Los especialistas en frío vegetal se adaptan al ambiente

Los especialistas en clima frío como las cochlearia se han adaptado bien a los climas fríos de las Edades de Hielo. A medida que se alternaban los períodos fríos y cálidos, desarrollaron una serie de especies que también dieron lugar a una proliferación del genoma. Los biólogos evolutivos de las universidades de Heidelberg, Nottingham y Praga estudiaron la influencia que tiene esta duplicación del genoma en el potencial adaptativo de las plantas. Los resultados muestran que los poliploides, especies con más de dos conjuntos de cromosomas, pueden tener una acumulación de mutaciones estructurales con señales para una posible adaptación local, lo que les permite ocupar nichos ecológicos una y otra vez.

El género Cochlearia de la familia Brassicaceae se separó de sus parientes mediterráneos hace más de diez millones de años. Mientras que sus descendientes directos se especializaron en respuesta al estrés por sequía, las cochlearia, o en latín Cochlearia, conquistaron los hábitats fríos y árticos al comienzo de la Edad de Hielo hace 2,5 millones de años. En sus estudios anteriores, los investigadores bajo la dirección del Prof. Dr. Marcus Koch investigaron cómo las Cochlearia pudieron adaptarse repetidamente a los períodos de frío y calor que se alternaban rápidamente durante los últimos dos millones de años. Entre otras cosas, las plantas de nueva creación adaptadas al frío desarrollaron grupos de genes separados que entraron en contacto entre sí en las regiones frías. El intercambio de genes dio lugar a poblaciones con múltiples conjuntos de cromosomas. Con el tamaño de su genoma continuamente reducido, pudieron entonces ocupar nichos ecológicos fríos una y otra vez.

Sin embargo, explica Marcus Koch, hasta ahora se sabía poco sobre los mecanismos genómicos y el potencial que permiten a las plantas adaptarse a los rápidos cambios en el medio ambiente. “Esto es aún más extraordinario ya que la mayoría de nuestros cultivos más importantes son poliploides y, por lo tanto, tienen múltiples conjuntos de cromosomas. Este hecho es el resultado de una fuerte selección durante el proceso de cultivo y selección”, afirma el Prof. Koch, cuyo grupo de investigación “Biodiversidad y Sistemática Vegetal” tiene su sede en el Centro de Estudios Organismales de la Universidad de Heidelberg.

En la investigación actual bajo la dirección del Prof. Dr. Levi Yant, se secuenció un genoma de referencia diploide con dos conjuntos de cromosomas de una especie de cochlearia alpina, Cochlearia excelsa, y se reconstruyó un denominado pangenoma. Reúne diferentes secuencias del genoma y, por lo tanto, muestra las variaciones genéticas entre individuos y otras especies. Para ello, se analizaron más de 350 genomas de diversas especies de Cochlearia con diferentes números de conjuntos de cromosomas. “Sorprendentemente, los resultados muestran que los poliploides en realidad presentan variantes estructurales genómicas con señales para una posible adaptación local con más frecuencia que las especies diploides”, explica el Prof. Yant, investigador de genómica evolutiva en la Universidad de Nottingham (Reino Unido).

Estas mutaciones estructurales están ocultas por las copias adicionales del genoma y, por lo tanto, están protegidas de la selección hasta cierto punto, porque la acumulación de variantes estructurales también puede provocar una pérdida de función. Con sus modelos, el equipo internacional de investigación pudo demostrar además que las variantes estructurales específicas del poliploide también aparecen en las mismas regiones genéticas que podrían desempeñar un papel importante en las futuras adaptaciones climáticas. Un análisis detallado de los datos genómicos mostró que esto implica principalmente procesos biológicos de germinación de semillas o resistencia a enfermedades de las plantas, según el Dr. Filip Kolář, que realiza investigaciones en la Universidad Charles de Praga y en la Academia de Ciencias Checa.

Sin embargo, es muy poco probable que las especies de Cochlearia que se encuentran actualmente en Europa Central sobrevivan al cambio climático a largo plazo, como destaca el Prof. Koch. “Especialmente la Cochlearia excelsa diploide no puede migrar más a regiones más altas y frías en las montañas austriacas, ya que esta especie de cochlearia ya ha llegado en cierta medida a las regiones de los picos. A la cochlearia de los Pirineos del país de colinas y montañas de Europa Central también le resultará difícil”. Sin embargo, los investigadores demostraron que todo el grupo genético, especialmente en los especialistas en frío poliploides, puede sobrevivir, particularmente en las regiones del norte de la Tierra. La historia evolutiva de estas plantas crucíferas proporciona, por lo tanto, información sobre cómo las plantas pueden hacer frente al cambio climático en el futuro.

El trabajo de investigación se llevó a cabo en particular en el marco de una subvención del Consejo Europeo de Investigación (ERC), un ERC Starting Grant para Levi Yant. El equipo de cooperación de la Universidad de Heidelberg desarrolló el sistema modelo Cochlearia durante los últimos 25 años con financiación de la Fundación Alemana de Investigación. Los hallazgos se publicaron en la revista “Nature Communications”.