Com van evolucionar algunes plantes cap a la dieta carnívora?

Segons el treball, la selecció natural ha aprofitat rutes evolutives molt semblants perquè les plantes puguin digerir animals per completar la seva dieta.
Segons el treball, la selecció natural ha aprofitat rutes evolutives molt semblants perquè les plantes puguin digerir animals per completar la seva dieta.
Recerca
(06/02/2017)

El naturalista anglès Charles Darwin considerava les plantes carnívores com uns dels espècimens més fascinants de la natura per les seves extraordinàries propietats fisiològiques i ecològiques. Aquests vegetals són típics dʼhàbitats pobres en nutrients —sobretot en nitrogen i fòsfor— i han compensat aquest dèficit amb la capacitat de digerir animals com insectes i altres artròpodes. 

Més de 140 anys després que Darwin publiqués el llibre Insectivorous plants (Plantes insectívores), un equip internacional ha identificat els canvis genètics que han permès lʼadaptació a la dieta carnívora en algunes plantes, tal com revela un treball en què participen els doctors Julio Rozas, Pablo Librado i Alejandro Sánchez-Gracia, de la Facultat de Biologia i de lʼInstitut de Recerca de la Biodiversitat (IRBio) de la Universitat de Barcelona.

 

Segons el treball, la selecció natural ha aprofitat rutes evolutives molt semblants perquè les plantes puguin digerir animals per completar la seva dieta.
Segons el treball, la selecció natural ha aprofitat rutes evolutives molt semblants perquè les plantes puguin digerir animals per completar la seva dieta.
Recerca
06/02/2017

El naturalista anglès Charles Darwin considerava les plantes carnívores com uns dels espècimens més fascinants de la natura per les seves extraordinàries propietats fisiològiques i ecològiques. Aquests vegetals són típics dʼhàbitats pobres en nutrients —sobretot en nitrogen i fòsfor— i han compensat aquest dèficit amb la capacitat de digerir animals com insectes i altres artròpodes. 

Més de 140 anys després que Darwin publiqués el llibre Insectivorous plants (Plantes insectívores), un equip internacional ha identificat els canvis genètics que han permès lʼadaptació a la dieta carnívora en algunes plantes, tal com revela un treball en què participen els doctors Julio Rozas, Pablo Librado i Alejandro Sánchez-Gracia, de la Facultat de Biologia i de lʼInstitut de Recerca de la Biodiversitat (IRBio) de la Universitat de Barcelona.

 

Adaptar-se a sòls pobres en nutrients amb una dieta carnívora i sobreviure és un procés evolutiu que sʼha repetit de manera independent en diverses espècies, a partir dʼun mateix conjunt de gens i proteïnes. Així ho constata el treball publicat a la revista Nature Ecology & Evolution, coordinat per Mitsuyasu Hasebe i Kenji Fukushima (Institut Nacional de Biologia Fonamental, Japó),  Shuaicheng Li (Universitat de la Ciutat de Hong Kong, Xina) i Victor A. Albert (Universitat de Buffalo, Estats Units).


Descobrint la maquinària genètica que fa possible la dieta carnívora


Totes les plantes són organismes fotosintètics, és a dir, transformen la matèria inorgànica del medi en molècules orgàniques (glucosa). Per complementar lʼabsència de nutrients en certs sòls, les plantes carnívores poden capturar i absorbir nutrients dʼuna presa, gràcies a una maquinària biològica que és exclusiva dʼaquests vegetals.

Els experts han seqüenciat el genoma de la planta Cephalotus follicularis, una espècie originària dʼAustràlia que té ben diferenciades les fulles insectívores —unes trampes en forma de gerra per atrapar insectes— de les fulles no insectívores (com les de la resta de plantes). El genoma dʼaquesta espècie —la segona planta carnívora amb lʼADN seqüenciat, després de la Utricularia gibba— és relativament gran, i està format per 1,6 Gbp, que és gairebé la meitat del genoma humà. En total, els investigadors hi han identificat més de 36.000 gens.

Tal com detalla el catedràtic Julio Rozas, del Departament de Genètica, Microbiologia i Estadística, «la capacitat de les plantes carnívores per digerir animals en sòls empobrits és el resultat de lʼacció de la selecció natural que ha promogut diversos canvis genètics sobre un mateix conjunt de gens». Amb lʼanàlisi comparativa dels gens que sʼexpressen diferencialment en els dos tipus de fulles, la recerca ha identificat els canvis genètics associats amb la dieta carnívora en plantes.

«Segons els resultats, les fulles que atrapen insectes han adquirit noves funcions enzimàtiques: la quitinasa bàsica, que trenca la quitina (el principal component de lʼexosquelet dels insectes), i la fosfatasa àcida púrpura, que allibera els grups fosfat de les molècules i ajuda a mobilitzar el fòsfor de les preses», detalla Rozas, que és director del Grup de Recerca de Genòmica Evolutiva i Bioinformàtica a la Universitat de Barcelona, integrat en la plataforma Bioinformatics Barcelona (BIB).

Plantes carnívores: una evolució paral·lela

La selecció natural ha actuat sobre rutes evolutives molt concretes perquè les plantes es puguin alimentar dʼanimals, expliquen els autors. Tal com detalla el professor Alejandro Sánchez-Gracia, «tot i que les plantes han desenvolupat estratègies diferents per capturar animals, la selecció natural ha actuat sovint de manera recurrent sobre els mateixos gens per adquirir la capacitat de digerir la presa, un fenomen que es coneix com a evolució paral·lela».

El cas de les plantes insectívores és un exemple clar de convergència evolutiva, probablement com a conseqüència de les fortes restriccions biològiques imposades pels ecosistemes extrems que són pobres en nutrients. El fet que, a més, aquesta convergència vagi acompanyada dʼuna evolució paral·lela en els enzims digestius, converteix el sistema en un exemple molt interessant des del punt de vista de lʼestudi del procés evolutiu. «Els exemples dʼevolució paral·lela a escala molecular no són gaire freqüents. Per això, són del màxim interès en genètica perquè ens ajuden a conèixer quins mecanismes evolutius són més importants per a la diversificació i adaptació dels éssers vius», apunta Sánchez Gracia.

El viatge evolutiu de les plantes cap a la dieta carnívora


Quines estratègies moleculars han desplegat les plantes carnívores com a resposta evolutiva adaptativa? En el viatge evolutiu de les plantes cap a la dieta carnívora, no sempre cal que apareguin nous gens: alguns de ja presents en el genoma vegetal sʼhan adaptat a noves funcions biològiques, un procés que es coneix com a coopció.

En opinió de lʼexpert Pablo Librado, «en el treball, hem constatat que gens originàriament involucrats en la defensa contra certes malalties —o en la resposta a lʼestrès biòtic i abiòtic— han adquirit noves funcions (coopció) relacionades amb la capacitat de digerir animals. És el cas, per exemple, dʼun conjunt molt concret de proteïnes que han evolucionat per actuar com a enzims digestius».

«Els resultats de la coopció, tant pel que fa a certs enzims digestius, com pel que fa als canvis dʼaminoàcids observats en aquests enzims, mostren que lʼevolució ha actuat sobre un nombre molt reduït de rutes evolutives en la transició adaptativa a la dieta carnívora», detalla Librado, que actualment treballa al Centre de Geogenètica de la Universitat de Copenhaguen i al Museu dʼHistòria Natural de Dinamarca.


BadiRate, un programari bioinformàtic desenvolupat a la UB

En el marc de la recerca, els experts de la UB i lʼIRBio han contribuït de manera destacable a les anàlisis genòmiques, i han incorporat la incertesa que existeix sobre relacions filogenètiques per inferir quins tipus de gens sʼhan duplicat o perdut en les diferents espècies de plantes estudiades. BadiRate, un programari bioinformàtic creat pels experts Pablo Librado i Julio Rozas de la UB, ha estat clau per determinar estadísticament els tipus de gens que han incrementat significativament el nombre de còpies en les plantes carnívores. Aquesta anàlisi genòmica amb BadiRate ha estat el marc de referència per conèixer quins gens sʼassociaven a lʼaparició de la dieta carnívora de manera independent en els diferents llinatges no emparentats. Aquesta informació ha donat com a resultat el descobriment dels enzims digestius associats a la nova biologia de la planta. 

 

 

Article original:

 

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, febrer de 2017.