Los frutos de las plantas de Solanum, un grupo de la familia de las solanáceas, son increíblemente diversos y van desde tomates rojos de gran tamaño y berenjenas moradas hasta las bayas verdes venenosas de las plantas de patata.
por Gail McCormick, Universidad Estatal de Pensilvania
Un árbol genealógico nuevo y mejorado de este grupo, elaborado por un equipo internacional dirigido por investigadores de Penn State, ayuda a explicar la sorprendente diversidad de colores y tamaños de frutas y cómo podrían haber evolucionado.
El equipo descubrió que el tamaño y el color de las frutas evolucionaron juntos y que los animales que se alimentan de frutas no eran los principales impulsores de la evolución de las frutas, como se pensaba anteriormente. El estudio, publicado en la revista New Phytologist , también puede proporcionar información sobre cómo cultivar plantas importantes desde el punto de vista agrícola con rasgos más deseables, dijeron los investigadores.
«Hay alrededor de 1.300 especies en el género Solanum, lo que lo convierte en uno de los géneros de plantas más diversos del mundo», dijo João Vitor Messeder, estudiante de posgrado en ecología y biología en la Facultad de Ciencias Eberly de Penn State y en los Institutos Huck para la Vida. Ciencias y autor principal del artículo.
«Desde las décadas de 1970 y 1980, los investigadores han sugerido que las aves, los murciélagos y otros animales frugívoros han impulsado la evolución de frutas como las de Solanum. Sin embargo, la importancia de la historia evolutiva de las plantas ha sido subestimada o rara vez considerada cuando evaluando la diversificación de frutos carnosos.
«Para probar mejor esta hipótesis, primero necesitábamos producir una filogenia o árbol genealógico más sólido de este grupo de plantas para mejorar nuestra comprensión de las relaciones entre especies».
Las plantas del género Solanum producen frutos con una amplia variedad de tamaños, colores y valores nutricionales. Pueden aparecer de color negro, morado, rojo, verde, amarillo o naranja y su tamaño varía desde menos de un cuarto de pulgada hasta 8 pulgadas, o de 0,5 a 20 centímetros.
Además de las plantas de importancia agrícola, algunas plantas del grupo se cultivan por sus flores ornamentales, y los frutos de muchas de estas plantas son consumidos por los humanos y una gran diversidad de animales, incluidos pájaros, murciélagos, reptiles, primates y otros mamíferos terrestres. .
Los investigadores recolectaron muestras de plantas de todo el mundo, incluidas plantas silvestres de Brasil, Perú y Puerto Rico y plantas de jardines botánicos, y secuenciaron sus genes a partir de ARN.
Complementaron con muestras recolectadas previamente y datos disponibles públicamente, y finalmente compararon las secuencias de 1.786 genes de un total de 247 especies para reconstruir el árbol genealógico de Solanum. Esto incluyó representantes de los 10 clados principales (las ramas del árbol) y 39 de los 47 clados menores dentro del género.
«Al utilizar miles de genes compartidos entre especies que representaban efectivamente a todo el género, mejoramos significativamente el árbol genealógico de Solanum, convirtiéndolo en el más completo hasta la fecha», dijo Messeder, quien llevó a cabo la investigación en el laboratorio de Hong Ma, presidente de Huck en Desarrollo y evolución reproductiva de las plantas y profesor de biología en Penn State y coautor correspondiente del artículo.
«Los avances recientes en tecnología nos permitieron usar más genes que estudios anteriores, que enfrentaron muchos desafíos para resolver las relaciones entre especies y clados. Este árbol mejorado nos ayuda a comprender cuándo se originaron los diferentes colores y tamaños de frutas o cómo cambiaron a medida que surgieron nuevas especies de plantas. «.
Los investigadores agregaron una resolución considerable de las ramas más pequeñas del grupo que incluye papas y tomates, así como sus especies silvestres estrechamente y más lejanas. Los conocimientos adquiridos, dijeron los investigadores, podrían respaldar programas de mejora de cultivos para estas especies y otros cultivos del género.
«Si los parientes silvestres más cercanos de cultivos agrícolas importantes tienen rasgos deseables, es posible cultivar cultivos con esas especies o tomar prestados sus genes, por ejemplo, para mejorar la resistencia a la temperatura o a las plagas o para producir frutos más grandes o de cierto color. » Dijo Messeder.
Los investigadores descubrieron que el color y el tamaño de los frutos de Solanum se conservaban bastante a lo largo de la historia evolutiva, lo que significa que las especies estrechamente relacionadas tienden a tener frutos similares. La evolución del color y el tamaño de la fruta también está correlacionada, y los cambios en un rasgo a menudo corresponden a cambios en el otro, lo que hace que los frutos de ciertos colores sean más grandes que los de otros colores.
«Estos resultados sugieren que los mecanismos fisiológicos y moleculares pueden desempeñar un papel en mantener unidas la evolución del color y el tamaño de la fruta», dijo Messeder. «Si bien los frugívoros (o animales que se alimentan principalmente de frutas) y los dispersores de semillas pueden influir en la diversificación, debemos considerar todas las posibilidades al estudiar cómo las frutas se volvieron tan diversas».
Los investigadores también aclararon el origen y la línea de tiempo de diversificación de este género, en parte al incluir información reciente del fósil más antiguo de la familia de las solanáceas (de un género diferente en la familia de las solanáceas cuyo fósil data de hace unos 52 millones de años) y de genes particulares que estimaciones mejoradas de la longitud de las ramas evolutivas.
Los investigadores fecharon el origen de Solanum hace unos 53,1 millones de años, 30 millones de años antes que las estimaciones anteriores que se basaban en genes de otras partes de la célula vegetal. Esto pinta una nueva imagen del medio ambiente que podría haber dado forma a cómo estas plantas se diversificaron en nuevos grupos y especies.
«El medio ambiente de la Tierra cambió dramáticamente durante los 30 millones de años en términos de temperatura, dióxido de carbono en la atmósfera, geografía y diversidad animal», dijo Messeder. «Ahora que sabemos cuándo se originaron Solanum y sus subgrupos, podemos pensar en las condiciones que podrían haber promovido la diversificación de ese grupo, así como en cómo otros organismos podrían haber desempeñado un papel».
El equipo descubrió que los primeros miembros de Solanum tenían bayas de tamaño mediano que permanecían verdes cuando maduraban, y que los frutos verdes y amarillos de este grupo se volvieron más diversos hace unos 14 millones de años.
Los investigadores especularon que los murciélagos podrían haber desempeñado un papel en esta diversificación, dada su línea de tiempo evolutiva similar y que son los principales dispersores de los frutos modernos de Solanum verdes y amarillos. A medida que surgieron nuevas especies de murciélagos y se expandieron donde vivían durante este tiempo, comieron frutos de Solanum y llevaron sus semillas a nuevos entornos.
A continuación, los investigadores planean explorar cómo las interacciones modernas entre los animales y la fruta que comen pueden arrojar luz sobre la evolución de ambos grupos, así como explorar la evolución de ciertos genes relevantes para el color y el tamaño de la fruta.
Más información: João Vitor S. Messeder et al, Una filogenia nuclear altamente resuelta descubre un fuerte conservadurismo filogenético y una evolución correlacionada del color y tamaño de la fruta en Solanum L., New Phytologist (2024). DOI: 10.1111/nph.19849
