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BOTÁNICA

Colonización en el agua

Un estudio filogenético indica que un grupo de plantas carnívoras caracterizado por especies acuáticas se originó en Brasil

Las trampas de la Utricularia foliosa, conectadas a filamentos, son vesículas que succionan las presas subacuáticas

Equipo del Laboratorio de Sistemática Vegetal/Unesp

Con su delicada belleza, las plantas carnívoras del género Utricularia sorprenden por la diversidad de colores, formas, tamaños (de centímetros a metros) y hábitats. Mientras que algunas de ellas crecen en el suelo húmedo de zonas soleadas, otras prosperan en ríos y lagos. Pueden fijarse a las piedras al borde de cascadas o vivir en el interior de bromeliáceas. Las 240 especies de este género diseminadas actualmente por el mundo, tienen un lugar común de origen. Un estudio efectuado por investigadores de la Universidade Estadual Paulista (Unesp), que salió en la edición de este mes de la revista Molecular Phylogenetics and Evolution, apunta que la cuna ancestral de estas plantas es Brasil.

Este artículo forma parte de la tesina de maestría de la bióloga Saura Rodrigues da Silva, realizada bajo la dirección del biólogo Vitor Miranda, del campus de Jaboticabal de la Unesp. El trabajo contó con la colaboración de expertos de otros países y constituye el mayor estudio filogenético sobre las utricularias. “A partir del análisis de secuencias de ADN pudimos identificar marcadores específicos mediante los cuales determinamos los linajes ancestrales e inferimos la historia evolutiva del género”, describe la bióloga.

Una de las reglas generales de la evolución establece que las especies con mayor parentesco presentan menos diferencias genéticas entre sí. Con base en esta premisa, pudo estimarse el tiempo de divergencia entre las especies actuales y sus ancestros con la ayuda de dos puntos de referencia. “Partimos de un grano de polen identificado en el hemisferio norte, que ya estaba registrado en la literatura y que data de hace 11 millones de años. Otro registro que sirvió como calibrador del árbol filogenético fue la Isla de la Juventud, en Cuba. Según estudios geológicos, esa isla surgió hace entre cinco y dos millones de años y ese evento estaría asociado a la aparición de una subespecie de carnívora del género Pinguicula”, explica Miranda, quien se valió de esas informaciones para armar el rompecabezas de cómo colonizaron el mundo las utricularias.

Equipo del Laboratorio de Sistemática Vegetal/ Unesp U. foliosa posee flores que atraen a los polinizadores, pero no los capturanEquipo del Laboratorio de Sistemática Vegetal/ Unesp

El estudio transformó una antigua hipótesis en un escenario ampliamente aceptado al respecto de la evolución de las utricularias: el género habría surgido en América del Sur hace alrededor de 39 millones de años. En el continente, el sitio de origen más probable sería Brasil, país que ostenta la mayor cantidad de especies: son alrededor de 70 de las 95 existentes en Sudamérica, de las cuales 20 son endémicas. “Los estudios biogeográficos apuntan que el lugar de origen puede coincidir con aquél que posee la mayor diversidad”, resalta Saura Rodrigues. A partir de allí se habría diseminado por todo el mundo. Hoy en día, este género es uno de los más ampliamente distribuidos y representa alrededor del 35% de todas las plantas carnívoras existentes.

Para Miranda, la dispersión a través de largas distancias habría sido efectuada por aves migratorias que chapaleaban en las lagunas habitadas por las plantas carnívoras. “En trayectos más cortos, la dispersión por el viento y por el agua de lluvia se ve facilitada por la morfología de las semillas, diminutas como partículas de polvo, algunas de las cuales miden 2 décimas de milímetro”, dice el investigador.

Expertas en adaptación
Los resultados sugieren incluso que la forma de vida ancestral de las utricularias sería terrestre. “De acuerdo con nuestras hipótesis filogenéticas, los cambios evolutivos podrían haber ocurrido más de una vez en el seno del género”, sostiene Miranda. La colonización acuática sería una adaptación a sitios más pobres en nutrientes. En un entorno de escasez, la capacidad de capturar presas en el agua podría hacer la diferencia para la subsistencia.

El biólogo explica que las carnívoras realizan la fotosíntesis a través de las hojas, al igual que la mayoría de las plantas, pero complementan su nutrición con nitrógeno y fósforo que obtienen de sus presas, generalmente pequeños insectos, larvas, protozoarios y microcrustáceos, en el caso de las utricularias, mientras que las carnívoras mayores pueden incluir artrópodos e incluso pequeños vertebrados.

La adaptación a ambientes desfavorables dio origen a un arsenal variado de trampas a lo largo de la evolución de estas plantas. Mientras que las utricularias poseen pequeñas bolsas (los utrículos) por medio de las cuales succionan a sus presas, otros géneros de la misma familia –Lentibulariaceae– desarrollaron hojas con glándulas que segregan una solución viscosa, en la cual las presas quedan adheridas, o incluso hojas espiraladas que forman un tubo que conduce a la presa hasta el lugar donde se realiza la digestión.

Equipo del Laboratorio de Sistemática Vegetal/ Unesp U. simulans es común en praderas con suelos arenososEquipo del Laboratorio de Sistemática Vegetal/ Unesp

“La drosófila de los botánicos”
El estudio filogenético del género Utricularia tuvo como punto de partida los avances realizados por los científicos de la Unesp de Jaboticabal en el campo de la genómica. El biólogo Vitor Miranda desarrolló una amplia colaboración con el bioinformático Alessandro de Mello Varani, de la misma institución. En julio de 2017, ambos publicaron en la revista PLOS ONE el primer genoma mitocondrial de una planta brasileña, que justamente fue una carnívora de hábitat terrestre, nativa y endémica del país: la Utricularia reniformis.

“Resolvimos comenzar por las etapas menores; el núcleo es mayor y contiene más ADN”, explica Varani. En 2016, antes de la mitocondria, ellos ya habían secuenciado y publicado en la PLOS ONE el genoma del cloroplasto, el orgánulo responsable de la fotosíntesis. El genoma completo de la planta abarca esos dos compartimientos además del núcleo, cuya secuenciación ya se completó y se encuentra en fase de finalización.

Los investigadores sostienen que la secuenciación completa de la especie brasileña U. reniformis puede transformarla en otra opción para los estudios en genética, sumándose a la Arabidopsis thaliana, planta herbácea de la familia Brassicaceae (que incluye a la mostaza y la col). La Arabidopsis, cuyo genoma es pequeño, fue la primera planta con su ADN mapeado, y se convirtió en un modelo para la botánica, similar a lo que ocurre con la mosca de la fruta (Drosophila melanogaster) en la zoología.

Equipo del Laboratorio de Sistemática Vegetal/ Unesp U. reniformis crece en áreas abiertas y en laderas con musgosEquipo del Laboratorio de Sistemática Vegetal/ Unesp

“El genoma de las Utricularias a menudo varía de tamaño y puede ser cuatro veces menor o mayor que el de la Arabidopsis”, pondera Miranda. “Ahora estamos estudiando las causas de esa contracción y expansión genómica”. Una de las causas posibles de la contracción reside en la alta producción de especies de oxígeno reactivas, es decir, de radicales libres, derivados del metabolismo mitocondrial en las carnívoras de este género. “Las especies reactivas pueden causar rupturas del ADN, algo que acaso explique las altas tasas de mutación –y, consecuentemente, la gran diversidad de formas– que presentan las utricularias”, explica Saura Rodrigues. En tanto, una de las hipótesis para la expansión podría estar relacionada con la duplicación de segmentos del ADN.

La secuenciación del cloroplasto y de la mitocondria también generó sorpresas. En el caso de la especie U. reniformis, varios de los genes relacionados con la fotosíntesis no se detectaron en los cloroplastos, los orgánulos encargado de elaborar azúcares a partir de la luz solar y del gas carbónico presente en el aire. Al quedar inactivos, esos genes habían sido transferidos a las mitocondrias de la planta. “El motivo, que aún debe ser dilucidado, podría estar relacionado con la adaptación de la planta al carnivorismo”, supone  Varani.

“Todavía estamos en el campo de la ciencia básica, procurando entender la evolución de esta especie”, resalta el bioinformático. “Pretendemos saber qué es lo que determinó tal versatilidad, permitiendo que especies de un mismo género tengan hábitos terrestres o acuáticos”. En el futuro, reflexiona el investigador, el mapeo genético de estas plantas, más allá del reconocido interés científico, podría tener también una aplicación biotecnológica para otros tipos de plantas. “Acaso sea posible, por ejemplo, dotar de una mayor resistencia al agua a especies con alto valor comercial”.

Un descubrimiento en Facebook

Paulo Gonella Las gotículas pegajosas de la Drosera magnifica capturan insectos que luego serán digeridosPaulo Gonella

Los expertos en plantas carnívoras han descubierto muchas maneras en las que esas especies atraen a sus presas: unas por el color de sus flores, otras por su aroma, forma o incluso por medio de la luz reflejada en gotículas viscosas que segregan sus hojas. Queda por descubrir cómo ellas cautivan a los propios investigadores, un grupo apasionado y fiel al objeto de sus estudios.

Allá por el siglo XIX, el naturalista inglés Charles Darwin (1809-1882) se enamoró de estas plantas, particularmente de las del género Dionaea (venus atrapamoscas), a la cual consideraba “una de las más maravillosas del mundo”. Esa especie fue el emblema de su libro Insectivorous plants, que se publicó en 1875. Incluso hoy en día, la imagen de las hojas cerrándose sobre el insecto en una trampa rápida y mortal, sigue siendo la imagen que predomina cuando se piensa en una planta carnívora.

Miranda es uno de los herederos de esa fascinación. Él tenía 14 años cuando comenzó a coleccionar plantas carnívoras y a intercambiar correo (todavía por carta, en tiempos anteriores a internet) con el ecólogo vegetal Lubomir Adamec, del Instituto de Botánica de la Academia de Ciencias de la República Checa, uno de los referentes mundiales en plantas carnívoras. El ecólogo checo se convirtió en compañero del brasileño y fue uno de los coautores del artículo publicado en la Molecular Phylogenetics and Evolution.

En internet, varios grupos de admiradores de estas plantas publican fotos de sus hallazgos en las redes sociales. Así fue que en 2012, los biólogos Paulo Gonella y Fernando Rivadavia identificaron una nueva especie de planta carnívora observando fotografías publicadas en el muro de Facebook de un amigo orquidófilo que se internaba en caminatas por las montañas de Governador Valadares, en el estado de Minas Gerais. En ese entonces, Gonella estudiaba al género Drosera para su doctorado en el Instituto de Biociencias de la Universidad de São Paulo.

Una expedición hasta ese sitio confirmó el hallazgo, que fue descrito en 2015 en el periódico especializado Phytotaxa. La nueva especie fue bautizada por los biólogos con el nombre Drosera magnifica a causa de su “magnitud”. Con un tamaño que llega a 1,5 metros de largo, es la mayor de su género en toda América. “Además de llamativa y hermosa, realmente es magnífica”, dice Gonella.

En esa región se la conoce popularmente como “orvalhinha” [de orvalho, el rocío en portugués], a causa de las gotículas relucientes y pegajosas que recubren sus largas y delgadas hojas, de un color rojo vivo. Esa vista atrae a sus presas, pequeños insectos voladores, que quedan adheridos a la sustancia viscosa y son digeridos por las enzimas que segrega la planta.

El primer capítulo de la tesis doctoral de Gonella se centra en la Drosera magnifica, pero esta especie corre riesgo de desaparecer de las montañas de Minas Gerais. El único sitio donde se la halló –el Pico Padre Ângelo– es un cerro rodeado de fincas cuya vegetación ha sido bastante arrasada. Según el investigador, la planta se encuentra en la lista de las especies bajo amenaza crítica, pero existen iniciativas tendientes a transformar el lugar en una unidad de preservación ambiental.

Proyectos
1.
Genómica y transcriptoma de Utricularia reniformis (Lentibulariaceae): Un abordaje funcional y evolutivo (nº 13/25164-6); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Alessandro de Mello Varani (Unesp); Inversión R$ 172.933,90
2. Identificación y expresión de genes relacionados con la pigmentación floral en Utricularia (Lentibulariaceae) a partir de un abordaje evolutivo (nº 13/05144-0); Modalidad Ayuda a la Investigación – Regular; Investigador responsable Vitor Fernandes Oliveira de Miranda (Unesp); Inversión R$ 163.054,45

Artículos científicos
SILVA, S. R. et al. Molecular phylogeny of bladderworts: A wide approach of Utricularia (Lentibulariaceae) species relationships based on six plastidial and nuclear DNA sequences. Molecular Phylogenetics and Evolution. v. 118, p. 244-64. jan. 2018.
SILVA, S. R. et al. The mitochondrial genome of the terrestrial carnivorous plant Utricularia reniformis (Lentibulariaceae): Structure, comparative analysis and evolutionary landmarks. PLOS ONE. v. 12, n. 7, e0180484. 19 jul. 2017.
SILVA, S. R. et al. The chloroplast genome of Utricularia reniformis sheds light on the evolution of the ndh gene complex of terrestrial carnivorous plants from the Lentibulariaceae family. PLOS ONE. v. 11, n. 10, e0165176. 20 out. 2016.

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