La anualidad (vivir y reproducirse en un solo año) y la perennidad (vivir más de dos años) representan importantes estrategias de historia de vida dentro de los linajes de plantas. [1] Estos rasgos pueden cambiar de uno a otro en escalas de tiempo tanto macroevolutivas como microevolutivas. [2] Si bien la perennidad y la anualidad a menudo se describen como rasgos discretos de uno u otro tipo, a menudo ocurren en un espectro continuo. [2] La compleja historia de los cambios entre el hábito anual y perenne involucra causas tanto naturales como artificiales, y los estudios de esta fluctuación son importantes para la agricultura sustentable . (Nótese que "perenne" aquí se refiere tanto a especies perennes leñosas como herbáceas ).
A nivel mundial, solo el 6% de todas las especies de plantas y el 15% de las plantas herbáceas (excluyendo árboles y arbustos) son anuales. [3] El ciclo de vida anual ha surgido de forma independiente en más de 120 familias de plantas diferentes a lo largo de toda la filogenia de las angiospermas. [4] La teoría de la historia de vida postula que las plantas anuales se ven favorecidas cuando la mortalidad de los adultos es mayor que la mortalidad de las plántulas (o semillas), [5] es decir, las anuales dominarán los entornos con perturbaciones o alta variabilidad temporal, reduciendo la supervivencia de los adultos. Esta hipótesis encuentra apoyo en las observaciones de una mayor prevalencia de anuales en regiones con veranos cálidos y secos, [3] con una elevada mortalidad de adultos y una alta persistencia de las semillas. Además, la evolución del ciclo de vida anual en veranos cálidos y secos en diferentes familias lo convierte en uno de los mejores ejemplos de evolución convergente . Además, la prevalencia anual también se ve afectada positivamente por la variabilidad de un año a otro. [3]
Según algunos estudios, tanto el rasgo de anualidad como el de perenneidad pueden ser ancestrales. [6] [7] Esto contradice la creencia común de que la anualidad es un rasgo derivado de una forma de vida perenne ancestral, como lo sugiere un reconocido texto de biología de poblaciones vegetales. [8]
Por encima del nivel de especie, los linajes de plantas varían claramente en su tendencia a la anualidad o perennidad (por ejemplo, trigo vs. robles). En una escala de tiempo microevolutiva, una sola especie de planta puede mostrar diferentes ecotipos anuales o perennes (por ejemplo, adaptada a un rango seco o tropical), como en el caso del progenitor silvestre del arroz ( Oryza rufipogon ). [9] [10] De hecho, la capacidad de perennidad (vivir más de un año) puede variar dentro de una sola población de una especie. [2] [8]
La anualidad y la perenneidad son rasgos complejos que involucran muchos factores genotípicos y fenotípicos subyacentes, a menudo cuantitativos. [8] [11] A menudo están determinados por un equilibrio entre la asignación a estructuras sexuales (flores) y estructuras asexuales (vegetativas). [12] Se sabe que los cambios entre el hábito anual y perenne son comunes entre las angiospermas herbáceas . [12]
El aumento de la asignación a la reproducción en etapas tempranas de la vida generalmente conduce a una disminución de la supervivencia más adelante en la vida ( senescencia ); esto ocurre tanto en plantas semélaras anuales como perennes. [8] Las excepciones a este patrón incluyen especies clonales de larga vida (ver la sección de ramets a continuación) y especies perennes no clonales de larga vida (por ejemplo, pino longevo ). [8]
Muchos rasgos que involucran patrones de apareamiento (por ejemplo, cruzamiento externo o autofecundación) y estrategias de historia de vida (por ejemplo, anual o perenne) están inherentemente vinculados.
La autofecundación (autofecundación o autogamia) es más común en las hierbas anuales en comparación con las perennes. [13] Dado que las anuales normalmente solo tienen una oportunidad de reproducción, la autofecundación proporciona una fuente confiable de fertilización. [13] Sin embargo, los cambios a la autofecundación en las anuales pueden resultar en un " callejón sin salida evolutivo ", en el sentido de que es probablemente poco probable que regrese a un estado de exogamia (alógama). [13] La autofecundación y la endogamia también pueden resultar en la acumulación de alelos deletéreos , lo que resulta en depresión endogámica . [8]
Todas las plantas anuales se consideran semelparas (también conocidas como monocarpia o reproducción big-bang [14] ), es decir, se reproducen una vez antes de morir. [15] Incluso la semelparidad ejerce cierta plasticidad en términos del momento de la producción de semillas a lo largo del año (ver la sección "Anomalías"). Es decir, es poco común que toda la descendencia se genere exactamente al mismo tiempo, lo que se consideraría el extremo de la semelparidad. [16] En cambio, la descendencia generalmente se genera en paquetes discretos (como una especie de estrategia microiterópara), y el espaciamiento temporal de estos eventos reproductivos varía según el organismo. [16] Esto se atribuye a la plasticidad fenotípica. [16]
Las plantas bienales (que viven dos años y se reproducen en el segundo) también se consideran semélparas. [15] [17]
Aunque las plantas anuales no tienen regeneración vegetativa de un año a otro, muchas mantienen una reserva de población latente bajo tierra en forma de banco de semillas. [8] El banco de semillas sirve como fuente de estructura de edad de una planta anual en el sentido de que a menudo no todas las semillas germinarán cada año. [8] Por lo tanto, la población de cada año estará compuesta por individuos de diferentes edades en términos de tiempos de latencia de las semillas. El banco de semillas también ayuda a asegurar la supervivencia y la integridad genética de la planta anual en hábitats variables o perturbados (por ejemplo, un desierto), donde no se garantizan buenas condiciones de crecimiento todos los años. [8] Sin embargo, no todas las plantas anuales mantienen un banco de semillas. [8] En cuanto a la densidad de población, se predice que las plantas anuales con bancos de semillas serán más variables temporalmente pero más constantes espacialmente a lo largo del tiempo, mientras que se esperaría que las plantas sin banco de semillas sean irregulares (espacialmente variables). [8]
Ciertas adaptaciones reproductivas no autofecundantes, como la dioica ( cruzamiento obligado a través de individuos masculinos y femeninos separados), pueden haber surgido en especies herbáceas y leñosas de larga vida debido a los efectos secundarios negativos de la autofecundación en estas especies, en particular la carga genética y la depresión endogámica . [13] Entre las angiospermas, se sabe que la dioica es sustancialmente más común que la autoincompatibilidad pura . [8] La dioica también es más típica de árboles y arbustos en comparación con las especies anuales. [8]
La mayoría de las plantas perennes son iteróparas (o policárpicas), lo que significa que se reproducen varias veces durante su vida. [8]
Los ramets son extensiones vegetativas clonales de un genet central . Ejemplos comunes son los rizomas (tallo modificado), los macollos y los estolones . Una planta es perenne si la tasa de natalidad de los ramets excede su tasa de mortalidad. [8] Varias de las plantas más antiguas conocidas son clonales. Se ha informado que algunos genets tienen muchos miles de años, y una tasa constante de ramificación probablemente ayuda a evitar la senescencia. [8] [18] [19] La edad mínima más antigua reportada de un solo genet es de 43.600 años, para Lomatia tasmanica W.M.Curtis . [20] Se plantea la hipótesis de que algunas plantas perennes incluso muestran senescencia negativa, en la que su fecundidad y supervivencia aumentan con la edad. [19]
Entre los ejemplos de plantas con crecimiento rizomatoso se incluyen el sorgo perenne y el arroz , que probablemente comparten genes subyacentes similares que controlan el crecimiento del rizoma. [21] [22] [23] En el trigo ( Thinopyrum ), la perennidad está asociada con la producción de un conjunto secundario de macollos (tallos que surgen del meristemo apical de la corona ) después de la fase reproductiva. Esto se denomina recrecimiento del ciclo postsexual (PSCR). [11] Estos genes de larga vida en una población pueden proporcionar un amortiguador contra las fluctuaciones ambientales aleatorias. [8]
Existe una posible conexión entre la poliploidía (tener más de dos copias de los cromosomas de una persona) y la perennidad. [6] [24] Una posible explicación es que tanto la poliploidía (de mayor tamaño) como la reproducción asexual (común en las plantas perennes) tienden a ser seleccionadas en extremos inhóspitos de la distribución de una especie. [8] Un ejemplo podría ser la intrincada poliploidía de las especies perennes nativas de Australia, la especie Glycine . [25] [26]
Se ha descubierto que las especies leñosas ocupan menos nichos climáticos que las herbáceas, lo que se ha sugerido como resultado de su tiempo de generación más lento; tales diferencias en la adaptación pueden resultar en un conservadurismo de nicho entre las especies perennes, en el sentido de que su nicho climático no ha cambiado mucho a lo largo del tiempo evolutivo. [27] [28]
La semelparidad en plantas perennes es rara, pero ocurre en varios tipos de plantas, probablemente debido a cambios adaptativos para una mayor asignación de semillas en respuesta a la depredación de semillas (aunque se han propuesto otros impulsores, como la polinización sesgada). [8]
Lista de plantas perennes semélaras: [8]
La familia Polemoniaceae (phlox) muestra una flexibilidad considerable tanto en su ciclo vital como en su sistema de apareamiento, mostrando combinaciones de linajes anuales/autofecundación, anuales/exogamia, perennes/autofecundación y perennes/exogamia. Estos cambios indican un cambio de hábito más determinado ecológicamente que uno fijado filogenéticamente. [13]
La alta estocasticidad ambiental, es decir, las fluctuaciones aleatorias en el clima o el régimen de perturbaciones, pueden ser amortiguadas tanto por el hábito anual como por el perenne. [8] Sin embargo, el hábito anual está más estrechamente asociado con un entorno estocástico, ya sea inducido de forma natural o artificial. [8] [29] Esto se debe a una mayor supervivencia de las plántulas en comparación con la de los adultos en dichos entornos estocásticos; ejemplos comunes son los entornos áridos como los desiertos, así como los hábitats frecuentemente perturbados (por ejemplo, las tierras de cultivo). [8] Las especies perennes iteróparas tienen más probabilidades de persistir en hábitats donde se favorece la supervivencia de los adultos sobre la supervivencia de las plántulas (por ejemplo, con dosel, húmedo). [8] Este equilibrio entre adultos y jóvenes se puede describir sucintamente en las siguientes ecuaciones:
λa = c m a
λ p = cmp + p
m a > (o <) m p + ( p / c ) [8]
(Silvertown y Charlesworth, 2001, pág. 296)
Donde: λ a = tasa de crecimiento de la población anual. λ p = tasa de crecimiento de la población perenne. c = supervivencia hasta la edad reproductiva (floración). m a = semillas producidas por cada individuo anual (promedio). m p = semillas producidas por cada individuo perenne. p = supervivencia de los adultos. [8]
Si m a > m p + ( p / c ), el hábito anual tiene mayor aptitud . Si m a < m p + ( p / c ), el hábito perenne tiene mayor aptitud. [8] Por lo tanto, una gran parte del equilibrio de aptitud depende de la asignación reproductiva a las semillas, por lo que se sabe que las anuales tienen un mayor esfuerzo reproductivo que las perennes. [8] [30]
Diferentes patrones climáticos y de perturbaciones también pueden causar cambios demográficos en las poblaciones. [8] [31] [32]
El rasgo anual frente al perenne se ha asociado empíricamente con diferentes tasas subsiguientes de evolución molecular dentro de múltiples linajes de plantas. El rasgo perenne generalmente se asocia con una tasa de evolución más lenta que las especies anuales cuando se analiza tanto el ADN no codificante [33] [34] [35] como el codificante . [36] El tiempo de generación se implica a menudo como uno de los principales factores que contribuyen a esta disparidad, ya que las plantas perennes tienen tiempos de generación más largos y, asimismo, una tasa general de mutación y adaptación más lenta . [33] Esto puede dar lugar a una mayor diversidad genética en los linajes anuales. [37]
Grupos de taxones de plantas que han desarrollado formas de vida tanto anuales como perennes.
La selección artificial parece haber favorecido el hábito anual, al menos en el caso de las especies herbáceas, probablemente debido al rápido tiempo de generación y, por lo tanto, a una respuesta rápida a los esfuerzos de domesticación y mejora . [42] Sin embargo, las plantas perennes leñosas también ejemplifican un grupo importante de cultivos, especialmente árboles frutales y nueces. Sin embargo, los cultivos herbáceos perennes de alto rendimiento, ya sean de cereales o semillas, son prácticamente inexistentes, a pesar de los posibles beneficios agronómicos . [43] [44] Sin embargo, existen varias frutas, hierbas y verduras herbáceas perennes comunes; consulte las plantas perennes para obtener una lista.
Se sabe que las especies anuales y perennes responden a la selección de diferentes maneras. Por ejemplo, las domesticadas anuales tienden a experimentar cuellos de botella genéticos más severos que las especies perennes, que, al menos en aquellas propagadas clonalmente , son más propensas a la continuación de las mutaciones somáticas . [1] [45] Las plantas perennes leñosas cultivadas también son conocidas por su mayor tiempo generacional, el cruzamiento con especies silvestres (introduciendo nueva variación genética) y la variedad de origen geográfico. [1] Algunas plantas perennes leñosas (por ejemplo, uvas o árboles frutales) también tienen una fuente secundaria de variación genética dentro de su portainjerto (base a la que se injerta la porción aérea, el vástago ). [45]
En comparación con los monocultivos anuales (que ocupan aproximadamente 2/3 de las tierras agrícolas del mundo), los cultivos perennes brindan protección contra la erosión del suelo , conservan mejor el agua y los nutrientes y experimentan una temporada de crecimiento más larga. [46] [47] Las especies perennes silvestres a menudo son más resistentes a las plagas que los cultivares anuales, y muchos parientes silvestres de cultivos perennes ya se han hibridado con cultivos anuales para conferir esta resistencia. [46] Las especies perennes también suelen almacenar más carbono atmosférico que los cultivos anuales, lo que puede ayudar a mitigar el cambio climático . [46] [47] Las características desfavorables de estas plantas perennes herbáceas incluyen compensaciones energéticamente desfavorables y largos períodos de no productividad juvenil. [45] Algunas instituciones, como The Land Institute , han comenzado a desarrollar granos perennes , como Kernza (trigo perenne), como cultivos potenciales. [46] Algunos rasgos subyacentes a la perenneidad pueden involucrar redes relativamente simples de rasgos, que pueden conferirse a través de cruces híbridos, como en el caso del trigo perenne cruzado con el trigo anual. [11]