Redacción
La aparición de plantas productoras de semillas hace más de 300 millones de años fue un hito evolutivo que abrió nuevos entornos para las plantas y, en última instancia, condujo a las plantas con flores que iluminan nuestro mundo y suministran gran parte de nuestros alimentos. Pero fue un salto menor de lo que parece, según sugieren las secuencias de ADN recientemente publicadas.
Los genomas, de tres especies de helechos y una cícada, uno de los tipos más antiguos de plantas con semillas, muestran que los genes clave para producir semillas son los mismos que los de la maquinaria productora de esporas de los helechos, que surgieron decenas de millones de años antes. . Evidentemente existieron en un ancestro común, pero fueron reclutados en diferentes funciones reproductivas a medida que las plantas divergían.
Los genomas de helechos y cícadas, publicados en una serie de artículos en los últimos meses, «llenan el vacío del flujo de genes durante la evolución de las plantas», dice Shu-Nong Bai, biólogo emérito del desarrollo de plantas de la Universidad de Pekín, quien ayudó a secuenciar a un miembro de el género helecho culantrillo. “Innovación evolutiva [can] provienen del uso alternativo de genes o redes existentes, no de genes nuevos”. Los genomas también enseñan una segunda lección sorprendente: que las plantas adquirieron algunos de sus genes no a través de mutación y selección, sino directamente de hongos u otros microbios a través de un controvertido proceso denominado transferencia horizontal de genes.
Debido al enorme tamaño de la mayoría de los genomas de helechos y el enfoque en cultivos como el arroz, el trigo y el maíz, la mayoría de los más de 800 genomas de plantas secuenciados hasta ahora provienen de plantas con semillas. Hasta ahora, solo dos eran de helechos, unos con genomas inusualmente pequeños. Como resultado, «solo hemos tenido una pequeña instantánea de la evolución de las plantas», dice Blaine Marchant, genetista evolutivo de plantas de la Universidad de Stanford.
Gracias a los avances en la secuenciación de largos tramos de ADN y la reducción de costos, su equipo y otros tres grupos ahora han abordado helechos con genomas más grandes y más típicos, así como una especie de cícada, una planta sin flores con semillas desnudas, como las de los pinos y otras coníferas. «Es maravilloso ver finalmente cómo se secuencian genomas de plantas más diversos», dice Jennifer Wisecaver, bióloga evolutiva de la Universidad de Purdue.
Los genomas de los helechos, con unos 30.000 genes cada uno, revelan una panoplia de genes previamente vinculados a las plantas con flores, que evolucionaron más de 200 millones de años después. Por ejemplo, Marchant y sus colegas informaron el 1 de septiembre en Naturaleza Plantas que un helecho de agua, Ceratopteris richardiitiene 10 miembros de una familia de genes conocida por controlar el tiempo de floración, la germinación de las semillas y la forma de las flores en una pequeña planta con flores, Arabidopsis. Sus funciones en el helecho no están claras, pero siete de estos genes están activos en las hojas donde se producen las esporas, lo que sugiere que desempeñan un papel en la reproducción de los helechos, así como en las plantas con semillas.
Jianbin Yan, fisiólogo de plantas del Instituto de Genómica Agrícola de la Academia China de Ciencias Agrícolas, y sus colegas encontraron paralelos similares en un helecho de culantrillo, Adiantum capillus-veneris. Su ADN contiene genes para factores de transcripción llamados EMS1 y TPD1, proteínas que en el maíz y otras semillas de plantas regulan los genes involucrados en el desarrollo del polen, informó el equipo de Yan en la misma edición de Naturaleza Plantas. Estos controladores de genes de polen están activos en los esporangios de culantrillo, el tejido donde se desarrollan las esporas.
El genoma de ese helecho también contiene un trío de genes que regulan el desarrollo de semillas en plantas con flores, agrega Hongzhi Kong, biólogo de desarrollo evolutivo de plantas en el Instituto de Botánica de la Academia China de Ciencias. Los helechos, dice Yan, son «evolutivamente fundamentales para una comprensión integral del origen y la diversificación de la semilla». El genoma de las cícadas contiene redes similares, lo que demuestra que estaban activas en las primeras plantas con semillas, señala Shouzhou Zhang, el botánico del Jardín Botánico Fairy Lake en Shenzan, quien dirigió su secuenciación.
Los nuevos genomas arrojan luz sobre una de las razones por las que estos conocimientos tardaron en llegar: los helechos «son notoriamente conocidos por tener genomas gigantes», dice Fay-Wei Li, biólogo evolutivo de plantas de la Universidad de Cornell. Los investigadores habían asumido que un proceso llamado duplicación del genoma completo, en el que el complemento de ADN de un organismo se duplica durante la reproducción, explica el tamaño de su genoma. Pero, “No estamos viendo la huella de duplicación del genoma que pensábamos que veríamos”, dice Paul Wolf, un genetista de plantas de la Universidad de Alabama, Huntsville. En cambio, los helechos y las cícadas obtuvieron la mayor parte de su ADN de la acumulación de transposones de ADN móvil y otros elementos genéticos que infectan genomas y multiplican, o ADN repetitivo, secuencias cortas que se copiaron una y otra vez.
Los cuatro nuevos genomas también están cambiando las opiniones acerca de si las plantas experimentan una transferencia horizontal de genes. Se sabe que los microbios intercambian genes todo el tiempo, ayudándolos a adaptarse a nuevas condiciones, pero los organismos multicelulares parecían tomar prestados genes solo en raras ocasiones. Sin embargo, los genomas de los helechos y las cícadas contienen un sorprendente número de genes de bacterias y hongos. “Es notable que veamos genes de origen bacteriano y fúngico en las plantas vasculares”, dice Kong.
Por ejemplo, la cícada secuenciada tiene cuatro copias de un gen fúngico para una citotoxina, una proteína que puede perforar células extrañas, y el Ceratopteris El genoma tiene 36 copias de otro gen de citotoxina de una bacteria. Estos genes adquiridos podrían haber reforzado las defensas de sus nuevos huéspedes contra patógenos o herbívoros.
Verónica Di Stilio, botánica de la Universidad de Washington, Seattle, espera más sorpresas de los genomas recientemente revelados. “Tener genomas de referencia representativos de cada uno de los principales linajes de plantas abre muchas posibilidades”, dice. “Los genomas son herramientas, la punta del iceberg”.
