Una nueva investigación en plantas que colonizaron la base de un estratovolcán activo revela que dos simples pasos moleculares reconfiguraron el transporte de nutrientes, lo que permitió la adaptación.
Un equipo internacional dirigido por Angela Hancock en el Instituto Max Planck para la Investigación de Fitomejoramiento en Colonia (Alemania) e integrado por científicos de la Associação Projecto Vitó y el Parque Natural do Fogo (Cabo Verde), la Universidad de Nottingham (Reino Unido) y la Universidad de Bochum (Alemania) estudió un berro salvaje (Arabidopsis thaliana) población que colonizó la base de un estratovolcán activo. Descubrieron que un proceso molecular de dos pasos reconectó el transporte de nutrientes en la población. Los hallazgos, publicados hoy en la revista Avances de la ciencia, revelan un caso excepcionalmente claro de marcha adaptativa en una población salvaje. El descubrimiento tiene implicaciones más amplias para la biología evolutiva y la mejora de cultivos.
Adaptarse a un nuevo entorno de suelo
La homeostasis de nutrientes es crucial para el crecimiento adecuado de las plantas y, por lo tanto, fundamental para la productividad de los cultivos. Identificar los cambios genéticos que permiten que las plantas prosperen en nuevas condiciones de suelo proporciona información sobre este importante proceso. Sin embargo, dado el inmenso tamaño de un genoma, es un desafío identificar las variantes funcionales específicas que permiten la adaptación.
Los miembros del equipo de investigación encontraron previamente que las poblaciones silvestres de la planta modelo molecular, Arabidopsis thaliana, comúnmente conocido como thale cress, colonizó las islas de Cabo Verde desde el norte de África y se adaptó usando nuevas mutaciones que surgieron después de la colonización de las islas. Aquí, los científicos se centran en la población de berros thale de la isla de Fogo, que crece en la base del Pico de Fogo, un estratovolcán activo. «Queríamos saber: ¿Qué se necesita para vivir en la base de un volcán activo? Como las plantas se adaptan a el suelo volcánico de Fogo?»dijo Hancock.
«Lo que encontramos fue sorprendente», dijo Emmanuel Tergemina, primer autor del estudio. «Mientras que las plantas de Fogo parecían estar saludables en su entorno natural, crecieron mal en tierra para macetas estándar». El análisis químico de los suelos de Fogo mostró que estaban severamente depauperados de manganeso, un elemento que es crucial para la producción de energía y el crecimiento adecuado de las plantas. Por el contrario, las hojas de las plantas de Fogo cultivadas en tierra para macetas estándar contenían altos niveles de manganeso, lo que sugiere que las plantas habían desarrollado un mecanismo para aumentar la absorción de manganeso.
Dos pasos evolutivos hacia un nuevo pico adaptativo
Los científicos utilizaron una combinación de mapeo genético y análisis evolutivo para descubrir los pasos moleculares que permitieron que las plantas colonizaran el suelo limitado en manganeso de Fogo.
En un primer paso evolutivo, una mutación interrumpió el gen primario de transporte de hierro (IRT1), eliminando su función. La interrupción de este gen en una población natural fue sorprendente porque este gen clave existe intacto en todas las demás poblaciones mundiales de la especie berro thale; tales interrupciones no se encuentran en otros lugares. Además, los patrones de variación genética en el IRT1 región genómica sugieren que la versión interrumpida de IRT1 fue importante en la adaptación. La reconstrucción evolutiva muestra que la mutación se extendió rápidamente a toda la población de Fogo, de modo que todas las plantas de berros de Fogo thale ahora portan esta mutación. Usando tecnología de edición de genes (CRISPR-Cas9), los investigadores examinaron los efectos funcionales de IRT1 interrupción en Fogo y descubrió que aumenta la acumulación de manganeso en la hoja, lo que podría explicar su papel en la adaptación. Sin embargo, la pérdida del transportador IRT1 tuvo un costo: redujo severamente el hierro de la hoja.
En un segundo paso evolutivo, el gen transportador de metales NRAMP1 se duplicó en múltiples eventos paralelos. Estas duplicaciones se extendieron rápidamente de modo que ahora casi todas las plantas de berros thale en Fogo tienen múltiples copias de NRAMP1 en sus genomas. Estas duplicaciones amplifican NRAMP1 función génica, aumentando el transporte de hierro y compensando la deficiencia de hierro inducida por IRT1 ruptura. Además, la amplificación se produjo por varios eventos de duplicación independientes en toda la población de la isla. Esto fue inesperado dado el corto tiempo transcurrido desde la colonización (alrededor de 5000 años) y la falta de eventos similares en otras poblaciones del mundo. «El rápido aumento en la frecuencia de estas duplicaciones, junto con su efecto beneficioso sobre la homeostasis de los nutrientes, indica que fueron importantes en la adaptación», explicó Hancock. «En general, nuestros resultados brindan un ejemplo excepcionalmente claro de cómo los cambios genéticos simples pueden reconfigurar el procesamiento de nutrientes en las plantas, lo que permite la adaptación a un entorno de suelo novedoso».
Implicaciones para la mejora de cultivos
Estos resultados también brindan algunas noticias alentadoras para el mejoramiento de cultivos. Tradicionalmente, la información sobre la función de los genes proviene de estudios de líneas mutantes individuales. Sin embargo, al utilizar la variación que existe en la naturaleza, es posible descubrir procesos de múltiples pasos más complejos que pueden conducir a cambios en los rasgos relevantes para la agricultura. «El descubrimiento de que un proceso simple de dos pasos altera el transporte de nutrientes en este caso puede ofrecer pistas para enfoques para mejorar los cultivos para que se adapten mejor a los entornos locales del suelo. Además, la interrupción y amplificación de genes, como en el caso de IRT1 y NRAMP1 en Fogo, son algunos de los cambios genéticos más simples de modificar, lo que los hace especialmente emocionantes porque significa que podrían transferirse fácilmente a otras especies”, concluyó Tergemina.
