Chemical Defense and the Persistence of Pioneer Plant Seeds in the Soil of a Tropical Cloud Forest

We present evidence that differences in soil seedbank persistence among pioneer plants in the cloud forest of Monteverde, Costa Rica, are influenced by differences in seed chemical defense. We used extracted seed chemicals from Bocconia frutescens (Papaveraceae), Guettarda poasana (Rubiaceae), Phytolacca rivinoides (Phytolaccaceae), Urera elata (Urticaceae), Cecropia polyphlebia (Cecropiaceae), and Witheringia meiantha (Solanaceae) to assess seed chemical defense in two ways: (1) a plant pathogen inhibition assay using Pythium irregulare; and (2) a brine shrimp toxicity assay using Artemia salina. The combined performance of each species in the two assays positively correlated with seedbank persistence. In the pathogen assay, mycelium growth was reduced when Pythium was cultured on media containing seed extracts from the three species with the greatest seed longevity in the soil (i.e., Bocconia, Guettarda, and Phytolacca). Bocconia, the most persistent species, was the only species that contained chemicals toxic to brine shrimp, an indication of defense against arthropods. We focused on Bocconia defense by isolating the chemicals toxic to brine shrimp and identified them as dihydrosanguinarine, dihydrochelirubine, and dihydrochelerthrine. We found these alkaloids in Bocconia seeds at much higher concentrations (∼50 mg/g seed material) than in leaves. These chemicals are likely responsible for the exceptional longevity of Bocconia seeds in the soil. Phytolacca and Guettarda seeds also remain viable in the soil for long periods probably due to antipathogen chemicals detected in our analyses. In contrast, the species that do not persist (i.e., Urera, Cecropia, and Witheringia) lacked seed defensive chemicals in our assays. Abstract in Spanish is available at http://www.blackwell-synergy.com/loi/btp. RESUMEN En este trabajo presentamos evidencia que sugiere que la diferencia en la persistencia de las semillas de plantas pioneras en el suelo del bosque nublado de Monteverde (Costa Rica), se debe a que contienen distintas defensas quimicas. Para caracterizar estas defensas quimicas, extrajimos los quimicos de las semillas de Bocconia frutescens (Papaveraceae), Guettarda poasana (Rubiaceae), Phytolacca rivinoides (Phytolaccaceae), Urera elata (Urticaceae), Cecropia polyphlebia (Cecropiaceae), y Witheringia meiantha (Solanaceae), e hicimos dos tipos de ensayos: 1. inhibicion de crecimiento de patogenos, usando Pithium irregulare, y 2. ensayo de toxicidad con el camaron de agua salada Artemia salina. El patogeno Pithium crecio menos en medios de cultivo que contenian los extractos quimicos de las semillas mas persistentes en el suelo (i.e. Bocconia, Guettarda y Phytolacca). Mas aun, los extractos de las semillas de Bocconia fueron los unicos que resultaron altamente toxicos para los camarones. Los resultados de estos dos tipos de ensayos fueron combinados en un solo indice de defensa quimica para cada especie que correlaciono positivamente con la persistencia de las semillas en el suelo. Adicionalmente, estudiamos mas a fondo la defensa de Bocconia, la especie mas persistente, e identificamos los alcaloides de sus semillas como deshidrosanguinarina, deshidroquelirubina, y deshidroquelertrina; las concentraciones de estos alcaloides son mucho mas altas en las semillas (∼50 mg/g material de semilla) que en las hojas. Nuestros resultados sugieren que la excepcional longevidad de estas semillas en el suelo se debe a su composicion quimica. De la misma manera, es probable que los quimicos de las semillas de Guettarda y Phytolacca sean los responsables de su prolongada viabilidad en el suelo por inhibir patogenos. A diferencia de estas especies, las semillas que no persisten por largo tiempo en el suelo (i.e., Urera, Cecropia, y Witheringia) no mostraron evidencia de defensas quimicas en nuestros ensayos.