos. Dada su alta perdurabilidad en suelos y sedimentos, y su importancia taxonómica, estas biomineralizaciones han sido extensamente utilizadas como indicadoras de las comunidades vegetales del pasado, tanto en estudios paleoambientales y paleobotánicos, como arqueológicos (e.g. Prasad et al., 2011; Mercader et al., 2013; Osterrieth et al., 2014; 2016; Ball et al., 2016).

Las familias Arecaceae, Cyperaceae y Poaceae son las principales productoras de morfologías diagnósticas de silicofitolitos, permitiendo su aplicación como indicadoras de comunidades en el pasado (e.g. Bremond et al., 2005; Strömberg & Mc Inermy, 2011; Osterrieth et al., 2016). Dentro de las dicotiledóneas, una de las morfologías características a nivel familia o género la constituyen los cistolitos. Desde el punto de vista anatómico, los cistolitos han sido definidos como concreciones de carbonato de calcio formadas sobre excrecencias de la membrana interior de las células (Font Quer, 2001; Metcalfe, 1985). Varios autores han identificado la presencia de un pie o esqueleto silíceo ("silica stalk") sobre el cual se produce el depósito de carbonato de calcio y sin el cual no sería posible el desarrollo del cistolito (Watt et al., 1987; Gal et al., 2012). Este pie o esqueleto silíceo es el que puede quedar preservado en suelos y sedimentos, constituyendo una morfología silicofitolítica de interés para estudios paleoambientales, paleobotánicos y arqueológicos (Osterrieth et al., 2008; Iriarte & Paz, 2009). Existen varios estudios, tanto anatómicos como ftolíticos, que han identificado y descripto cistolitos en diversos géneros como Celtis y Trema (Dottori, 1976; Bozart, 1992; Wallis, 2003; Iriarte & Paz, 2009; Watling & Iriarte, 2013). En particular en nuestro país, se han realizado estudios ftolíticos en ejemplares de Celtis ehrenbergiana (Klotzsch) Liebm. y Celtis occidentalis L. desarrollados en bosques naturales del sudeste bonaerense (Fernández Honaine et al., 2005; De Rito et al., 2015). Sin embargo, si bien los cistolitos son comunes en Cannabaceae, y han sido atribuidos a esta familia cuando son identificados en sedimentos o suelos, es conocido que éstas estructuras silico-cálcicas también están presentes en especies de Moraceae, Urticaceae, entre otras (Metcalfe, 1985; Okazaki et al., 1986; Watt et al., 1987; Gal et al., 2012). Es así que conocer las asociaciones ftolíticas de estos grupos vegetales y analizar si existe diferenciación entre los cistolitos producidos por las distintas familias, resulta relevante a la hora de la interpretación paleoambiental del registro fitolítico fósil. De esta manera, se plantea el presente estudio, cuyos objetivos son: 1) analizar la asociación ftolítica de seis especies pertenecientes a tres familias del orden Rosales, con presencia de cistolitos y desarrolladas en el sudeste bonaerense; 2) realizar un análisis de las formas y medidas de los cistolitos producidos por las especies; 3) analizar comparativamente las morfologías ftolíticas, en particular los cistolitos.

mAteriAles y métodos

Recolección de especies y extracción de silicofitolitos: Se seleccionaron seis especies desarrolladas en distintos ambientes del sudeste bonaerense: Parietaria debilis G. Forst., P. judaica L. (ex Parietaria officinalis auct. non L.), Morus alba L., Urtica urens L., Celtis ehrenbergiana (Klotzsch) Liebm. y Celtis occidentalis L.(Tabla 1). Parte de la toma de muestras fue realizada en el herbario de la Unidad Integrada, Facultad de Ciencias Agrarias-UNMdP/EEA Balcarce, INTA (BAL), y parte en la Reserva Integral Laguna de los Padres y Reserva del Puerto, Partido de Gral. Pueyrredón, Buenos Aires. Si bien las asociaciones ftolíticas de Celtis ehrenbergiana y C. occidentalis han sido reportadas previamente (Fernández Honaine et al., 2005; De Rito, 2015; De Rito et al., 2015), en el presente trabajo se analizaron en detalle los cistolitos y se compararon las asociaciones ftolíticas con el resto de las especies.

 

Tabla 1. Especies seleccionadas para el estudio.

 

 

De cada especie se colectaron hojas de dos a tres individuos, las cuales se lavaron en ultrasonido y con agua destilada para eliminar posibles contaminantes. Las muestras se secaron en estufa a 65ºC por 24hs. Para la extracción de silicoftolitos las muestras se sometieron a la técnica de calcinación de Labouriau (1983) (Fernández Honaine et al., 2005). Esta técnica consiste en una calcinación inicial a 200ºC por 2 hs, una digestión con HCl 5N y calor para eliminar los carbonatos, y una calcinación final a 800ºC por 2,5-3 hs. Como resultado, se obtienen cenizas compuestas exclusivamente por sílice amorfo, ya que los carbonatos y la materia orgánica son eliminados o digeridos por el HCl y la temperatura, respectivamente.

Descripción de las morfologías ftolíticas: Las cenizas obtenidas por la técnica de Labouriau (1983) fueron montadas en aceite de inmersión para su posterior observación al microscopio óptico Zeiss Axiostar Plus, con 40x de magnificación. Se contaron entre 200- 250 silicoftolitos en cada muestra, se describieron las morfologías, utilizando trabajos de referencia (Madella et al., 2005; Fernández Honaine et al., 2005) y se calcularon las frecuencias relativas de cada una de ellas. Las fotografías fueron tomadas mediante una cámara digital (Canon Powershot G10, Canon Inc., Tokyo, Japón).

Asimismo, para un mejor detalle de las morfologías fitolíticas y de su composición elemental, las cenizas fueron observadas al microscopio electrónico de barrido (JEOL JSM-6460 LV; Tokyo, Japan), de la Universidad Nacional de Mar del Plata, y microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM) (Modelo FEI ESEM Quanta 200) del LIMF (Universidad Nacional de la Plata). A su vez, para identificar la composición química de los cistolitos, las muestras se analizaron a través de un espectrómetro de rayos X dispersivo en energías (Modelo: EDAX SDD Apollo 40) del LIMF (Universidad Nacional de la Plata).

Para un análisis en detalle de los cistolitos, se midieron entre 25 y 30 de estas morfologías en cada muestra de cada especie estudiada. Las variables que se midieron en los cistolitos fueron: ancho del tricoma o base (a), largo total del cistolito (b), ancho del pie (si existiere) (c) y diámetro mayor del cistolito (parte globular) (c') (Fig. 1).

Análisis estadísticos: Con el objeto de analizar si es posible la diferenciación de las especies estudiadas, en base a su asociación fitolítica y al tamaño (largo y ancho, variables b y c', respectivamente) de los cistolitos, se realizó un análisis de componentes principales (PCA), donde se utilizó una matriz de correlación (PC-ORD, versión 6, McCune & Mefford, 2011). Para analizar si existían diferencias en los tamaños (largo y ancho) de los cistolitos se realizaron tests de Kruskal-Wallis y de comparaciones múltiples (Zar, 1984).

Resultados

Descripción de asociaciones ftolíticas

Celtis spp (Cannabaceae)

De acuerdo a lo detallado en la sección anterior, las especies de Celtis han sido descriptas por Fernández Honaine et al. (2005) y De Rito (2015). Estos trabajos indican que la asociación ftolítica de Celtis ehrenbergiana está dominada por cistolitos (88%), pelos (5%), células poliédricas articuladas (4%) y estomas (Fig. 2 A-C). Mientras que Celtis occidentalis está caracterizado por cistolitos (44%), pelos silicificados (37%) y células epidérmicas silicificadas (18%) (Fig.2 D-F, 4 I).

Morus alba (Moraceae)

Las asociación ftolítica de hoja está dominada por cistolitos (86,4%), y en menor proporción por pelos (6,3%), partes de cistolitos (porción de epidermis solamente 2,7%; sector globular 1,9%) y ftolitos poliédricos articulados (que derivan de la silicificación de células epidérmicas, 2,1%) (Fig. 2 G-L, 4 A-C).

Fig. 1. Fotografías de los dos tipos de cistolitos descriptos en M. alba (A) y U. urens (B) y las variables medidas en este trabajo. a: ancho del tricoma o base epidérmica, b: largo total del cistolito, c: ancho del pie del cistolito, c´: ancho máximo parte globular del cistolito.

Fig. 2. Silicoftolitos en hoja de Cannabaceae y Moraceae. A-B: Cistolitos de C. ehrenbergiana. C: ftolitos poliédricos derivados de silicificación de células epidérmicas en C. ehrenbergiana. D: Cistolito en C. occidentalis. E: Pelo silicificado en C. occidentalis. F: Fitolito poliédrico en C. occidentalis. G, H, J-L: Cistolitos en M. alba. I: Pelo silicificado en M. alba. Escala 10 µm.

 

Parietaria debilis y P. judaica (Urticaceae)

En ambas especies los pelos silicificados fueron los dominantes, siendo más abundantes en P. judaica (71,4%) que en P. debilis (54,3%). Los ftolitos globulares, correspondientes al sector globular de los cistolitos, fueron observados en mayor porcentaje en P. debilis (43,3%) en relación a P. judaica (24,4%) (Fig. 3 A-F, 4 G-H). En muy bajos porcentajes (1 y 2%) se observaron ftolitos globulares rotos que correspondían al sector globular de los cistolitos.

Urtica urens (Urticaceae)

Los silicoftolitos más dominantes fueron los globulares alargados, correspondientes a la base globular de los cistolitos (58,6%), seguidos por los pelos (19,2%) y cistolitos completos con pelos (9,8%). Por último, también se observaron ftolitos poliédricos articulados, derivados de la silicificación de células epidérmicas (5,9%) (Fig. 3 G-I, 4 D-F).

Con el objeto de interpretar si era posible la diferenciación de las especies analizadas,

considerando no solo su asociación fitolítica, sino también los tamaños de los cistolitos, se realizó un análisis de componentes principales (PCA) (Fig. 5). Los Resultados obtenidos indican que los tres primeros ejes acumulan el 87% de la variabilidad de los datos (51% para el eje 1, 21% para el eje 2 y 15% para el eje 3). Las principales variables que aportan al eje 1 son la abundancia de cistolitos completos, la abundancia de ftolitos globulares, el ancho y el largo de los cistolitos. Es así que este eje separa a Celtis spp. y Morus alba (mayor abundancia de cistolitos completos, en general más angostos y cortos) de Urtica urens y Parietaria spp. (mayor abundancia de ftolitos-cistolitos globulares, más anchos y largos). Al eje 2 aportan mayoritariamente las variables abundancia de fitolitos elongados y ftolitos globulares rotos, presentes en Urtica urens y Parietaria spp., respectivamente. Los fitolitos poliédricos articulados son los que mayoritariamente aportan al eje 3.

Fig. 3. Silicoftolitos en hoja de Urticaceae. A-B: Cistolitos en P. debilis. C: Pelo en P. debilis. D-E: Cistolitos en P judaica. F: Pelo en P judaica. G-l: Cistolitos en U. urens. Escala 10 ¡jm.

 

Fig 4. Fotografías obtenidas a partir del microscopio electrónico de barrido de silicoftolitos en hoja, y sus respectivos análisis mediante EDAX. A-B: Cistolitos (cis) en M. alba. C: Análisis de EDAX en cistolito fotografado en B, donde se observa su composición silícea. D: Cistolitos (cis) en U. urens. E: Análisis de EDAX en cistolito fotografado en D (E5), donde se observa su composición silícea y de otros elementos. F: Análisis de EDAX en cistolito fotografado en D (E6), donde se observa su composición silícea y de otros elementos. G: Cistolitos (cis) y pelos (p) en P. debilis. H: Cistolitos en P. judaica. I: Pelos (p) en C. occidentalis.

Análisis de los cistolitos

Las observaciones permitieron distinguir dos tipos de cistolitos. El primer tipo está formado por una base de contorno poligonal a elíptico sobre la cual puede desarrollarse un pelo externo, un pie cilíndrico y un cuerpo globoso, de forma ovoide a redondeada. Este tipo de cistolito está presente en Celtis spp. y Morus alba (Fig. 1 A, 2). El segundo tipo de cistolito está representado por cuerpos globosos, en general con una base y pie nulos o apenas desarrollados en relación al cuerpo del cistolito. Está presente en Parietaria spp. y Urtica urens (Figs. 1 B, 3). Es posible diferenciar los cistolitos de estas últimas tres especies por la rugosidad del cuerpo globular. En Parietaria spp. el cuerpo del cistolito presenta una superficie granular, mientras que en Urtica urens el cuerpo es apenas rugoso (Figs. 3, 4 D-H). Los análisis de EDAX permitieron corroborar la composición silícea de los cistolitos, y detectar la presencia de otros elementos, como Al, K y Na.

En la Tabla 2 se describen las medidas de las diferentes variables analizadas en cada tipo de cistolito. De los análisis estadísticos efectuados surge que existen diferencias significativas en el largo

 

Fig. 5. Análisis de componentes principales, mostrando los tres primeros ejes. CT: Celtis ehrenbergiana, CO: Celtis occidentalis, MA: Morus alba, PD: Parietaria debilis, PO: Parietaria judaica, UU: Urtica urens.

 

Discusión y conclusiones

Todas las especies estudiadas en el presente trabajo producen silicoftolitos, los cuales incluyen cistolitos de variada forma, pelos y fitolitos poliédricos, principalmente. Estas morfologías son el resultado de la silicificación de distintas células del tejido epidérmico (estomas, células epidérmicas en sentido estricto y pelos).

En las especies pertenecientes a la familia Urticaceae (Urtica urens y Parietaria spp.) las morfologías silicofitolíticas dominantes fueron los pelos unicelulares y los cistolitos. Bozarth (1992) describe para Urtica dioica y Parietaria pensylvanica cistolitos similares a los observados en el presente estudio, así como ftolitos derivados de la epidermis (poliédricos y en puzzle). Canti (2003) observa cistolitos en Urtica dioica y Parietaria diffusa semejantes a los aquí estudiados. Collura & Neumann (2017) describen silicoftolitos en maderas de Urticaceae (Musanga cecropioides), mientras que Bonsen & ter Welle (1984) mencionan la presencia de cistolitos en tallos y maderas de esta familia. Por su parte, Gal et al. (2012) describen la formación de los cistolitos en Urtica urens bajo distintas condiciones de crecimiento. La familia Moraceae ha sido más ampliamente estudiada desde el punto de vista ftolítico, incluyendo a Morus alba y Ficus spp., entre otras. Kealhoffer & Piperno (1998) describen en estas especies células epidérmicas silicificadas, bases de pelos, estomas y xilema. Bozarth (1992) describe en Morus rubra cistolitos similares a los observados en el presente trabajo. Tsutsui et al. (2016) analizan la presencia de sílice en forma de papilas en la superficie de hojas de Morus alba, pero no se referen a los cistolitos. Estas papilas representarían los tricomas bajo los cuales se desarrollan los cistolitos observados en este trabajo. Los antecedentes en silicoftolitos en Cannabaceae son numerosos, e incluyen estudios en hojas, maderas y frutos de especies de Celtis y Trema (Bozarth, 1992; Cowan et al., 1997; Kealhoffer & Piperno, 1998; Wallis, 2003; Iriarte & Paz, 2009; Collura & Neumann, 2017). Todos estos antecedentes, junto a los Resultados obtenidos en este trabajo refejan la alta producción de depósitos de sílice amorfo (ya sea en cistolitos como en células epidérmicas y pelos), en especies de estas familias relacionadas (Moraceae, Urticaceae y Cannabaceae), ahora incluidas dentro del orden Rosales. Asimismo, en otra familia emparentada con las anteriores (familia Cecropiaceae), también se han identificado y descripto idioblastos con Si, y en menor porcentaje Ca, sin desarrollo de cistolitos (Setoguchi et al., 1993).

Los cistolitos constituyen una estructura única, compuesta por dos elementos distintos: sílice amorfo y carbonato de calcio (Gal et al., 2012). Originariamente, los cistolitos habían sido definidos como estructuras de carbonato de calcio, depositados en células específicas, denominadas litocistes o litocistos, de origen epidérmico que luego intruyen en el mesóflo (Metcalfe, 1985; Okazaki et al., 1986; Watt et al., 1987; Gal et al., 2012). Sin embargo, estudios más recientes, especialmente el de Gal et al. (2012), confrman la presencia de un esqueleto o pie de sílice amorfo, sin el cual el desarrollo del cistolito no es posible (Watt et al., 1987; Gal et al., 2012). Incluso, estos autores han observado que la falta de disponibilidad de Si impide la formación de ese pie y, como consecuencia, la formación del cistolito (Gal et al., 2012). La estructura de sílice amorfo imita la forma típica de los cistolitos, es decir que aún sin la presencia del depósito calcáreo es posible su identificación como tal, constituyendo una morfología de importancia para los estudios ftolíticos (Bozarth, 1992; Wallis, 2003; Fernández Honaine et al., 2005; Iriarte & Paz, 2009). Los Resultados obtenidos en el presente trabajo reafrman lo observado por los autores antes mencionados, ya que la metodología utilizada elimina los carbonatos presentes en los cistolitos, quedando en las cenizas solo la estructura de sílice amorfo (Labouriau, 1983).

La presencia de cistolitos ha sido registrada y descripta en diversas familias como Acanthaceae, Cannabaceae, Moraceae, Ulmaceae y Urticaceae (Metcalfe, 1985; Setoguchi et al., 1993; Gal et al., 2012). En general, los estudios ftolíticos en estas familias son escasos, y más aún el estudio de los cistolitos (como estructura de sílice amorfo). Los Resultados aquí presentados muestran por primera vez las asociaciones ftolíticas de tres especies de Urticaceae y una de Moraceae, todas comunes de la provincia de Buenos Aires. En particular, y comparando con las especies de Celtis analizadas previamente (Fernández Honaine et al., 2005; De Rito, 2015), los resultados indican que si bien las morfologías producidas son cistolitos, pelos y ftolitos poliédricos articulados, es posible la diferenciación, al menos a nivel de familia. Las especies de Celtis spp. (Cannabaceae) y Morus alba (Moraceae), producen cistolitos con una estructura diferente a las tres especies de Urticaceae, los cuales en general presentan una protuberancia o pelo asociado y son más angostos y más cortos. Estas características, así como las variables medidas en los cistolitos, podrían ser utilizadas para la diferenciación de los cistolitos en el registro fósil. Los estudios de morfometría aplicado a los silicoftolitos son escasos, pudiendo mencionarse los realizados en silicoftolitos de palmeras de interés comercial (Fenwick et al., 2011), en fitolitos globulares (silicoftolitos característicos de Arecaceae y otras monocotiledóneas nativas de Argentina) (Benvenuto et al., 2015; Patterer, 2014), en ciperáceas del sudeste bonaerense (Fernández Honaine et al., 2009) y en gramíneas (Fahmy, 2008). Este trabajo constituye una contribución a este tipo de estudios, los cuales representan una útil herramienta para la interpretación del registro ftolítico fósil.

Agradecimientos

A las responsables del herbario BAL INTA, la curadora Ing. Sara Alonso y la Ing. Agr. Ma. Lis Echeverría, quienes permitieron el acceso a las muestras de las especies estudiadas. El trabajo fue financiado por proyectos de la Universidad Nacional de Mar del Plata (EXA 839/17), FONCyT (PICT 1583/13) y CONICET (PIP 0145).

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Recibido el 12 de octubre de 2017, aceptado el 8 de noviembre de 2017. Editora: Georgina M. Del Fueyo.