El árbol genealógico del girasol ha revelado que la simetría de las flores evolucionó varias veces de forma independiente, un proceso llamado evolución convergente, entre los miembros de esta gran familia de plantas, según un nuevo análisis.
por Sam Sholtis, Universidad Estatal de Pensilvania
El equipo de investigación, dirigido por un biólogo de Penn State, resolvió más ramas más finas del árbol genealógico, proporcionando información sobre cómo evolucionó la familia de los girasoles, que incluye ásteres, margaritas y cultivos alimentarios como la lechuga y la alcachofa.
En la revista Plant Communication aparece un artículo que describe el análisis y los hallazgos, que según los investigadores pueden ayudar a identificar rasgos útiles para cultivar selectivamente plantas con características más deseables .
«La evolución convergente describe la evolución independiente de lo que parece ser el mismo rasgo en diferentes especies, como las alas de las aves y los murciélagos», dijo Hong Ma, catedrático Huck de Desarrollo y Evolución Reproductiva de las Plantas, profesor de biología en la Facultad de Ciencias de Eberly en Penn State y el líder del equipo de investigación. «Esto puede dificultar determinar qué tan estrechamente relacionadas están dos especies al comparar sus rasgos, por lo que tener un árbol genealógico detallado basado en la secuencia de ADN es crucial para comprender cómo y cuándo evolucionaron estos rasgos».
La cabeza del girasol, por ejemplo, es en realidad un compuesto de múltiples flores mucho más pequeñas. Si bien la cabeza es generalmente radialmente simétrica (puede dividirse en dos mitades iguales en múltiples direcciones, como una estrella de mar o un pastel), las flores individuales pueden tener diferentes formas de simetría. Según el nuevo estudio, la simetría bilateral (donde solo hay una línea que divide la flor en dos mitades iguales) ha evolucionado y se ha perdido varias veces de forma independiente en los girasoles a lo largo de la historia evolutiva. Los investigadores descubrieron que esta evolución convergente probablemente esté relacionada con cambios en el número de copias y los patrones de expresión del gen regulador floral, CYC2.
En los últimos años, se han construido muchos árboles genealógicos para un grupo de especies relacionadas mediante el uso extensivo de transcriptomas, que son las secuencias genéticas de esencialmente todos los genes expresados por una especie, explicaron los investigadores. Los transcriptomas son más fáciles de adquirir que las secuencias del genoma completo de alta calidad de una especie, pero siguen siendo difíciles y costosos de preparar y requieren muestras de plantas frescas. Para aumentar el número de especies disponibles para comparar, el equipo recurrió a secuencias genómicas de baja cobertura, que se producen mediante un proceso llamado desnatado del genoma y son relativamente económicas y fáciles de preparar, incluso a partir de muestras de plantas secas.
«Para obtener una secuencia precisa del genoma completo de una especie, cada letra de su alfabeto de ADN debe leerse (o cubrirse) varias veces para minimizar los errores», dijo Ma. «A los efectos de construir un árbol genealógico, mostramos en este artículo que podemos salirnos con la nuestra con secuencias genómicas de menor cobertura. Esto nos permitió aumentar el número de especies en nuestro análisis, lo que a su vez nos permitió resolver más detalles ramas del árbol genealógico de los girasoles.»
El equipo utilizó una combinación de transcriptomas disponibles públicamente y recientemente generados, junto con una gran cantidad de genomas desnatados recientemente obtenidos, para un total de 706 especies con representantes de 16 subfamilias, 41 tribus y 144 grupos a nivel de subtribu en la familia del girasol. Las subfamilias son subdivisiones principales de la familia, mientras que las tribus y subtribus pueden contener uno o más géneros, que es el nivel de clasificación justo por encima de la especie.
«Las versiones anteriores del árbol genealógico del girasol habían establecido relaciones entre la mayoría de las subfamilias y muchas tribus, que son equivalentes a las ramas principales de un árbol», dijo Ma. «Con nuestro mayor tamaño de muestra, pudimos resolver más ramas y ramitas más pequeñas a nivel de subtribu y género. Este árbol de mayor resolución nos permitió reconstruir dónde y cuándo evolucionaron rasgos como la simetría de las flores, lo que demuestra que la simetría bilateral debe tener evolucionado muchas veces de forma independiente.»
El equipo también estudió la evolución molecular de los genes implicados en el desarrollo de las flores de los girasoles. Descubrieron que uno de estos genes, CYC2, que se encuentra en múltiples copias en los genomas de cada especie, se activaba en especies con flores bilateralmente simétricas, lo que sugiere que podría ser parte de la base molecular de la evolución convergente de este rasgo. Para seguir probando esto, el equipo realizó experimentos para cuantificar la expresión del gen CYC2 en las flores de especies con diferentes tipos de simetría.
«Nuestro análisis mostró una relación clara entre la expresión de CYC2 y la simetría de las flores, lo que sugiere que los cambios en la forma en que se usan estos genes en varias especies de girasol probablemente estén involucrados en la evolución convergente observada en la familia», dijo Ma. «La familia de los girasoles es una de las dos familias más grandes de plantas con flores que contiene más de 28.000 especies, incluidas muchas especies agrícolas y hortícolas de importancia económica. Comprender cómo se relacionan estas especies entre sí nos permite determinar cómo y cuándo evolucionaron sus rasgos. Este conocimiento También podría usarse para identificar rasgos útiles que podrían transmitirse a especies domesticadas a partir de especies silvestres estrechamente relacionadas».
Además de Ma, el equipo de investigación incluye a Guojin Zhang de Penn State; Junbo Yang, Jie Cai, Zhi-Rong Zhang y Lian-Ming Gao en el Instituto de Botánica de Kunming en Kunming, China; Caifei Zhang en el Jardín Botánico de Wuhan y el Centro Conjunto de Investigación Sino-África en Wuhan, China; Bohan Jiao y Tiangang Gao en el Laboratorio Estatal Clave de Diversidad Vegetal y Cultivos Especiales en Beijing, China; y José L. Panero de la Universidad de Texas, Austin.
Más información: Guojin Zhang et al, La filogenómica nuclear de Asteraceae con mayor muestreo proporciona nuevos conocimientos sobre la evolución morfológica y molecular convergente, Plant Communications (2024). DOI: 10.1016/j.xplc.2024.100851
