Hallazgo de una nueva evolución genética en la planta carnívora decaploide Nepenthes gracilis

Publicado originalmente por Julius-Maximilians-Universität Würzburg, el 24 de noviembre de 2023

Evolución de nuevos rasgos en Nepenthes. a, Planta N. gracilis, una planta carnívora y con hojas en forma de jarra. b, Posición filogenética de Nepenthes. Se muestra el tiempo de divergencia con un IC del 95% para la topología del árbol ML reconstruido usando 1.614 secuencias de proteínas de una sola copia de 20 especies. Los apoyos Bootstrap y los valores de probabilidad posterior para la posición de Nepenthes se muestran como sigue: nucleótido ML/proteína ML/nucleótido CO/proteína CO. La evolución de los caracteres se asignó parsimoniosamente a ramas, mientras que los símbolos no indican estimaciones puntuales de los tiempos de origen evolutivo. Obsérvese que su característica de planta carnívora se perdió secundariamente en Ancistrocladus . A la derecha se muestran caricaturas de hojas de plantas pertenecientes a clados carnívoros. CI, intervalo de confianza; T., Triásico; Ju., Jurásico; Cr., Cretácico; Pa., Paleógeno; N., Neógeno; Q., Cuaternario. Crédito: Nature Plants (2023). DOI: 10.1038/s41477-023-01562-2

En un estudio reciente, un equipo dirigido por el botánico de Würzburg Kenji Fukushima, se investigó la estructura genómica de la planta carnívora Nepenthes gracilis y se demostró cómo la poliploidía -el fenómeno de tener más de dos juegos de cromosomas en las células- contribuye a la innovación evolutiva. Fukushima dirige un grupo de trabajo en la Cátedra de Botánica I de la Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU).

Los resultados del estudio se han publicado en la revista Nature Plants.

Tras la pista de la dominancia de los subgenomas

Los genomas de las plantas son conocidos por su compleja estructura, y el estudio de genomas poliploides con múltiples conjuntos de cromosomas permite a los investigadores responder a cuestiones profundas sobre genética. "Nuestros hallazgos no sólo proporcionan información clave sobre el paisaje adaptativo del genoma de Nepenthes, sino que también amplían nuestra comprensión de cómo la poliploidía puede estimular la evolución de nuevas funciones", afirma el profesor Victor Albert, de la Universidad de Buffalo. Albert es coautor principal del estudio.

Una cuestión central se refiere al mecanismo de la llamada dominancia subgenómica, que influye en la retención y expresión de genes en múltiples conjuntos cromosómicos.

Este proceso suele dar lugar a un subgenoma dominante, más rico en genes. En cambio, los subgenomas recesivos pierden genes. En su estudio, Fukushima y su equipo se centraron en la hasta entonces desconocida estructura genómica de Nepenthes gracilis e investigaron la compleja relación entre los subgenomas.

Subgenomas recesivos como fuerzas motrices innovadoras

Utilizando modernas técnicas de secuenciación de alto rendimiento y análisis bioinformáticos, los investigadores pudieron identificar una estructura genómica decaploide - 10 juegos de cromosomas en una célula- en la planta carnívora tropical. Al hacerlo, se toparon con una clara firma de dominancia subgenómica, que dio lugar a un subgenoma dominante y cuatro recesivos.

"Curiosamente, sin embargo, resultó que son los subgenomas recesivos los que están enriquecidos con genes nuevos. Este sorprendente descubrimiento sugiere que los subgenomas recesivos contribuyen de forma importante a la adaptación evolutiva de la planta", afirma Fukushima. Esto es especialmente cierto en el caso de rasgos definitorios como las hojas en forma de jarra, que utilizan para atrapar insectos, y la dioecia, la presencia de plantas macho y hembra separadas".

En análisis posteriores, el equipo identificó genes específicos en los subgenomas recesivos que pueden relacionarse con estos rasgos únicos. Un ejemplo interesante es un gen específico de los machos en el cromosoma Y, recientemente identificado, que podría desempeñar un papel crucial en la dioecia. También descubrieron un grupo de genes que se expresan específicamente en plantas en forma de jarra que ponen trampas y que probablemente contribuyen a la evolución de la característica carnívora en Nepenthes.

Posibles aplicaciones en agricultura

Además de investigar la genética de Nepenthes gracilis, el estudio contribuye a la comprensión general del papel de la poliploidía en la evolución y de cómo surgen genes nuevos. Los conocimientos adquiridos también podrían aplicarse en otras áreas de la investigación vegetal y mejorar nuestra comprensión de los genomas de las plantas y de cómo éstas pueden formar rasgos complejos y novedosos. Además, los resultados permiten extraer conclusiones sobre la diversidad y adaptabilidad de las plantas en general y pueden hacer valiosas aportaciones a la agricultura, por ejemplo.

"Los mecanismos de transporte de nutrientes y reproducción son de especial interés en este campo", explica Fukushima. Las conclusiones del estudio podrían ayudar a comprender mejor estos procesos y contribuir así a unas prácticas agrícolas sostenibles y eficientes".

Más información: Franziska Saul et al, Subgenome dominance shapes novel gene evolution in the decaploid pitcher plant Nepenthes gracilis, Nature Plants (2023). DOI: 10.1038/s41477-023-01562-2

Información de la revista: Nature Plants

Proporcionado por: Julius-Maximilians-Universität Würzburg