La planta más antigua existente se ha adaptado a los extremos y está amenazada por el cambio climático


Un estudio exhaustivo dirigido por científicos de Friburgo y Pekín caracterizó las adaptaciones del musgo Takakia a grandes altitudes y documentó la disminución de su población.


Friburgo, agosto de 2023

El raro musgo Takakia se ha adaptado durante millones de años a una vida en altitudes elevadas. Un equipo de investigación internacional dirigido por el Prof. Dr. Ralf Reski de la Universidad de Freiburg y el Prof. Dr. Yikun He de la Capital Normal University / China ahora ha descubierto exactamente cómo ha desarrollado la capacidad de sobrevivir a las heladas y a los rayos ultravioleta altos que amenazan la vida. radiación. En la reconocida revista Cell , describen los rasgos genéticos que protegen al musgo de condiciones ambientales extremas. Al mismo tiempo, documentan cómo el cambio climático alteró en gran medida el hábitat natural de esta especie altamente especializada en tan solo unos años.

El género Takakia comprende sólo dos especies. Juntos, se encuentran solo en la meseta tibetana, el “techo del mundo”, un punto de acceso de biodiversidad. Allí, el Prof. Dr. Xuedong Li , uno de los dos primeros autores del estudio, descubrió poblaciones de la especie Takakia lepidozioides a una altitud de más de cuatro mil metros en 2005. Desde entonces, el equipo ha estudiado Takakia en las montañas y en el laboratorio durante más de una década. Por ejemplo, el otro primer autor del estudio, el Dr. Ruoyang Hu, ha estado en el sitio más de veinte veces durante el período de estudio. “Es difícil trabajar a esta altura. El mal de altura es un problema y, a veces, nuestros instrumentos fallan”, explica Li. “Aún así, me encanta trabajar en este entorno. Ahí realmente entiendes lo importante que es preservar y proteger el medio ambiente”, dice Hu.

Población salvaje de Takakia en la meseta tibetana. Foto: Xuedong Li / Capital Normal University Beijing.

En la meseta tibetana, Takakia está enterrada bajo la nieve durante ocho meses al año y expuesta a altos niveles de radiación ultravioleta. Para sobrevivir allí, los seres vivos necesitan adaptaciones especiales. Para Takakia , estos han evolucionado durante los últimos 65 millones de años: solo desde entonces esta región de la Tierra ha sido levantada por la deriva continental, haciendo que el hábitat del musgo sea cada vez más extremo. “Estos registros de tiempo geológico nos ayudan a rastrear la adaptación gradual a una vida en altitudes elevadas en Takakia.genoma”, explica Reski, que realiza investigaciones en la Universidad de Friburgo y su Clúster de Excelencia CIBSS. En el estudio actual, su equipo investigó qué vías de señalización biológica protegen a las células del musgo de la congelación y la radiación ultravioleta mutagénica, entre otras cosas.

Takakia  es la planta terrestre viva más antigua

El musgo, que tiene solo unos pocos milímetros de tamaño, es de particular interés para los investigadores porque su afiliación sistemática no estuvo clara durante mucho tiempo, ya que combina características de algas verdes, hepáticas y musgos. “Ahora hemos podido demostrar que Takakia es un musgo que se separó de los demás musgos hace 390 millones de años, poco después de la aparición de las primeras plantas terrestres. Nos sorprendió descubrir que Takakia tiene el mayor número conocido de genes de rápida evolución bajo selección positiva”, dice He.

El fósil viviente

Otra sorpresa fue que la forma especial de Takakia ya se podía encontrar en fósiles de 165 millones de años de Mongolia Interior. Los fósiles proporcionan a los biólogos otra valiosa referencia temporal porque muestran que los cambios genéticos que afectan a la morfología evolucionaron hace más de 165 millones de años en condiciones ambientales muy diferentes. Entre estas peculiaridades se encuentra un modo de funcionamiento, atípico para las plantas, de la molécula señalizadora auxina, que controla el crecimiento y desarrollo de las plantas. “Aunque el genoma de Takakia está evolucionando tan rápidamente, la morfología no ha cambiado de forma reconocible durante más de 165 millones de años. Esto hace que Takakiaun verdadero fósil viviente. Este contraste aparente entre la forma inalterada y el genoma que cambia rápidamente es un desafío científico para los biólogos evolutivos”, describe Reski.

Los procesos metabólicos cambiantes protegen contra la radiación UV

Los rasgos genéticos que influyen en el procesamiento de las señales de estrés y la regulación de ciertos procesos metabólicos, por otro lado, son más jóvenes, según el estudio actual, y surgieron solo después del levantamiento de la meseta tibetana. Los investigadores pudieron reconstruir su aparición gradual en los últimos 50 millones de años y mostrar cómo protegen las células del musgo de las influencias ambientales dañinas. “Por ejemplo, Takakiaregula su metabolismo para acumular moléculas como flavonoides y ácidos grasos insaturados que protegen contra la dañina radiación UV y los radicales libres”, explica. “Vemos en el genoma que las moléculas de señalización que regulan la reparación del ADN, la fotosíntesis y los mecanismos contra el estrés oxidativo están bajo una selección positiva particularmente fuerte y han cambiado mucho en los últimos millones de años”.

Vista de la región donde los investigadores estudiaron las poblaciones de musgo. Glaciar Gawalong East a la izquierda. Foto: Ruoyang Hu / Universidad Capital Normal de Beijing.

El cambio climático puede poner fin a la evolución de Takakia después de 390 millones de años

Si bien Takakia ha tenido muchos millones de años para adaptarse a la disminución de las temperaturas y al aumento de la intensidad de la radiación, su hábitat ahora está cambiando en cuestión de décadas: desde que comenzaron las mediciones en 2010, los investigadores encontraron un aumento de temperatura promedio de casi medio grado centígrado por año allí. Al mismo tiempo, el glaciar cercano a los sitios de muestreo retrocedió casi 50 metros por año. El musgo altamente especializado se las arregla menos bien con este aumento de temperatura que otras especies. Las poblaciones de Takakia se redujeron significativamente durante el período de estudio, mientras que otras especies de plantas se beneficiaron del calentamiento. Es probable que esta tendencia continúe, temen los investigadores. “Nuestro estudio muestra lo valiosa que es Takakiaes rastrear la evolución de las plantas terrestres. La disminución de la población que encontramos es aterradora”, dice. “Afortunadamente, saber que la planta está en peligro de extinción también nos da la oportunidad de protegerla, por ejemplo, cultivándola en el laboratorio”, señala Hu. “ Takakia ha visto ir y venir a los dinosaurios. Nos ha visto venir a los humanos. Ahora podemos aprender algo sobre la resiliencia y la extinción de este pequeño musgo”, concluye Reski.

Sobre el Clúster de Excelencia CIBSS

El Clúster de Excelencia CIBSS (Centro de Estudios Integrativos de Señalización Biológica) tiene como objetivo obtener una comprensión integral de los procesos de señalización biológica en todas las escalas, desde las interacciones de moléculas y células individuales hasta los procesos en órganos y organismos completos. Con el conocimiento adquirido, las señales se pueden controlar de manera específica y esto, a su vez, permite a los investigadores no solo obtener información sobre la investigación, sino también innovar en medicina y ciencias de las plantas. www.cibss.uni-freiburg.de

  • Evolución adaptativa del enigmático Takakia que ahora enfrenta el cambio climático en el Tíbet. En: Celda 186 (2023). DOI:10.1016/j.cell.2023.07.003 .
  • El Prof. Dr. Ralf Reski es profesor de Biotecnología Vegetal en la Facultad de Biología de la Universidad de Friburgo y miembro de los Clústeres de Excelencia CIBSS – Centro de Estudios Integrativos de Señalización Biológica y liv MatS – Sistemas de Materiales Vivos, Adaptativos y Autonomos de Energía , así como de BIOSS – Centro de Estudios de Señalización Biológica. Su investigación se centra en la genética, la biología del desarrollo y el uso biotecnológico de los musgos. Sitio web: www.plant-biotech.net
  • Prof. Dr. Yikun Es profesor de Genética Vegetal en la Universidad Capital Normal, China. Su investigación se centra en los mecanismos de regulación molecular de la respuesta al estrés de las plantas y la exploración de los recursos genéticos de las plantas en ambientes extremos.
  • El estudio fue financiado por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (91631109, 31970658), el Departamento de Ciencia y Tecnología de la Región Autónoma del Tíbet (XZ202301ZY0009N), la Nueva Construcción Interdisciplinaria de Bioinformática y Estadística de la Universidad Capital Normal (2055079), el Laboratorio Clave de Shenzhen Subtropical del Sur Plant Diversity (SSTLAB-2020-02), German Research Foundation DFG (EXC-2189, CIBSS y CRC-Transregio 141, B02), así como por el Instituto de Estudios Avanzados de Friburgo FRIAS y el Instituto de Estudios Avanzados de la Universidad de Estrasburgo USIAS ( METABEVO).