Un nuevo artículo publicado hoy (24 de abril) en la revista Nature por un equipo internacional de 279 científicos dirigido por el Real Jardín Botánico de Kew presenta la comprensión más actualizada del árbol de la vida de las plantas con flores.
por el Real Jardín Botánico de Kew
Utilizando 1.800 millones de letras de código genético de más de 9.500 especies que cubren casi 8.000 géneros de plantas con flores conocidas (aprox. 60%), este increíble logro arroja nueva luz sobre la historia evolutiva de las plantas con flores y su ascenso hasta el dominio ecológico en la Tierra.
Los autores del estudio creen que los datos ayudarán en futuros intentos de identificar nuevas especies , refinar la clasificación de las plantas, descubrir nuevos compuestos medicinales y conservar las plantas frente al cambio climático y la pérdida de biodiversidad.
El mayor hito para la ciencia vegetal, liderado por Kew y en el que participaron 138 organizaciones a nivel internacional, se basó en 15 veces más datos que cualquier estudio comparable sobre el árbol de la vida de las plantas con flores. Entre las especies secuenciadas para este estudio, a más de 800 nunca antes se les había secuenciado el ADN.
La gran cantidad de datos desbloqueados por esta investigación, que una sola computadora tardaría 18 años en procesar, es un gran paso hacia la construcción de un árbol de la vida para las 330.000 especies conocidas de plantas con flores, una empresa enorme de la Iniciativa Árbol de la Vida de Kew.
El Dr. Alexandre Zuntini, investigador del RBG Kew, dice: «Analizar esta cantidad de datos sin precedentes para decodificar la información oculta en millones de secuencias de ADN fue un gran desafío. Pero también ofreció la oportunidad única de reevaluar y ampliar nuestro conocimiento de la Plantar el árbol de la vida, abriendo una nueva ventana para explorar la complejidad de la evolución de las plantas».
Descubriendo especímenes de herbario históricos para investigaciones de vanguardia
El árbol de la vida de plantas con flores, al igual que nuestro propio árbol genealógico, nos permite comprender cómo se relacionan las diferentes especies entre sí. El árbol de la vida se descubre comparando secuencias de ADN entre diferentes especies para identificar cambios (mutaciones) que se acumulan con el tiempo como un registro fósil molecular.
Nuestra comprensión del árbol de la vida está mejorando rápidamente junto con los avances en la tecnología de secuenciación del ADN. Para este estudio, se desarrollaron nuevas técnicas genómicas para capturar magnéticamente cientos de genes y cientos de miles de letras de código genético de cada muestra, órdenes de magnitud más que los métodos anteriores.
Una ventaja clave del enfoque del equipo es que permite secuenciar una amplia diversidad de material vegetal, antiguo y nuevo, incluso cuando el ADN está muy dañado. Los vastos tesoros de material vegetal seco de las colecciones de herbarios del mundo, que comprenden casi 400 millones de especímenes científicos de plantas, ahora pueden estudiarse genéticamente.
Utilizando estos especímenes, el equipo secuenció con éxito un espécimen de arena (Arenaria globiflora) recolectado hace casi 200 años en Nepal y, a pesar de la mala calidad de su ADN, pudieron colocarlo en el árbol de la vida.
El equipo incluso analizó plantas extintas, como el olivo de la isla Guadalupe (Hesperelaea palmeri), que no se ha visto con vida desde 1875. De hecho, 511 de las especies secuenciadas ya están en riesgo de extinción, según la Lista Roja de la UICN, entre ellas tres más como Hesperelaea que ya están extintas.
El profesor William Baker, líder principal de investigación del Árbol de la vida, dice: «En muchos sentidos, este enfoque novedoso nos ha permitido colaborar con los botánicos del pasado aprovechando la riqueza de datos encerrados en especímenes de herbario históricos, algunos de los cuales fueron recopilados ya a principios del siglo XIX.
«Nuestros ilustres predecesores, como Charles Darwin o Joseph Hooker, no podían haber previsto lo importantes que serían estos especímenes en la investigación genómica actual. ¡El ADN ni siquiera fue descubierto durante sus vidas!
«Nuestro trabajo muestra cuán importantes son estos increíbles museos botánicos para los estudios innovadores sobre la vida en la Tierra. ¿Quién sabe qué otras oportunidades científicas por descubrir se encuentran dentro de ellos?»
De las 9.506 especies secuenciadas, más de 3.400 procedían de material procedente de 163 herbarios en 48 países. El material adicional de colecciones de plantas de todo el mundo (por ejemplo, bancos de ADN, semillas, colecciones vivas) ha sido vital para llenar vacíos de conocimiento clave y arrojar nueva luz sobre la historia de la evolución de las plantas con flores. El equipo también se benefició de datos disponibles públicamente sobre más de 1.900 especies, lo que destaca el valor del enfoque de ciencia abierta para futuras investigaciones genómicas.
Iluminando el abominable misterio de Darwin
Las plantas con flores por sí solas representan alrededor del 90% de toda la vida vegetal conocida en la tierra y se encuentran prácticamente en todas partes del planeta, desde los trópicos más calurosos hasta los afloramientos rocosos de la Península Antártica. Y, sin embargo, nuestra comprensión de cómo estas plantas llegaron a dominar la escena poco después de su origen ha desconcertado a los científicos durante generaciones, incluido Charles Darwin.
Las plantas con flores se originaron hace más de 140 millones de años, después de lo cual rápidamente superaron a otras plantas vasculares, incluidos sus parientes vivos más cercanos: las gimnospermas (plantas sin flores que tienen semillas desnudas, como las cícadas, las coníferas y el ginkgo).
Darwin quedó desconcertado por la aparición aparentemente repentina de tal diversidad en el registro fósil. En una carta de 1879 a Joseph Dalton Hooker, su confidente más cercano y director de RBG Kew, escribió: «El rápido desarrollo, hasta donde podemos juzgar, de todas las plantas superiores en los últimos tiempos geológicos es un misterio abominable».
Utilizando 200 fósiles, los autores escalaron su árbol de la vida en el tiempo, revelando cómo evolucionaron las plantas con flores a lo largo del tiempo geológico. Descubrieron que las plantas de floración temprana realmente explotaron en diversidad, dando origen a más del 80% de los principales linajes que existen hoy en día, poco después de su origen.
Sin embargo, esta tendencia luego disminuyó a un ritmo más constante durante los siguientes 100 millones de años hasta otro aumento en la diversificación hace unos 40 millones de años, coincidiendo con una disminución global de las temperaturas. Estos nuevos conocimientos habrían fascinado a Darwin y seguramente ayudarán a los científicos actuales a afrontar los desafíos de comprender cómo y por qué se diversifican las especies.
Una colaboración verdaderamente global
Montar un árbol de la vida de esta extensión habría sido imposible sin la colaboración de los científicos de Kew con muchos socios en todo el mundo. En total, 279 autores participaron en la investigación, representando muchas nacionalidades diferentes de 138 organizaciones en 27 países. Incluyen el consorcio Genomics for Australian Plants (GAP), que fueron los primeros en adoptar las técnicas del equipo y que trabajaron en estrecha colaboración con Kew para maximizar el número de especies de plantas australianas en el árbol.
Los colaboradores internacionales también compartieron su experiencia botánica única, así como muchas muestras de plantas preciosas de todo el mundo que no podrían obtenerse sin su ayuda. La naturaleza integral del árbol es en gran medida el resultado de esta maravillosa asociación.
La Dra. Mabel Lum, directora de programas de Bioplatforms Australia y del consorcio GAP, dice: «Estamos orgullosos de ser un socio y colaborador importante en el esfuerzo de RBG Kew para construir una infraestructura de investigación global para avanzar en nuestra comprensión del árbol de la vida de las plantas con flores. La fructífera colaboración subrayó nuestro compromiso de fomentar la innovación y la colaboración en la investigación científica, proporcionando un trampolín para futuros descubrimientos que ayudarán a dar forma a nuestra comprensión del mundo natural para las generaciones venideras».
Darle un buen uso a la planta árbol de la vida
El árbol de la vida, una planta con flores, tiene un enorme potencial en la investigación de la biodiversidad. Esto se debe a que, así como se pueden predecir las propiedades de un elemento en función de su posición en la tabla periódica, la ubicación de una especie en el árbol de la vida nos permite predecir sus propiedades. Por tanto, los nuevos datos serán invaluables para mejorar muchas áreas de la ciencia y más allá.
Para permitir esto, el árbol y todos los datos que lo sustentan se han hecho de acceso abierto y gratuito tanto para el público como para la comunidad científica, incluso a través de Kew Tree of Life Explorer. Los autores del estudio creen que ese acceso abierto es clave para democratizar el acceso a los datos científicos en todo el mundo.
El acceso abierto también ayudará a los científicos a hacer el mejor uso de los datos, como combinarlos con inteligencia artificial para predecir qué especies de plantas pueden incluir moléculas con potencial medicinal. De manera similar, el árbol de la vida se puede utilizar para comprender y predecir mejor cómo las plagas y enfermedades afectarán a las plantas del Reino Unido en el futuro. En última instancia, señalan los autores, las aplicaciones de estos datos estarán impulsadas por el ingenio de los científicos que accedan a ellos.
La Dra. Melanie-Jayne Howes, líder principal de investigación en RBG Kew, que no fue autora del estudio pero utilizará los datos en su investigación, dice: «Los químicos vegetales han inspirado muchos medicamentos farmacéuticos, pero aún tienen un gran potencial sin explotar para ayudar en el futuro descubrimiento de fármacos. El desafío es saber cuál investigar científicamente en la búsqueda de nuevos medicamentos entre las aproximadamente 330.000 especies de plantas con flores.
«En Kew estamos aplicando IA para predecir qué especies de plantas contienen sustancias químicas con potencial farmacéutico para la malaria. La disponibilidad de este nuevo y vasto conjunto de datos ofrece oportunidades interesantes para mejorar estas predicciones y, por lo tanto, acelerar el descubrimiento de fármacos a partir de plantas para la malaria y también para otras enfermedades».
Especies notables en el árbol de la vida de plantas con flores.
- Extinto por cabras asilvestradas: Hesperelaea palmeri, también conocida como olivo de la Isla de Guadalupe. Secuenciado de un espécimen de herbario en Kew recolectado en la isla Guadalupe, frente a Baja California, México, en 1875 por el médico Edward Palmer. Un árbol que pertenece a la familia de los olivos (Oleaceae), ahora está extinto debido al pastoreo excesivo por parte de cabras no nativas.
- Espécimen más antiguo secuenciado: Arenaria globiflora, también conocida como sandwort nepalí. Secuenciado de un espécimen de herbario de Kew recolectado en 1829 por Nathaniel Wallich. Este notable espécimen proviene de una planta montañosa del Himalaya que crece a más de 3.600 m.
- Resuelto el misterio de la familia de las plantas parásitas: Pilostyles aethiopica, miembro de la familia de las chupa tallos (Apodanthaceae). Secuenciado a partir de tejido vegetal recolectado en Zimbabwe en 2012 por Sidonie Bellot de Kew. Este extraño parásito vive dentro de las ramas de otras plantas y solo es visible cuando florece. Anteriormente se pensaba que estaba estrechamente relacionado con las calabazas y las begonias (Cucurbitales), pero un estudio encontró que pertenece al grupo Malpighiales.
- Extraño árbol tropical reclasificado: Medusanthera laxiflora, miembro de la familia del haya (Stemonuraceae). Secuenciado de un espécimen de herbario en Kew recolectado en Nueva Guinea Indonesia en 1993. Este pequeño árbol tropical con extraños frutos en forma de alfiler se clasificó anteriormente junto con la familia del acebo. El nuevo árbol de la vida ha reclasificado su género y familia en un orden completamente nuevo.
- Bambú de la expedición al Himalaya de Hooker en la década de 1850: Cephalostachyum capitatum, miembro de la familia de las gramíneas (Poaceae). Secuenciado de un espécimen de herbario recolectado en la India en 1850 por Joseph Hooker, segundo director del RBG Kew, y su amigo Thomas Thomson.
- Planta medicinal secuenciada por primera vez: Alstonia spectabilis, también conocida como Kroti metan por los tetunes. Secuenciado de un espécimen de herbario de Kew recolectado en Papúa Nueva Guinea en 1954. Este enorme árbol de 20 m de altura se encuentra en las selvas tropicales del sudeste asiático y Australia. A pesar de ser de importancia medicinal para el pueblo tetun de Timor Occidental para tratar la malaria, además de ser una valiosa fuente de madera, su ADN nunca antes había sido secuenciado.
Más información: Zuntini, AR, Carruthers, T. et al, Filogenómica y el ascenso de las angiospermas, Nature (2024). www.nature.com/articles/s41586-024-07324-0
