El genoma del helecho arborescente proporciona información sobre su evolución

Las plantas terrestres evolucionaron hace 470 millones de años a partir de algas y desde entonces han remodelado nuestro mundo. A lo largo de su evolución, los helechos han sufrido una serie de cambios que les han ayudado a sobrevivir en la tierra. Por primera vez, los investigadores han caracterizado la disposición del genoma de los helechos arborescentes, lo que arroja nuevos conocimientos sobre cómo evolucionaron los helechos.

Un acontecimiento importante en la evolución de las plantas terrestres fue la invención de sus sistemas vasculares, que les ayudan a conducir agua, nutrientes y alimentos por todo el cuerpo. Estos sistemas constan de dos tejidos: xilema y floema. Mientras que el xilema permite el transporte de agua a los tallos y las hojas, el floema ayuda a transportar los azúcares, producidos por la fotosíntesis, al resto de la planta. Además, solo las células del xilema están revestidas con lignina, materiales estructurales de soporte que brindan rigidez a la madera y la corteza. Los investigadores querían entender cómo evolucionaron estos sistemas vasculares en los helechos y cómo se produce la lignina.

«Los helechos son las primeras plantas vasculares y las paredes celulares lignificadas fueron una innovación clave durante la evolución de estas plantas», dijo Ray Ming (GEGC), profesor de biología vegetal. «Este estudio ha mejorado nuestra comprensión de cómo se desarrollaron los tejidos vasculares en los helechos y otras especies de plantas terrestres».

Para este estudio, los investigadores secuenciaron el genoma del helecho arbóreo mono araña volador Alsophila spinulosa e investigaron cómo se construyen sus tejidos vasculares. Descubrieron que dos genes del dominio MAC relacionados con los vasos estaban altamente expresados ​​en el xilema en comparación con otros tejidos, lo que indica que estos podrían ser reguladores clave en la formación de células específicas del xilema.

Usando microscopía y métodos bioquímicos, los investigadores también midieron los niveles de lignina y metabolitos secundarios, compuestos que no son necesarios para el crecimiento o la reproducción, pero que confieren ciertos beneficios, en los helechos. Descubrieron que la lignina constituía el 40% de la pared de las células madre. En comparación, la madera generalmente contiene un 25%. También descubrieron un nuevo metabolito secundario producido principalmente en el xilema, al que llamaron tambiénfilina.

«Este nuevo compuesto abunda en el xilema, probablemente como uno de los compuestos que llenan la cavidad de las células traqueidas no funcionales. También identificamos los genes involucrados en la biosíntesis de la tambiénfilina en el genoma», dijo Ming.

Para comprender cómo evolucionaron los helechos, los investigadores compararon la secuencia genómica de A. spinulosa con otros miembros de la misma especie en nueve lugares de China. Para su sorpresa, descubrieron que había seis poblaciones distintas, que diferían en sus secuencias genómicas. Con base en los resultados de la secuenciación, los investigadores reconstruyeron la historia de la población de helechos y vieron que hubo dos momentos en que estas especies sufrieron una disminución drástica en el número de población. El primero ocurrió hace 35,6-34,5 millones de años y el segundo ocurrió hace 2,5-0,7 millones de años.

«Este análisis de los genomas y la composición de la lignina de una colección más amplia de helechos nos ayudará a comprender el papel de la lignina en el linaje temprano de las plantas vasculares», dijo Ming. «En nuestros estudios futuros, esperamos aumentar la cantidad de ubicaciones y los tamaños de muestra para el análisis genómico».

El análisis bioquímico se realizó en colaboración con el grupo de Quanzi Li en el State Key Laboratory of Tree Genetics and Breeding, Beijing, China.