Un equipo científico internacional en el que participan investigadores de la Universidad de Barcelona ha descubierto los cambios de base genética que han hecho posible que algunas plantas evolucionen hacia la alimentación carnívora. El primer tratado sobre Plantas insectívoras fue escrito y publicado en 1875 por el naturalista Charles Darwin y desde entonces se han estudiado en profundidad las más de 600 especies que capturan y se alimentan de animales pero hasta ahora no se conocían los cambios genéticos que han permitido esta adaptación a la dieta carnívora.
E el estudio publicado por este equipo científico en el número de febrero de la revista Nature Ecology Evolution se muestran los resultados de la secuenciación del genoma de la planta de jarra Cephalotus follicularis, una especie originaria de Australia, y se identifican los cambios genéticos asociados con la dieta carnívora en estas plantas.
Las plantas del género Nepenthes utilizan trampas de caída para conseguir alimentos
“Las hojas que atrapan insectos han adquirido nuevas funciones enzimáticas: la quitinasa básica, que rompe la quitina (el principal componente del exoesqueleto de los insectos), y la fosfatasa ácida púrpura, que libera los grupos fosfato de las moléculas y ayuda a movilizar el fósforo de las presas”, detalla el catedrático Julio Rozas, que lidera el Grupo de Investigación en Genómica Evolutiva y Bioinformática de la Universidad de Barcelona, equipo integrante de la plataforma Bioinformatics Barcelona (BIB). También han participado en este etudio los investigadores Pablo Librado y Alejandro Sánchez-Gracia, de la Facultad de Biología y del Instituto de Investigación de la Biodiversidad (IRBio) de la Universidad de Barcelona.
El estudio que ahora se presenta recuerda que la adaptación a suelos pobres en nutrientes con una dieta carnívora es un proceso evolutivo que se ha repetido de forma independiente en varias especies. En los casos conocidos hasta ahora, todo indica que esta evolución se ha llevado a cabo a partir de un mismo conjunto de genes y proteínas, según indica estudio ahora publica Nature Ecology Evolution , coordinado por Mitsuyasu Hasebe y Kenji Fukushima (Instituto Nacional de Biología Fundamental, Japón), Shuai Cheng Li (Universidad de la Ciudad de Hong Kong, China), y Victor A. Albert (Universidad de Buffalo, Estados Unidos).
Las plantas han desarrollado estrategias de captura diferentes pero la capacidad de digestión de los insectos tiene una misma base genética”
Todas las plantas son organismos fotosintéticos, es decir, transforman la materia inorgánica del medio en moléculas orgánicas (glucosa). Para complementar la ausencia de nutrientes en ciertos suelos, las plantas carnívoras pueden capturar y absorber nutrientes de una presa, gracias a una maquinaria biológica que es exclusiva de estos vegetales. “La capacidad de las plantas carnívoras para digerir animales en suelos empobrecidos es el resultado de la acción de la selección natural que ha promovido varios cambios genéticos sobre un mismo conjunto de genes”, indica Julio Rozas en una nota divulgativa difundida por la Universidad de Barcelona.
La selección natural ha actuado sobre rutas evolutivas muy concretas para que las plantas puedan alimentarse de animales. Tal y como detalla el profesor Alejandro Sánchez-Gracia, “aunque las plantas han desarrollado estrategias diferentes para capturar animales, la selección natural ha actuado a menudo de forma recurrente sobre los mismos genes para adquirir la capacidad de digerir la presa, un fenómeno que se conoce como evolución paralela”.
La venus atrapamoscas ('Dionaea muscipula') es una de las plantas carnívoras más conocidas
El caso de las plantas insectívoras es un claro ejemplo de convergencia evolutiva, probablemente debido a las fuertes restricciones biológicas impuestas por los ecosistemas extremos que son pobres en nutrientes. El hecho de que, además, esta convergencia vaya acompañada de una evolución paralela en las enzimas digestivas, convierte este sistema en un ejemplo muy interesante desde el punto de vista del estudio del proceso evolutivo.
“Los ejemplos de evolución paralela a escala molecular no son muy frecuentes. Por ello, son del máximo interés en genética, porque nos ayudan a conocer qué mecanismos evolutivos son más importantes para la diversificación y adaptación de los seres vivos”, apunta Sánchez Gracia.
El viaje evolutivo de las plantas hacia la dieta carnívora
¿Qué estrategias moleculares han desplegado las plantas carnívoras como respuesta evolutiva adaptativa? En el viaje evolutivo de las plantas hacia la dieta carnívora, no siempre es necesario que aparezcan nuevos genes: algunos ya presentes en el genoma vegetal se han adaptado a nuevas funciones biológicas, un proceso que se conoce como coopción.
Las plantas carnívoras Nepenthes o plantas jarra tienen su origen en las regiones tropicales de Ásia oriental
Como señala Pablo Librado, “en el trabajo, hemos constatado que genes originariamente involucrados en la defensa contra ciertas enfermedades -o en la respuesta al estrés biótico y abiótico- han adquirido nuevas funciones (coopción) relacionadas con la capacidad de digerir animales». Es el caso, por ejemplo, “de un conjunto muy concreto de proteínas que han evolucionado para actuar como enzimas digestivas”.
“Los resultados de la coopción, tanto en lo que respecta al tipo de enzimas digestivas, como en lo relativo a los cambios de aminoácidos observados en ellas, muestran que la evolución ha actuado sobre un número muy reducido de rutas evolutivas en la transición adaptativa a la dieta carnívora”, detalla Librado, que actualmente trabaja en el Centro de Geogenética de la Universidad de Copenhague y en el Museo de Historia Natural de Dinamarca.
BadiRate, un software desarrollado en la Universidad de Barcelona
En el marco de la investigación, los expertos de la UB y el IRBio han contribuido de forma destacable en los análisis genómicos, a los que han incorporado la incertidumbre existente sobre relaciones filogenéticas para inferir qué tipo de genes se han duplicado o perdido en las distintas especies de plantas estudiadas. BadiRate, un software bioinformático creado por los expertos Pablo Librado y Julio Rozas de la UB, ha sido clave para determinar estadísticamente los tipos de genes que han incrementado significativamente su número de copias en las plantas carnívoras.
El catedrático Julio Rozas, de la Facultad de Biología y del IRBio (segundo por la der.), con su equipo de investigación
El análisis genómico con BadiRate ha sido el marco de referencia para conocer qué genes se asociaban a la aparición de la dieta carnívora de forma independiente en los diferentes linajes no emparentados, lo que ha dado como resultado el descubrimiento de las enzimas digestivas asociadas a la nueva biología de la planta.
Artículo científico de referencia:
The pitcher plant Cephalotus genome reveals genetic changes associated with carnivory K. Fukushima, X. Fang, D. Alvarez-Ponce, H. Cai, L. Carretero-Paulet, C. Chen, T. Chang, K. M. Farr, T. Fujita, Y. Hiwatashi, Y. Hoshi, T. Imai, M. Kasahara, P. Librado, L. Mao, H. Mori, T. Nishiyama, M. Nozawa, G. Pálfalvi, S. T. Pollard, J. Rozas, A. Sánchez-Gracia, D. Sankoff, T. F. Shibata, S. Shigenobu, N. Sumikawa, T. Uzawa, M. Xie, C. Zheng, D. D. Pollock, V. A. Albert, S. Li, M. Hasebe. Nature Ecology Evolution, febrero de 2017. http://www.nature.com/articles/s41559-016-0059
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