Un equipo global de científicos desvela un inmenso árbol de la vida del ADN de las plantas con flor

Un nuevo artículo publicado hoy en la revista Nature por un equipo internacional integrado por 279 científicos, coordinado desde los Reales Jardines Botánicos de Kew y en el que participan investigadores del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) en el Real Jardín Botánico (RJB), el Instituto Botánico de Barcelona (IBB) y el Centro de Investigación Agrigenómica (CRAG), representa la frontera del conocimiento actual del árbol de la vida de las plantas con flor.

Empleando 1.800 millones de bases del código genético de unos 8.000 géneros, aproximadamente un 60% del total de géneros de plantas con flor, se arroja nueva luz sobre la historia evolutiva y sobre el papel de las plantas con flor como arquitectas de los ecosistemas terrestres del planeta. Los autores del estudio consideran que los datos generados acelerarán la identificación de nuevas especies para la ciencia, permitirán refinar su clasificación, facilitarán su conservación frente al cambio climático y la pérdida de biodiversidad y mediarán el descubrimiento nuevos compuestos medicinales.

Este gran hito para la investigación botánica, en el que han participado 138 organizaciones de todo el mundo, ha empleado 15 veces más datos que cualquier otro estudio reciente sobre el árbol de la vida de las plantas con flor. De entre las 9.500 especies secuenciadas, nunca antes se había secuenciado el ADN de más de 800 de ellas. Es tal la cantidad de datos generados por esta investigación, que una sola computadora tardaría 18 años en procesarlos. Este es un gran paso hacia la construcción del árbol de la vida de las 330.000 especies conocidas de plantas con flor, una formidable tarea que desempeña la Iniciativa el Árbol de la Vida de Kew.

“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 de la vida de las plantas con flor, abriendo una nueva ventana para explorar la complejidad de la evolución de estos organismos”, señala Alexandre Zuntini, investigador de Kew y primer autor del artículo.

Integrando los pliegos históricos de herbario en la investigación

El árbol de la vida de plantas con flor, al igual que nuestro propio árbol genealógico, nos permite comprender cómo se relacionan las especies entre sí. Este árbol de la vida se construye comparando secuencias de ADN de diferentes especies para identificar cambios (mutaciones) que se acumulan con el tiempo, cual si se tratara de un registro fósil pero molecular. Para este estudio ha sido necesario desarrollar nuevos métodos genómicos que permiten la captura masiva de cientos de genes para cada muestra procesada, órdenes de magnitud más que técnicas anteriores.

Lisa Pokorny, investigadora del CSIC en el Real Jardín Botánico y desarrolladora de la técnica genómica empleada explica que, “necesitábamos una herramienta universal que nos permitiera obtener cientos de genes nucleares para todas las plantas con flor. Además, era importante que esta herramienta funcionara en material vegetal de diversa procedencia y en distinta condición. El revolucionario panel de captura que diseñamos emplea ARN y partículas magnéticas para atrapar cientos de genes, cual si se tratara de una red de pesca genómica”.

Una ventaja clave de los métodos empleados es que permiten secuenciar una amplia diversidad de material vegetal, reciente y antiguo, incluso cuando su ADN está muy dañado. Los vastos tesoros de material vegetal seco de las colecciones de los herbarios del mundo, que comprenden casi 400 millones de especímenes científicos de plantas, ahora pueden ser estudiados genómicamente.

Así, los investigadores secuenciaron con éxito un espécimen de Arenaria globiflora recolectado hace casi 200 años en Nepal y, a pesar del mal estado de su ADN, fue posible ubicarlo en el árbol de la vida. Se analizaron, además, plantas extintas como el olivo de la isla Guadalupe (Hesperelaea palmeri), que no se ha vuelto a encontrar en dicha isla del Pacífico desde 1875. De hecho, 511 de las especies secuenciadas están en riesgo de extinción, según la Lista Roja de la UICN, además de otras tres más que lamentablemente también están ya extintas.

De las poco más de 9.500 especies secuenciadas, más de 3.400 procedían de material de 163 herbarios de 48 países. El material adicional proviene de otras colecciones de plantas (bancos de ADN y/o semillas, colecciones vivas...) de todo el mundo y ha sido vital para llenar vacíos de conocimiento clave y arrojar nueva luz sobre la historia de la evolución de las plantas con flor. Además, en los análisis se han integrado datos para más de 1.900 especies disponibles en repositorios públicos de ADN, lo que destaca la importancia de la ciencia abierta para futuras investigaciones genómicas.

Descifrando el “abominable misterio” de Darwin

En la actualidad, las plantas con flor representan alrededor del 90% de toda la vida vegetal conocida, repartiéndose desde los trópicos más calurosos hasta latitudes polares. Entender cómo poco después de su origen estas plantas pasaron a ser las arquitectas de casi todos los ecosistemas terrestres es algo que ha desconcertado a los científicos durante generaciones, incluyendo al mismísimo Charles Darwin.

Empleando 200 fósiles de gran calidad, los autores dataron el árbol de la vida de las plantas con flor. Las plantas con flor se originaron hace unos 140 millones de años, tras lo cual desplazaron rápidamente a las otras plantas que entonces constituían los paisajes, como sus parientes vivos más cercanos, las gimnospermas (plantas sin flores, pero con semillas desnudas, como las coníferas, las cícadas, o el ginkgo).

Los investigadores observaron que la diversificación temprana de las plantas con flor fue explosiva, dando lugar al 80% de los linajes que existen en la actualidad en apenas unos pocos millones de años. Además, se identificó otro aumento brusco en la diversificación de las plantas con flor hace unos 40 millones de años, coincidiendo con una disminución global de las temperaturas.

Dándole un buen uso al árbol de la vida de las plantas con flor

El árbol de la vida de las plantas con flor tiene un enorme potencial en la investigación de la biodiversidad. Esto se debe a que la posición de una especie en dicho árbol de la vida nos informa tanto sobre sus características como sobre su trayectoria evolutiva. Más allá de la botánica, los nuevos datos generados serán invaluables para mejorar muchas otras áreas de la ciencia. Es por ello que el árbol y todos los datos que lo sustentan están disponibles en acceso abierto y gratuito, tanto para el público como para la comunidad científica a través del Portal del Árbol de la Vida de Kew, paso clave para democratizar el acceso a los datos en todo el mundo.

El acceso abierto ayudará a los científicos a obtener el mayor rendimiento de los datos, por ejemplo, empleando la inteligencia artificial para predecir qué especies de plantas podrían contener moléculas con potencial medicinal. Asimismo, el árbol de la vida de las plantas con flor se puede utilizar para comprender y predecir mejor cómo las plagas podrían afectar a las plantas de interés agronómico y/o forestal en un futuro próximo. En última instancia, los autores señalan, las aplicaciones de estos datos estarán impulsadas por el ingenio de los usuarios que accedan a ellos.