Journal of Fruit and Ornamental Plant Research                        Vol. 12, 2004: 127­136

INTRODUCING AND GROWING SOME FRUITINGCOLUMNAR CACTI IN A NEW ARID ENVIRONMENT

Ahm e d   A .   E l O b e i d y

Department of Fruit Horticulture, Faculty of AgricultureCairo University, Giza, EGYPTe­mail: elobeidy@hotmail.com

(Received January 23, 2004/Accepted August 11, 2004)

A B S T R A C T

One  of  the  most  important  ways  of  coping  with  increasingly  frequent  watershortages is improving the efficiency of water use. Planting drought­resistant crops isa  promising  way  of  reducing  the  demand  for  water.  Columnar  cacti  are  especiallydrought­tolerant and highly productive even though they consume very little water. Inthe United Arab Emirates,  seven columnar  fruiting cacti were evaluated  in  terms oftheir capacity  for vegetative growth  in a new arid environment. The cacti evaluatedwere:  Carnegiea  gigantea,  Myrtillocactus  geometrizans,  Pachycereus  pecten­aboriginum, P. pringlii, Stenocereus griseus, S. stellatus and S. thurberi. Plants werepropagated from cuttings in a greenhouse. Roots developed within two to four weeksof planting. The plants were acclimatized and transplanted in an orchard in the desert.Although  the  cacti  varied  widely  in  terms  of  growth,  most  of  them  are  promisingspecies for cultivation in desert environments.

Keywords: arid environment, cactus, fruits, new crops, water use efficiency

INTRODUCTION

One­third  of  the  world's  popu­lation faces water shortages, and thisis expected to rise to two­thirds by theyear  2025  (U.N.  Report,  2000).Government­sponsored  investmentshave  increased urban  landscaping  andagriculture activities, which has  resul­ted  in  severe  over­use  of  waterresources beyond the natural renewalcapacity  (Wilhite,  2000).  The  first

major  step  in  coping with  imminentwater shortages is the formulation andimplementation  of  a  comprehensivewater  management  plan  that  reducesthe  imbalance  between  supply  anddemands.  A  well­designed  plan  willfocus  primarily  on  wise  water  mana­gement and on curbing rising demand(Rogers, 1994).There is a growing need for new

approaches  to  water  management  inarid  and  semi­arid  environments,  as

A.A. ElObeidy

J. Fruit Ornam. Plant Res. vol.12, 2004: 127­136128

were  as  in  other  environments  wererainfall  is  unreliable.  A  search  forhighly  productive,  drought­resistantfruit crops  is underway  to address  theneeds  of  farmers  living  in  drought­prone areas.Columnar  cacti  are  among  the

drought  resistant plants  under  consi­deration.  Many  columnar  cactiproduce  unique  fruits  which  can  beeaten  fresh  or  dried,  or  be  processedinto  juice.  Some  cacti  promise  to  beprofitable  commercial  crops  (Casaset al., 1997).The Cactaceae are a large family

of  succulents whose natural  range  isalmost entirely restricted  to the NewWorld  (Anderson,  2001). They  haveevolved  physiological  and  morpho­logical  adaptations  which  enablethem  to grow  in  habitats  far  too dryfor  other  plants  (Mauseth,  2000).They also  tolerate high  temperaturesand  poor  soils,  which  makes  themhighly  adaptable  to  new  environ­ments. Cacti can grow in dry, infertilemarginal  land  where  common  cropscannot  grow. As  succulents,  cacti  cansurvive  long  periods  of  drought  byliving off water stored in their tissues.Water  taken  up  into  the  stem  isincorporated  in  a  mucilaginous  sub­stance  that  does  not  evaporate  asreadily  as  water  (Saag  et  al.,  1975).Cacti  are  not  only  resistant  todesiccation,  but  are  also  extremelytolerant  of  desiccation when  it  occurs(Sowell,  2001).  However,  they  areextremely  susceptible  to  root  rotwhen they are grown in waterloggedsoil. Large columnar cacti consistingof only a few cylinders transpire lessand  are  more  drought  resistant  than

smaller  cacti  with  more  segments.Cactus  spines  create  a  microclimatearound  the  stem,  which  is  coveredwith a waxy cuticle.Among  the  adaptations  which

enable  cacti  to  tolerate  harsh  con­ditions  are:  a  stem  capable  of  storingwater;  the  reduction  or  absence  ofleaves; a waxy cuticle (Sowell, 2001);opening  of  the  tissues  during  thenight  to  facilitate  the  uptake  ofcarbon  dioxide;  and  CrassulaceanAcid  Metabolism  (CAM)  (Malda  etal., 1999). Two cactus structures, ribsand  tubercles,  enable  the  stem  toexpand  and  contract  in  response  tochanges in water availability. Cactusroots  are  usually  shallow  and  non­succulent,  and  require  little  water.When  the  soil  dries,  the  fine  lateralroots  generally  die,  while  the  largerroots  become  covered  with  a  corkylayer (periderm) (Sowell, 2001). Waterconductivity  in  the  roots  decreasesdramatically during soil drying, whichreduces  water  loss  from  the  planttissues  to  the  soil  (Huang  and Nobel,1994; Nobel and Cui, 1992).The  aim  of  this  study  was  to

evaluate  the capacity of  seven speciesof  fruiting  columnar  cacti  for  vege­tative  growth  in  a  new  arid  environ­ment in Al­Oha, United Arab Emirates.

MATERIAL AND METHODS

Plant material and propagation

Cacti  can  be  propagated  eitherfrom seed or cuttings (Lopez­Gomez etal.,  2000).  Asexual  propagationproduces  daughter  plants  which  aregenetically identical to the parent plant.This allows a superior genotype  to be

Growing some fruiting columnar cacti in a new arid environment

J. Fruit Ornam. Plant Res. vol.12, 2004: 127­136 129

perpetuated  without  losing  any  desir­able traits (ElObeidy, 2001).Cuttings  of  seven  fruiting  cacti

were obtained from private nurseriesin  Brazil,  Mexico  and  the  UnitedStates.  The  cacti  evaluated  were:Carnegiea  gigantea,  Myrtillocactusgeometrizans,  Pachycereus  pecten­aboriginum, P.  pringlii, Stenocereusgriseus, S. stellatus and S. thurberi.The  cuttings  were  allowed  to  dry

in  a  warm,  dry  area  for  ten  days  topermit  the  cut  surface  to  heal  anddevelop  callus.  The  callus  helpsprevent  rotting  when  the  cutting  isplaced in a rooting material. The largerthe  cutting,  the  longer  it  should  bedried.After  drying,  each  cutting  was

placed  in  the  center  of  a  60  cmflowerpot  one­third  filled  with  a pot­ting mix of one part peat and two partssoil. The flowerpots were then filled tothe  two­thirds  level  with  the  samepotting  mix  and  kept  in  a green­house.

Orchard and transplantation

The  orchard  used  in  this  studywas  located  in  the  Al­Oha  area,United  Arab  Emirates.  The  soil  issandy and has a salinity of 2200 ppm.The  chief  salt  in  the  soil  is  sodiumchloride.  An  underground  aquifer  isthe  only  source  of  irrigation  water,which  has  a  salinity  of  up  to  2800ppm.  Local  temperatures  can  reach49°C during the summer. The averageannual rainfall is 77 mm.In the autumn, plants were taken

out of the greenhouse, acclimated forten days in the shade, and planted inthe orchard.

The  cacti  were  carefully  slippedout  of  the  flowerpots  and planted  inholes which were about 15 cm widerand  a  few  centimeters  deeper  thanthe flowerpots. Heavy gloves and 30cm  forceps  were  used  to  avoidinjuring  the  technicians  and  plants.The  soil  was  lightly  firmed  aroundthe  plants.  The  plants  were  thenwatered thoroughly.A drip  irrigation system was used

in the orchard. Fertilizer (12:4:24) wasapplied one month after  transplanting,and once a month after that.

Data analysis

Data  were  collected  in  twosuccessive  seasons  (2001/2002  and2002/2003).  The  data  recordedincluded:  percentage  of  survivingplants;  growth  rate  (stem  length  anddiameter);  number  of  ribs;  number,length  and  distribution  of  spines;  androot  development.  Other  observationson  growth  behavior  were  alsorecorded. Thirty plants of each specieswere evaluated. Thirty more plants ofPachycereus  pecten­aboriginum wereevaluated  to  determine  the  effect  ofplanting  time  on  growth  anddevelopment (Tab. 2).Means  were  compared  using

Duncan’s  multiple  range  t­test  atP = 0.05.

RESULTS AND DISCUSSION

Seven species of columnar fruitingcacti were  evaluated  in  terms  of  theircapacity  for  vegetative  growth  ina new  arid  environment  in  Al­Oha,United Arab Emirates.

A.A. ElObeidy

J. Fruit Ornam. Plant Res. vol.12, 2004: 127­136130

Most of the cacti adapted well tothe  new  environment.  In  the  localclimate,  the  growing  season  lastedfrom  the  middle  of  September  untilthe  middle  of  June.  No  growth  ordevelopment  was  observed  duringthe hot summer months.After  being  planted  in  the

orchard, Myrtillocactus geometrizansshowed  yellowing  in  response  tostress.  The  stems  were  blue­greenwith  four  to  six  ribs,  and  grew  3.3cm/month in height and 0.7 cm/monthin  diameter  (Tab.  1).  Numerous  up­curving  branches  began  to  developa month after transplanting (Fig. 1 andTab.  3).  Each  areole  consisted  ofa 3.0 cm long central spine surroundedby five 1.0 to 1.5 cm long peripheralspines. New spines were reddish, andold spines were lead­colored. On theolder  parts  of  the  stem,  the  spineshad  fallen  off  and  smaller,  0.1  to0.3 cm long spines had developed intheir place.Native  to  Central  Mexico  and

Guatemala, M.  geometrizans produ­ces berry­like fruits in large numbersalong  the  rib  edges.  The  fruits  havecommercial  potential  and  can  befound  in  local  markets  in  centralMexico (Reynoso et al., 1997).With M.  geometrizans  and  some

of  the  other  cacti  evaluated,  exces­sive  irrigation  caused  stem  cracking(Fig.  2).  Prolonged  over­wateringcaused wilting and, eventually, death.Pachycereus pringlii also showed

some  yellowing  after  planting,  butonly  on  the  side  facing  the  sun.New growth was pink (Fig. 3). Thestems  had  thirteen  ribs  and  grew3.7  cm/month  in  height  and

0.8 cm/month  in  diameter.  Eachareole  consisted  of  fourteen  1.0  to3.0 cm long spines, one  to  three ofwhich  were  central  spines.  Allspines  on  the  new  growth  were  redand turned white with age.Pachycereus  pecten­aboriginum

had stems which had eight  to  ten  ribsand  which  grew  3.9  cm/month  inheight  and 0.7 cm/month  in diameter.Spines on the new growth were brightreddish­brown  and  turned  white  withage  (Fig. 4). Each  areole  consisted ofone  3.3  cm  long  central  spinesurrounded  seven  or  eight  1.0  cmlong peripheral spines.Neither  species  of  Pachycereus

developed branches or sprouts duringthe  first  two  seasons.  However,  intheir  natural  habitat,  Pachycereusspecies develop erect branches closeto  the  ground  which  grow  almoststraight up. The branches are  almostas  big  as  the  main  stem  (Anderson,2001).Both  species  of  Pachycereus

produce  edible  fruits  with  sweet,juicy,  pink  or  red  flesh  and  smallblack seeds (Felger and Moser 1974;1976).The stems of Stenocereus stellatus

showed  reddening  on  the  side  facingthe  sun  (Fig.  5). The  stems  had  eightribs and grew 3.8 cm/month  in heightand 0.6 cm/month in diameter (Tab. 1).Spines  on  the  new  growth  werereddish­brown.  Each  areole  consistedof  a  2.0  to  3.0  cm  long  central  spinesurrounded  by  seven  or  eight  0.5  to2.0 cm long peripheral spines.The  rib  edges  of  Stenocereus

griseus showed reddening on the sidefacing the sun (Fig. 6). The stems had

Growing some fruiting columnar cacti in a new arid environment

J. Fruit Ornam. Plant Res. vol.12, 2004: 127­136 131

T a b l e   1 .  Growth  rate  as  an  increase  in  stem  length  and  diameter  in  fruitingcolumnar cacti

SpeciesIncrease in length[cm/month]

Increase in diameter[cm/month]

Carnegiea gigantea 0.3 0.3Myrtillocactus geometrizans 3.3 0.7Pachycereus pecten­aboriginum

3.9 0.7

P. pringlii, 3.7 0.8Stenocereus griseus 3.7 0.8S. stellatus 3.8 0.6S. thurberi 2.1 0.8

T a b l e   2 .   Effect of transplanting date on growth rate and survival of Pachycereuspecten­aboriginum in the orchard

Date of transplantingIncrease in length[cm/month]

Increase indiameter[cm/month]

Percentagesurvival

August 15th 3.3  b 0.6  b   95September 15th 3.6  b 0.6  b 100October 15th 4.1  a 0.7  a 100February 15th   3.1  bc 0.5  c   95March 15th 2.1  d 0.4  d   75

*Results followed by the same letter do not differ significantly at P = 0.05 according to Duncan’s t­test

T a b l e   3 . Number of branches or sprouts per plant in fruiting columnar cacti

SpeciesNumber of branchesor sprouts per plant

Carnegiea gigantea 0Myrtillocactus geometrizans 5Pachycereus pecten­aboriginum 0P. pringlii 0Stenocereus griseus 2S. stellatus 2S. thurberi 0

A.A. ElObeidy

J. Fruit Ornam. Plant Res. vol.12, 2004: 127­136132

Figure 1. Myrtillocactus geometrizans Figure 2. Cracked stem as affected byexcessive irrigation

Figure 3. Pachycereus pringlii Figure 4. Pachycereus pecten­aboriginum

Growing some fruiting columnar cacti in a new arid environment

J. Fruit Ornam. Plant Res. vol.12, 2004: 127­136 133

Figure 5. Stenocereus stellatus Figure 6. Stenocereus griseus

Figure 7. Stenocereus thurberi Figure 8. Carnegiea gigantea

A.A. ElObeidy

J. Fruit Ornam. Plant Res. vol.12, 2004: 127­136134

seven  ribs  and  grew 3.7  cm/month  inheight  and 0.8  cm/month  in diameter.Each  plant  developed  two  sproutsduring  the  first  growing  season.  Eachareole  had  one  2.0  to  4.0  cm  longcentral  spine  surrounded  by  seven  oreight  1.0  to  2.0  cm  long  peripheralspines.In  Mexico.  the  most  important

species  of  Stenocereus are  S.griseus and  S.  stellatus.  Pulp  colordiffers from clone to clone, and may bewhite, orange, pink, or red. The skin ofthe  fruit  is  usually  green,  butsometimes  various  shades  of  red  arealso  seen  (Casas  et  al.,  1999; Gibson,1991; Silivius, 1995; Pimienta­Barriosand Nobel, 1994).Stenocereus  thurberi  developed

purple  areoles  after  being planted  inthe orchard (Fig. 7). The stems grew2.1  cm/month  in  height  and  0.8cm/month in diameter.S.  thurberi grows wild  in Arizona

and  Northwestern  Mexico,  andproduces  red  fruits  that  split  whenmature  to  reveal  red  flesh  inside(Anderson, 2001).Carnegiea  gigantea grew  very

slowly.  The  stems  had  thirteen  orfourteen  ribs  and  grew  only  0.3cm/month  in  height  and  0.3cm/month  in  diameter  (Tab.  1,  Fig.8).  Each  areole  consisted  of  two  orthree  2.0  cm  long  central  spinessurrounded by fourteen to sixteen 1.0to 1.5 cm long peripheral spines. Thespines  were  reddish­brown  on  newgrowth and turned gray with age.Although C. gigantea bears edible

fruits, it has little agricultural potential.

The  fruits  are  usually  collected  fromwild plants (Crosswhite, 1980).One of  the most  important ways

of  coping  with  increasingly  frequentwater  shortages  is  improving  theefficiency  of  water  use.  Plantingdrought­resistant  crops  is  a  promisingway of reducing the demand for water.Columnar cacti are especially drought­tolerant  and  highly  productive  eventhough  they  consume  very  littlewater.The fruiting cacti evaluated in this

trial  can  be  used  to  establish  newsuccessful  plantations  in  other  aridareas. Cacti can also play an importantecological  role  in  combating  deser­tification.

REFERENCES

Anderson  E.F.  2001.  The  cactusfamily. Oregon, USA: Timber Press.776 p.

Casas  A. ,   Cabal lero  J . ,   Val ient ­Banuet   A. ,   Sor iano  J .A. ,Davi l la   P.  1999.  Morphologicalvariation  and  the  process  ofdomestication  of  Stenocereusstellatus  (Cactaceae).  AMER.  J.BOTANY 86: 522­533.

Casas  A. ,   Pickersgi l l   B. ,Cabal lero  J . ,   Valient ­BanuetA.  1997.  Ethnobotany  anddomestication  in  xoconochtli,Stenocereus stellatus (Cactaceae), inthe  Tehuacan  Valley  and  LaMixteca Baja, Mexico. ECONOMICBOTANY 51: 279­292.

Crosswhi te   F.S.  1980.  Dry  countryplants  of  the  south  Texas  plains.DESERT PLANTS 2: 141­179.

Growing some fruiting columnar cacti in a new arid environment

J. Fruit Ornam. Plant Res. vol.12, 2004: 127­136 135

ElObeidy   A.A.  2001.  In  vitroregeneration  of  carob.  BULL.  FAC.AGRIC. CAIRO UNIV. 52: 297­308.

Felger   R.S. ,   Moser  M.B.  1974.Columnar  cacti  in  Seri  Indianculture. KIVA 39: 257­275.

Felger ,   R.S. ,   Moser  M.B.  1976.Seri  Indian  food  plants:  desertsubsistence  without  agriculture,  J.ECOL. FOOD. NUTR. 5: 13­27.

Gibson  A.C.  1991.  The  systematicsand  evaluation  of  subtribeStenocereus  griseus.  CACTUSSUCCULENT J. 63: 92­99.

Huang  B. ,   Nobel   P.S.  1994.  Roothydraulic  conductance  and  itscomponents,  with  emphasis  ondesert  succulents.  AGRON.  J.  86:767­774.

Lopez­Gomez  R. ,   Diaz­PerezJ.C. ,   F lores ­Mart inez  G. 2000.Vegetative  propagation  of  threespecies of cacti: pitaya (Stenocereusgriseus),  Tunillo  (Stenocereusstellatus)  and  jiotilla  (Escontriachiotilla). AGROCIENICA 34: 363­367.

Malda  G. ,   Backhaus   R.A. ,Mart in  C.  1999.  Alterations  ingrowth  and  crassulacean  acidmetabolism  (CAM)  activity  of  invitro  cultured  cactus.  PLANTCELL,  TISSUE  ORGANCULTURE 58: 1­9.

Mauseth   J .D.  2000.  Theoreticalaspects  of  surface­to­volume  ratiosand  water­storage  capacities  ofsucculent  shoots.  AMER.  J.BOTANY 88: 1107­1115.

Nobel  R.S. ,  Cui  M. 1992. Hydraulicconductances  of  the  soil.  the  root­soil air gap, and the root changes fordesert  succulents  in  drying  soil.  J.EXP. BOTANY 43: 319­326.

Pimienta­Barr ios  E. ,   Nobel   R.S.1994.  Pitaya  (Stenocereus  spp.,Cactaceae): An  ancient  and modernfruit  crop  of Mexico. ECON. BOT.48: 76­83.

Reynoso  R. ,   Garcia  F.A.,Morales   D. ,   Gonzalez  deMejia   E .   1997.  Stability  ofbetalain  pigments  from  a Cactaceaefruits.  J.  AGR.  FOOD  CHEM.  45:2884­2889.

Rogers  P.   1994.  The  agenda  for  thenext  thirty  years.  In:  P.  Rogers  andP.  Lydon  (eds.), Water  in  the  Arabworld,  perspectives  and  progress.Division  of  Applied  Sciences,Harvard University.

Saag   L.M.K.,   Sanderson  G.R.,Moyna  P. ,   Ramos  G.  1975.Cactaceae  mucilage  composition.  J.SCI. FOOD AGR. 26: 993­1000.

Si l iv ius  K.M. 1995. Avian consumersof  cardon  fruits  (Stenocereusgriseus:  Cactaceae)  on  MargaritaIsland,  Venezuela.  BIOTROPICA27: 96­105.

Sowel l   J .  2001.  Desert  ecology.  Anintroduction  to  life  in  the  aridSouthwest. University of Utah Press,Salt Lake City, USA. 192 pp.

Wilhi te   D.A. 2000. Drought: a globalassessment.  Natural  Hazards  andDisasters  Series.  RoutledgePublishers, London, 700 pp.

A.A. ElObeidy

J. Fruit Ornam. Plant Res. vol.12, 2004: 127­136136

WZROST I UPRAWA OWOCUJĄCYCH KAKTUSÓWKOLUMNOWYCH W ŚRODOWISKU PUSTYNNYM

Ahm e d   A .   E l O b e i d y

S T R E S Z C Z E N I E

Jednym  z  najważniejszych  sposobów  zapobiegania  pogłębiającemu  siędeficytowi  wody  jest  poprawa  skuteczności  jej  użytkowania.  Obiecująco  w  tymkontekście  przedstawia  się  uprawa  roślin  przystosowanych  do  suchego  środowiska.Należą do nich kaktusy kolumnowe, które są wyjątkowo odporne na suszę, a przy tymich  produktywność  jest  wysoka,  pomimo  że  zużywają  one  bardzo  mało  wody.Przydatność siedmiu gatunków kolumnowych kaktusów: Carnegiea gigantea, Myrtil­locactus  geometrizans,  Pachycereus  pecten­aboriginum,  P.  pringlii,  Stenocereusgriseus,  S.  stellatus  i  S.  thurberi  do  uprawy  w  suchym  środowisku  testowanow Zjednoczonych  Emiratach  Arabskich.  Rośliny  rozmnażano  z  sadzonek  zielnychw szklarni.  Wytworzyły  one  korzenia  po  upływie  2  do  4  tygodni  od  posadzenia.Ukorzenione  rośliny  były  aklimatyzowane  i  posadzone  w  sadzie  na  pustyni.Jakkolwiek wzrost tych kaktusów był bardzo zróżnicowany, większość z nich nadajesię do uprawy w środowisku pustynnym.

Słowa kluczowe: suche środowisko, kaktusy, owoce, nowe odmiany, deficyt wody