La selección natural ha aprovechado rutas evolutivas muy similares para que las plantas puedan completar su dieta nutriéndose de animales
Más de 140 años después de que el naturalista inglés Charles Darwin publicara el libro Plantas insectívoras, un equipo internacional ha identificado los cambios genéticos que han permitido la adaptación a la dieta carnívora en algunas plantas, tal como revela un trabajo en el que participan los doctores Julio Rozas, 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.
Para Charles Darwin, las plantas carnívoras eran uno de los especímenes más fascinantes de la naturaleza por sus extraordinarias propiedades fisiológicas y ecológicas. Estos vegetales son típicos de hábitats pobres en nutrientes —sobre todo, en nitrógeno y fósforo— y han compensado este déficit con la capacidad de digerir animales como insectos y otros artrópodos.
Adaptarse y sobrevivir en suelos pobres en nutrientes con una dieta carnívora es un proceso evolutivo que se ha repetido de forma independiente en varias especies, a partir de un mismo conjunto de genes y proteínas. Así lo constata el trabajo publicado en la revista Nature Ecology & Evolution, y 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).
Descubriendo la maquinaria genética que hace posible la dieta carnívora
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.
Los expertos han secuenciado el genoma de la planta de jarra (Cephalotus follicularis), una especie originaria de Australia que tiene bien diferenciadas las hojas insectívoras —unas trampas en forma de jarra para atrapar insectos— de las hojas no insectívoras (como las del resto de plantas). El genoma de esta especie —la segunda planta carnívora con el ADN secuenciado, después de la Utricularia gibba— es relativamente grande, y está formado por 1,6 Gbp, que es casi la mitad del genoma humano. En total, los investigadores han identificado más de 36.000 genes.
Tal y como detalla el catedrático Julio Rozas, del Departamento de Genética, Microbiología y Estadística, «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». Con el análisis comparativo de los genes que se expresan diferencialmente en los dos tipos de hojas, esta investigación ha identificado los cambios genéticos asociados con la dieta carnívora en plantas.
«Según los resultados, 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», prosigue 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).
Plantas carnívoras: una evolución paralela
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».
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.
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 bioinformático 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.
Este 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.
Full bibliographic information
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. «The pitcher plant Cephalotus genome reveals genetic changes associated with carnivory». Nature Ecology & Evolution, febrero de 2017.
