Seminario de Título entregado a la Universidad de Chile en cumplimiento parcial de los requisitos para optar al Título de Biólogo Ambiental. / Un banco de semillas es una acumulación de semillas en el suelo con potencial de germinar, y se encuentra en equilibrio cuando la cantidad de semillas presentes en este no varían significativamente a lo largo del tiempo. Un desequilibrio del banco de semillas puede poner en riesgo la supervivencia de una población local. El aumento en la altitud provoca cambios ambientales, generando estrés ambiental sobre las poblaciones, alterando la producción y sobrevivencia de semillas, lo cual puede afectar al banco de semillas, por lo que determinar el balance del banco a distintas altitudes ayuda en parte a entender las limitaciones a la expansión de una especie invasora hacia mayores alturas. En este estudio se analizó el equilibrio del banco de semillas de Eschscholzia californica, especie invasora en Chile, entre los 1000 a 2300 msnm en el camino que une Santiago y Farellones, Chile central. El equilibrio del banco fue analizado en dos escalas de tiempo: intraanual, medido en la misma temporada antes y después de la lluvia de semillas; e interanual, estudiado a lo largo de los años. Se esperaba un desequilibrio a escala intra e interanual en el banco de semillas a medida que se asciende por un gradiente altitudinal, causado por un aumento del estrés ambiental, donde a mayores altitudes ocurre una mayor salida de semillas por muerte y/o una menor entrada por fecundidad, mientras que, a bajas altitudes, ocurriría todo lo contrario. Se encontró que para las escalas inter e intraanual, el banco de semillas está en equilibrio para todos los rangos altitudinales medidos. El balance del banco de semillas se produjo posiblemente por una gran salida de semillas por depredación, dispersión, hundimiento, o germinación, que en total igualen el ingreso por lluvia de semillas. / A seed bank is an accumulation of seeds in the soil with the potential to germinate, and is in equilibrium when the amount of seed present does not vary significantly over time. An imbalance in the seed bank can jeopardize the survival of a local population. An increase in altitude is associated with environmental change, generating environmental stress on populations, altering the production and survival of seeds, which can affect the size of seed bank. Determining the balance of the bank at different altitudes helps in part to understand the limitations to the expansion of an invasive species towards greater altitudes. In this study, the equilibrium of the seed bank of Eschscholzia californica, an invasive species in Chile, was analyzed between 1000 and 2300 meters above sea level along the road that unites Santiago and Farellones, central Chile. The balance of the bank was analyzed in two temporal scales: intraannual, measured in the same season before and after the seed rain; and interannual, studied over two years. An imbalance of intra and interannual scale was expected in the seed bank as altitude increases caused by an increase in environmental stress, where at greater altitudes there is greater seed output due to death and/or a lower input by fecundity, while, at low altitudes, the opposite is expected. It was found that the seed bank is in equilibrium for all measured altitudinal ranges at both the inter and intraannual scales. The balance of the seed bank was possibly due to high seed loss due to predation, dispersion, subsidence, or germination, which in total equals the income of seed via the seed rain. / Proyectos Fondecyt 114000, Fondecyt 1180193, ICM-P05-002 (IEB) y PFB-23 por ayudar con el financiamiento del proyecto.

El pastoreo por grandes herbívoros modificaría la diversidad florística en las comunidades de pastizales naturales en función de su productividad e historia evolutiva. En pasti-zales con alta productividad la diversidad de especies alcanzaría un pico a intensidades intermedias de pastoreo, mientras que la resiliencia a los disturbios sería particularmente alta cuando se trata de procesos presentes en su pasado evolutivo. En el caso de los pastizales serranos del sistema de Ventania en la Provincia de Buenos Aires, Argentina, la pro-ductividad es relativamente alta y habrían evolucionado bajo cierta presión de grandes herbívoros nativos. Así, se espera que un grado de disturbio intermedio por pastoreo de grandes herbívoros promueva la diversidad florística, y que los pastizales resulten resilientes a dicho tipo de disturbio. Los objetivos específicos fueron (1) determinar la relación entre la intensidad de pastoreo y la diversidad de especies vegetales, (2) analizar la diversidad del banco de semillas y la dispo-nibilidad de sitios seguros para la emergencia de plántulas en condiciones de pastoreo y clausura, y (3) describir la recupe-ración del pastizal en respuesta a la exclusión del pastoreo por grandes herbívoros. La metodología empleada fue la comúnmente utilizada en relevamientos de vegetación complementada con experimentación manipulativa para caracterizar sitios seguros para la emergencia de plántulas. Las intensidades intermedias de pastoreo estuvieron asocia-das con los mayores valores de diversidad florística, resul-tando en el reemplazo de gramíneas palatables por gramíneas no palatables y dicotiledóneas herbáceas. El pasto-reo no generó diferencias en la abundancia y riqueza especí-fica total en el banco de semillas, aunque estuvo asociado con una disminución en la abundancia y riqueza de gramíneas en el banco de semillas. La competencia con la vegetación estable-cida constituyó la limitante primaria para la emergencia de plántulas en condiciones de exclusión del pastoreo, mientras que la escasez de mantillo y la compactación lo fueron en condiciones de pastoreo. Finalmente, la supresión del disturbio por pastoreo produjo un rápido incremento en la biomasa del pastizal y una disminución en la riqueza de especies. Al cabo de tres años de clausura al pastoreo la composición botánica del pastizal tendió a la que se supone representa la compo-sición original, dando muestras de su resiliencia. Los resultados obtenidos fueron consistentes con los esperados, sugiriendo que los pastizales serranos del sistema de Ventania son resilientes al disturbio por pastoreo de grandes herbívoros, y que una intensidad intermedia de pastoreo permite la expresión de la máxima diversidad florística. / Grazing by large herbivores may promote changes in plant diversity according to their productivity and evolutionary history of grazing. In highly productive areas, plant diversity is expected to peak at moderate grazing intensities, and to show resilience in grasslands with long evolutionary history of grazing. Ventania System grasslands are highly productive and have apparently evolved with some grazing pressure by large native herbivores. Thus, it was expected that moderate grazing intensities promoted plants diversity, and that these grasslands were resilient to grazing. The objectives of this thesis were (1) to determine the relationship between grazing intensity and plant diversity, (2) toassess the diversity of the seedbank and the availability of safe sites for seedling emergence in exclosure and grazed areas, and (3) to describe grassland restoration after large herbivores removal. Classical vegetation census techniques were used, complemented by the experimental manipulation to characterize seedling emergence in safe sites. Moderate grazing intensities increased plant diversity, and grazing induced the replace-ment of palatable grasses by unpalatable grasses and forbs species. Grazing did not generate changes on the total seed density or species richness in the seedbank, but the seed density and richness of grass seeds was reduced by grazing. Competition was the most important factor limiting seedling emergence in exclosure areas, while litter shortage and soil compactation were the limiting factors in grazing areas. Herbivores removal caused a rapid increase in biomass, while reducing species richness. Three years after herbivores removal the botanical composition tended towards the supposed pristine botanical composition, showing a high level of resilience. These results were consistent with those expected, suggesting that Ventania system mountain grasslands are resilient to grazing by large herbivores, showing maximum plant diversity at moderate grazing intensity.

La dinámica de germinación y la resistencia a herbicidas están entre los rasgos adaptativos más importantes para la evolución de las malezas en los sistemas agrícolas actuales. La dinámica de germinación puede determinar el éxito de una maleza en un agro-ecosistema y está modulada por las condiciones ambientales y los componentes endógenos y exógenos de las semillas. Por otro lado, la evolución de la resistencia a herbicidas, modulada por los factores biológicos vinculados a la especie y aquellos asociados a las prácticas de manejo, puede estar condicionada por los costos biológicos asociados a los alelos de resistencia. Raphanus sativus L. (nabón) es una maleza problemática en las regiones templadas de Sudamérica que ha desarrollado resistencia a herbicidas inhibidores de la enzima acetohidroxiácido sintasa (AHAS) debido a la mutación Trp-574-Leu. Actualmente, se desconocen los mecanismos que gobiernan la dormición y germinación en nabón, el efecto de la mutación Trp-574-Leu sobre su biología, y el efecto de su interferencia sobre los cultivos de invierno y de verano. Los objetivos de esta tesis fueron: evaluar la germinación de las semillas, aisladas y dentro de silicuas, en condiciones contrastantes de luz, temperatura y tiempos de madurez post-cosecha; estudiar los aspectos físicos, químicos y/o fisiológicos del fruto involucrados en la dormición; evaluar la dormición, germinación y emergencia de semillas y silicuas, en individuos susceptibles y resistentes, en condiciones contrastantes de luz, temperatura, humedad y profundidad; evaluar la actividad enzimática AHAS y los caracteres vegetativos y reproductivos en individuos resistentes y susceptibles en condiciones de baja (costo fisiológico) y alta (costo ecológico) interferencia; y cuantificar la merma en el rendimiento de los cultivos de colza, trigo y girasol debidas a la interferencia de densidades crecientes de nabón resistente. En este estudio, las semillas aisladas recién cosechadas no mostraron dormición primaria, pero la germinación se redujo por la exposición a la luz y la presencia del pericarpio, especialmente a bajas temperaturas. El pericarpio impuso dormición fisiológica por restricción mecánica del endocarpio a la expansión del embrión o a la absorción total de agua por las semillas. Ello tendría el potencial de dispersar o escalonar la germinación y emergencia por un período extendido y dificultar el control del nabón. El biotipo resistente mostró mayor germinación bajo exposición a la luz y, en consecuencia, mayor germinación de semillas sobre la superficie del suelo, sugiriendo mayor germinación en sistemas que podrían asemejarse a labranza cero, respecto al biotipo susceptible. Sin embargo, no se encontraron diferencias entre biotipos en la germinación en oscuridad y en la emergencia desde semillas/silicuas enterradas. En condiciones de secano, el biotipo resistente mostró retraso y reducción en la emergencia final, pero estas diferencias no fueron encontradas en condiciones de alta disponibilidad hídrica. Por otro lado, el biotipo resistente mostró menor actividad enzimática AHAS, menor materia seca aérea total y menor aptitud reproductiva que el susceptible con y sin interferencia con un cultivo. Este costo biológico podría reducir la frecuencia de los alelos resistentes en ambientes sin selección con herbicidas. Finalmente, la interferencia de nabón durante toda la estación de crecimiento resultó en graves pérdidas de rendimiento en colza y trigo, pero menores en girasol. Los resultados encontrados en esta tesis podrían ser utilizados para desarrollar estrategias de manejo en contra de las poblaciones de nabón resistente. / Germination dynamic and herbicide resistance are among the most important adaptive traits for weed evolution under current agricultural systems. Germination dynamic may determine the success of a weed in an agroecosystem and it is modulated by environmental conditions and endogenous and/or exogenous components of the seeds. On the other hand, the evolution of herbicide resistance, modulated by biological factors related to weed species and those factors associated with management practices, may be conditions by fitness cost associated with herbicide resistance alleles. Raphanus sativus L. (feral radish) is a problematic weed in temperate zones of South America that has developed resistance to acetohydroxyacid synthase (AHAS) inhibitor herbicides due to the Trp-574-Leu mutation. At present, there are no information on seed dormancy and germination, the effect of the Trp-574-Leu mutation on fitness and the effect of the interference of feral radish on winter and summer crops. The objectives of this thesis were to evaluate germination of seeds, isolated and inside pods, under contrasting conditions of light, temperature and post-harvest times; evaluate physical, chemical and/or physiological aspects of pods involved in seed dormancy; evaluate dormancy, germination and emergence of seeds, isolated and inside pods, in individuals with and without the Trp-574-Leu mutation under contrasting conditions of light, temperature, humidity and depth; evaluate AHAS activity and vegetative and reproductive traits in feral radish individuals susceptible and resistant with the Trp-574-Leu mutation under low (physiological cost) and high (ecological cost) interference; and quantify yield losses in oilseed rape, wheat and sunflower crops due to season-long interference with increasing densities of resistant feral radish. Here, fresh isolated seeds showed no primary dormancy, but germination was reduced by exposure to light and the presence of the pericarp, especially under low temperatures. The pericarp imposed physiological dormancy by mechanical restriction of the endocarp to the embryo expansion and/or to full water uptake by seeds inside it. This would have the potential to spread the germination and emergence timing over a more extended period and hindering the control of feral radish. In addition, eight of 17 feral radish accessions presented individuals widely resistant to AHAS herbicides. The resistant biotype showed higher germination under light and consequently higher germination in seeds placed on soil surface, which could increase seed germination under no-tillage system respect to the susceptible biotype. However, no differences were found between biotypes on germination in dark and emergence from buried seeds/pods. Under rainfed conditions, the resistant biotype showed delay and final reduction in emergence; however, these differences were not found under high water availability. On the other hand, the resistant biotype showed lower AHAS activity, dry biomass and reproductive traits than the susceptible under low and high intra/interspecific competition. This fitness cost could reduce frequency of the resistant alleles without herbicide selection. Finally, season- long feral radish interference resulted in serious yield losses in oilseed rape, wheat but less reduction in sunflower. The results found in this study could be used to develop management strategies against resistant feral radish populations.

La alteración de procesos ecológicos tales como la dinámica de las interacciones biológicas, el ciclado de nutrientes y la dispersión de propágulos por parte de disturbios como el sobrepastoreo, promueve la ocurrencia de invasiones biológicas. En el caso de los pastizales naturales del sistema serrano de Ventania, el sobrepastoreo ha producido el reemplazo de gramíneas palatables por comunidades con alta representatividad de gramíneas no palatables como Nassella trichotoma. Esta especie posee características que explicarían su comportamiento invasor, por ejemplo: evitación del pastoreo, tolerancia a la defoliación a través de la elaboración de una alta densidad de macollos, alta producción y frecuencia de semillas en el banco del suelo, entre otros. A pesar de lo mencionado, el conocimiento sobre cómo los procesos ecológicos vinculados a los atributos de N. trichotoma intervienen en el incremento de su representatividad en su rango de hábitats de origen es incierto. Por tanto, el objetivo general de esta tesis es contribuir al entendimiento del proceso de invasión de N. trichotoma en el pastizal serrano del Sistema de Ventania a través del análisis de las características y requerimientos de esta especie en los distintos estadios de su ciclo de vida. Los objetivos específicos de esta tesis fueron (1) cuantificar y describir el patrón de distribución espacial de N. trichotoma en el banco de semillas del suelo en áreas con diferente abundancia de la especie, (2) evaluar el reclutamiento de plántulas de N. trichotoma y de una gramínea palatable en parches de vegetación dominados por una u otra especie y bajo distintas intensidades de defoliación, (3) determinar las relaciones de competencia entre N. trichotoma y especies palatables del pastizal serrano bajo distintos niveles de intensidad y selectividad de defoliaciones (mecanismo de competencia), (4) evaluar la productividad de biomasa aérea de N. trichotoma bajo distintos niveles de intensidad de defoliación (mecanismo de tolerancia), y (5) determinar la variación temporal en la concentración de proteína y de fibra en los tejidos foliares de N. trichotoma en plantas sometidas a distintos niveles de defoliación. La metodología utilizada comprendió muestreos de banco de semillas, siembra de semillas, estudios de competencia mediada por la defoliación y análisis de calidad nutritiva de las muestras. La densidad de semillas en el banco del suelo fue relativamente elevada a todos los niveles de abundancia estudiados. El reclutamiento de N. trichotoma fue mayor en micrositios con bajos niveles de competencia aérea en comparación con una especie palatable. Al mismo tiempo, N. trichotoma presentó un cierto grado de tolerancia a la defoliación y, contrario a lo postulado, la defoliación selectiva sobre gramíneas palatables creciendo en competencia aparente con N. trichotoma no parecería beneficiar a esta última en la competencia interespecífica. Por último, los resultados no apoyaron la hipótesis que el disturbio por defoliación mejora la calidad de N. trichotoma, al menos a las intensidades de defoliación aplicadas en el presente estudio. Los resultados obtenidos aportan evidencia a que N. trichotoma presenta mecanismos ecológicos que le otorgarían a la misma un carácter invasor y atributos de especie estrés/disturbio tolerante. / The alteration of ecological processes such as dynamics of biological interactions, nutrient cycling and propagule dispersal by disturbances such as overgrazing, promotes the occurrence of biological invasions. In the case of natural grasslands of the Ventania mountain system, overgrazing has led to the replacement of palatable grasses by communities with high representativity of non-palatable grasses such as Nassella trichotoma. This species has characteristics that may explain its invasive behavior, for instance: grazing avoidance mechanism, certain degree of tolerance to defoliation relaying on the elaboration of a high density of tillers, high production and frequency of seeds in the soil seed bank, among others. In spite of the aforementioned, information about how ecological processes linked to attributes of N. trichotoma intervene in increasing their representativeness in its region of origin is lacking. The specific objectives of this thesis were (1) to quantify and describe the spatial distribution pattern of N. trichotoma propagule density in the soil seed bank in areas with different species abundance in the established vegetation, (2) to evaluate the recruitment of seedlings of N. trichotoma and a palatable grass species in microsites located in patches of vegetation dominated by one or another species and under different intensities of defoliation, (3) to determine the competition relationships between N. trichotoma and a palatable species under different levels of intensity and selectivity of defoliation (competition mechanism), (4) to evaluate the standing biomass productivity of N. trichotoma under different levels of defoliation intensity (tolerance mechanism), and (5) to determine the temporal variation of physicochemical quality of foliar tissue of N. trichotoma under different intensities of defoliation. The methodology included seed bank sampling, seed sowing, competition studies mediated by defoliation and nutritional quality analysis of the samples. Seed density in the soil bank was relatively high at all abundance levels. The recruitment of N. trichotoma was higher at microsites with low levels of aerial competition in comparison to the palatable species. At the same time, N. trichotoma presented a certain degree of tolerance to defoliation and, contrary to expectations, selective defoliation on palatable grasses growing in apparent competition with N. trichotoma did not benefit the latter in interspecific competition. Finally, the results did not support the hypothesis that defoliation increases the chemical quality of N. trichotoma, at least at the intensities of defoliation applied in the present study. The results obtained provide evidence that N. trichotoma presents ecological mechanisms that may explain its invasive character and attributes of a stress/tolerant species.

Desde el comienzo de la actividad agropecuaria en el ecotono austral de la Región Pampeana y el Caldenal, los cambios de uso de la tierra han provocado la degradación del pastizal prístino. En términos de composición florística, la situación queda reflejada en la escasa representatividad o ausencia de las gramíneas perennes preferidas (GPP). La importancia de restaurar el pastizal al menos en partes de estas tierras radica en su conservación, y al rol que podría tener en la alimentación del ganado doméstico. La hipótesis de trabajo de mi tesis establece que la baja riqueza de especies y abundancia relativa de GPP en pastizales del ecotono austral de la Región Pampeana y el Caldenal, se debe a la escasa disponibilidad de semillas para el establecimiento de nuevos individuos y al sobrepastoreo de las plantas establecidas. Para la prueba de hipótesis, en un sitio representativo del pastizal en estudio se cuantificó el banco de semillas del suelo, se determinó el establecimiento de GPP a lo largo de dos ciclos anuales de crecimiento luego de un evento de adición de semillas de cinco especies del grupo, y se comparó la respuesta productiva de Nassella neesiana sin defoliar y defoliada a intensidad alta o baja. La disponibilidad de semillas germinables de GPP en el banco del suelo fue similar a las del grupo de gramíneas perennes no preferidas, y en ambos casos menor a las del resto de las especies (gramíneas anuales y dicotiledoneas), aunque la mayor parte (83%) de las semillas germinables del primer grupo (GPP) estuvo concentrada en dos especies. El agregado de semillas de GPP resultó en el establecimiento exitoso de una especie (Poa ligularis) únicamente. La intensidad de defoliación alta afectó en forma negativa la producción de biomasa aérea y subterránea y la producción de semilla de N. neesiana. En general los resultados obtenidos fueron consistentes con la hipótesis que la baja representación de las GPP en pastizales del ecotono austral de la Región Pampeana y del Caldenal se debe a la baja disponibilidad de semillas en el banco del suelo y al sobrepastoreo de las plantas establecidas. Palabras clave: pastizales, defoliación, gramíneas perennes preferidas, banco de semillas del suelo, degradación, mejoramiento. / Since the beginning of agricultural activities in the austral ecotone of the Región Pampeana and the Caldenal, land use change has caused rangeland degradation. In floristic terms, degradation is reflected in the scarcity or even absence of preferred perennial grasses (PPG). The importance of rangeland restoration at least in part of the land is because conservation purposes, and also for domestic livestock feeding. The hypothesis of my thesis is that low species richness and relative abundance of PPG in the austral ecotone of the Región Pampeana and the Caldenal, is due to low seed availability for seedling recruitment and overgrazing of established plants. To test the hypothesis, in a representative site of the studied rangeland I quantified soil seed bank, determined PPG establishment along two annual growing cycles after seed addition of five PPG, and compared the productive responses of Nassella neesiana without defoliation and defoliated at high or low intensity. Germinable seed availability of PPG in the soil bank was similar to that of non-preferred perennial grasses, and lower than the rest of species (annual grasses and dicotyledonous species), although most (83%) of the germinable seeds of PPG were accounted by two species. Seed addition of PPG resulted in successful establishment of one species (Poa ligularis) only. High defoliation intensity was detrimental for above-belowground biomass and seed production of N. neesiana. In general the results were in agreement with the hypothesis that low species richness and relative abundance of PPG in the studied rangeland, is due to low seed availability for seedling recruitment and overgrazing of established plants.