Un equipo internacional revela un enorme árbol de la vida del ADN de las plantas

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Un nuevo artículo publicado en la revista Nature por un equipo internacional de 279 científicos, dirigido desde Royal Botanic Gardens en Kew (Reino Unido) y con participación de investigadores de la Universidad de Sevilla, presenta los conocimientos más actualizados sobre el árbol de la vida de las plantas con flores.

El equipo ha utilizado 1.800 millones de letras de código genético de más de 9.500 especies que cubren casi 8.000 géneros conocidos de plantas con flores (aproximadamente el 60%). Este increíble logro arroja nueva luz sobre la historia evolutiva de las plantas con flores y su ascenso hasta el dominio ecológico en la Tierra.

Los autores del estudio creen que los datos ayudarán en futuros intentos de identificar nuevas especies, refinar la clasificación de las plantas, descubrir nuevos compuestos medicinales y conservar las plantas frente al cambio climático y la pérdida de biodiversidad.

El mayor hito para la ciencia vegetal, en el que participaron 138 organizaciones internacionales, se basó en 15 veces más datos que cualquier estudio comparable realizado previamente sobre el árbol de la vida de las plantas con flores.

Entre las especies secuenciadas para este estudio, a más de 800 nunca antes se les había secuenciado el ADN. La enorme cantidad de datos desvelados por esta investigación, que un solo ordenador tardaría 18 años en procesar, es un gran paso hacia la construcción de un árbol de la vida para las 330.000 especies conocidas de plantas con flores, una empresa enorme de la Iniciativa Árbol de la Vida de Kew.

Alexandre Zuntini, investigador del RBG Kew, afirma que “analizar esta cantidad de datos sin precedentes para decodificar la información oculta en millones de secuencias de ADN fue un enorme desafío. Pero también ofreció la oportunidad única de reevaluar y ampliar nuestro conocimiento sobre el árbol vegetal de la vida, abriendo una nueva ventana para explorar la complejidad de la evolución de las plantas”.

El árbol de la vida de plantas con flores, al igual que nuestro propio árbol genealógico, nos permite comprender cómo se relacionan las diferentes especies entre sí. Y se descubre comparando secuencias de ADN entre diferentes especies para identificar cambios (mutaciones) que se acumulan con el tiempo como un registro fósil molecular.

En este estudio, se desarrollaron nuevas técnicas genómicas para capturar magnéticamente cientos de genes y cientos de miles de letras de código genético de cada muestra, órdenes de magnitud que superan los métodos anteriores.

Material antiguo y nuevo

Una ventaja clave del enfoque del equipo es que permite secuenciar una amplia diversidad de material vegetal, antiguo y nuevo, incluso cuando el ADN está muy dañado. Los vastos tesoros de material vegetal seco de las colecciones de herbarios del mundo, que comprenden casi 400 millones de especímenes científicos de plantas, ahora pueden estudiarse genéticamente.

Mediante la utilización de estos especímenes, el equipo secuenció con éxito un espécimen de arena (Arenaria globiflora) recolectado hace casi 200 años en Nepal y, a pesar de la mala calidad de su ADN, pudieron colocarlo en el árbol de la vida. El equipo incluso analizó plantas extintas, como el olivo de la isla Guadalupe (Hesperelaea palmeri), que no se ha visto con vida desde 1875. De hecho, 511 de las especies secuenciadas ya están en riesgo de extinción, según la Lista Roja de la UICN, entre ellas tres más como Hesperelaea que ya están extintas.

El profesor William Baker, líder senior de investigación de Tree of Life, afirma que "en muchos sentidos, este novedoso enfoque nos ha permitido colaborar con los botánicos del pasado aprovechando la riqueza de datos encerrados en especímenes de herbario históricos, algunos de los cuales fueron recopilados ya a principios del siglo XIX".

Según Baker, "ilustres predecesores, como Charles Darwin o Joseph Hooker, no podrían haber previsto la importancia que tendrían estos especímenes en la investigación genómica actual. ¡El ADN ni siquiera fue descubierto durante su vida! Nuestro trabajo muestra cuán importantes son estos increíbles museos botánicos para los estudios innovadores sobre la vida en la Tierra. ¿Quién sabe qué otras oportunidades científicas no descubiertas se encuentran dentro de ellos?”

De las 9.506 especies secuenciadas, más de 3.400 procedían de material custodiado en 163 herbarios de 48 países. El material adicional de colecciones de plantas de todo el mundo (por ejemplo, bancos de ADN, semillas, colecciones vivas) ha sido vital para llenar vacíos de conocimiento clave y arrojar nueva luz sobre la historia de la evolución de las plantas con flores. El equipo también se benefició de datos disponibles públicamente sobre más de 1.900 especies, lo que destaca el valor del enfoque de ciencia abierta para futuras investigaciones genómicas.

Las plantas con flores por sí solas representan alrededor del 90% de toda la vida vegetal conocida en la Tierra y se encuentran prácticamente en todas partes del planeta, desde los trópicos más calurosos hasta los afloramientos rocosos de la Península Antártica. Y, sin embargo, nuestra comprensión de cómo estas plantas llegaron a dominar la escena poco después de su origen ha desconcertado a los científicos durante generaciones, incluido.

Estas plantas floridas se originaron hace más de 140 millones de años, después de lo cual rápidamente superaron a otras plantas vasculares, incluidos sus parientes vivos más cercanos: las gimnospermas (plantas sin flores que tienen semillas desnudas, como las cícadas, las coníferas y el ginkgo).

Iluminando el misterio 'abominable' de Darwin 

Darwin quedó desconcertado por la aparición aparentemente repentina de tal diversidad en el registro fósil. En una carta de 1879 a Joseph Dalton Hooker, su confidente más cercano y director de RBG Kew, escribió: “El rápido desarrollo, hasta donde podemos juzgar, de todas las plantas superiores en los últimos tiempos geológicos es un misterio abominable”.

Utilizando 200 fósiles, los autores escalaron su árbol de la vida en el tiempo, revelando cómo evolucionaron las plantas con flores a lo largo del tiempo geológico. Descubrieron que las plantas de floración temprana realmente explotaron en diversidad, dando lugar a más del 80% de los principales linajes que existen hoy en día, poco después de su origen.

Sin embargo, esta tendencia luego disminuyó a un ritmo más constante durante los siguientes 100 millones de años hasta otro aumento en la diversificación hace unos 40 millones de años, coincidiendo con una disminución global de las temperaturas. Estos nuevos conocimientos habrían fascinado a Darwin y seguramente ayudarán a los científicos de hoy a afrontar los desafíos de comprender cómo y por qué se diversifican las especies.

138 organizaciones en 27 países

Montar un árbol de la vida de esta extensión habría sido imposible sin la colaboración entre socios de todo el mundo. En total, 279 autores participaron en la investigación, representando muchas nacionalidades diferentes de 138 organizaciones en 27 países. Incluyen el consorcio Genomics of Australian Plants (GAP), que fueron los primeros en adoptar las técnicas del equipo y trabajaron en estrecha colaboración con Kew para maximizar la cantidad de especies de plantas australianas en el árbol. 

El árbol de la vida de las plantas con flores tiene un enorme potencial en la investigación de la biodiversidad. Esto se debe a que, así como se pueden predecir las propiedades de un elemento en función de su posición en la tabla periódica, la ubicación de una especie en el árbol de la vida nos permite predecir sus propiedades. Por tanto, los nuevos datos serán invaluables para mejorar muchas áreas de la ciencia, según los autores.

Además, todos los datos que lo sustentan se han hecho de acceso abierto y gratuito tanto para el público como para la comunidad científica. Esta apertura también ayudará a los científicos a hacer el mejor uso de los datos, como combinarlos con inteligencia artificial para predecir qué especies de plantas pueden incluir moléculas con potencial medicinal.

De manera similar, se puede utilizar para comprender y predecir mejor cómo las plagas y enfermedades afectarán a las plantas de nuestro entorno en el futuro. En última instancia, señalan los autores, las aplicaciones de estos datos estarán impulsadas por el ingenio de los científicos que accedan a ellos.