Parte del equipo de investigación, plantando en las zonas experimentales. Foto: Mitchell.Olds lab
El investigador en Biología de la Universidad de Jaén (UJA) Antonio José Manzaneda Ávila participa, junto con científicos de la Universidad de Duke (Estados Unidos), en un estudio en el que se analizan los genes que están detrás de la variación natural en la defensa química de las plantas, el cual ha sido publicado hoy, 31 de agosto, en la prestigiosa revista “Science”.
El artículo, titulado “A Gain-of-Function Polymorphism Controlling Complex Traits and Fitness in Nature” (http://www.sciencemag.org/content/337/6098/1081.full), ha sido realizado por un equipo internacional de investigadores de diferentes países, liderado por el profesor Thomas Mitchell-Olds, con base en la Universidad de Duke.
El estudio se realizó sobre plantas de la especie “Boechera stricta” una planta de la familia de las brasicáceas (de la misma familia que la mostaza, la col, la colza, o de la planta modelo “Arabidopsis thaliana”), y se llevó a cabo en poblaciones naturales de la especie localizadas en las Montañas Rocosas de los Estados Unidos (Montana y Colorado), las cuáles han permanecido inalteradas durante los últimos 3.000 años (de hecho son áreas de La Tierra que constituyen un verdadero laboratorio natural).
Herbívoro, alimentándose sobre hojas jóvenes de B. Stricta en el experimento de laboratorio. Foto: Antonio J. Manzaneda
Dicho estudio es pionero, en el análisis y en la determinación de los genes que están detrás de la variación en la defensa de las planta y uno de los pocos trabajos que establece, de una manera concluyente, una relación directa entre un polimorfismo genético y rasgos fenotípicos, con efectos causales sobre el fitness de las plantas de crecimiento (la eficacia biológica de un individuo, que se mide en términos de descendencia y reproducción, y que en las plantas se estima con frecuencia, a partir en el número de semillas que un individuo traslada a la siguiente generación: más semillas más fitness, menos semillas menos fitness) en hábitats naturales.
Hay que tener en cuenta que las plantas poseen una rica diversidad de defensas de naturaleza adaptativa para combatir o atenuar el efecto de los animales herbívoros y patógenos, como virus, bacterias y hongos. Entre las defensas más conocidas y efectivas de las plantas están las defensas químicas, denominadas “compuestos secundarios”. Éstos son subproductos del metabolismo de las plantas que se acumulan en los tejidos vegetales susceptibles de ser atacados por los herbívoros y que tratan de impedir o, al menos, reducir el daño provocado por el herbívoro sobre el tejido.
Aunque variable, a nivel de una planta individual, el daño realizado sobre los tejidos repercute directamente y negativamente sobre el fitness de un individuo, es decir, cuanto más daño en sus tejidos sufra un individuo menos fitness dejará ese individuo en una población, “ya que con frecuencia la pérdida de tejido acarrea una pérdida en la capacidad fotosintética que, en último término, acaba afectando al sistema reproductivo de la planta, a pesar de los mecanismos compensatorios que las plantas también poseen”, afirma Antonio José Manzaneda.
Desde un punto evolucionista esto es importante, ya que en hábitats donde el daño por herbívoros sea frecuente y recurrente, “el poseer unas buenas defensas será esencial para que las plantas dejen descendencia y puedan transmitir sus genes a las siguientes generaciones”, explica.
Mahogany Valley, en las montañas rocosas entre Idaho y Montana (EE UU). Foto: Mitchel-Olds
Sin embargo, dentro de una misma especie de plantas, a lo largo de su rango distribución, la norma es encontrar variación genética (heredable) en la cantidad y/o en la composición estructural de defensas químicas entre los individuos dentro y entre poblaciones naturales. “Entonces la pregunta pertinente ahora es: si la teoría evolutiva darwiniana predice que la selección natural favorece a los individuos mejor adaptados en detrimento de los individuos peormente adaptados, cómo es posible qué exista ese grado de variación sostenida y estable en rasgos ecológicamente clave (como lo son las defensas de las plantas) dentro de una misma especie”, señala.
Durante décadas, los ecólogos y biólogos evolutivos han intentado contestar esta pregunta en diferentes sistemas naturales, y existen ya algunas respuestas que explican el porqué de esa variación. Así, este investigador jiennense comenta que estudios ecológicos llevados a cabo durante la última década han demostrado que diferentes mecanismos, tales como la selección correlacional; la existencia de compromisos ecológicos y genéticos en esos rasgos, y las variaciones espacio-temporales en la presión de herbivoría explican en parte la existencia de la variación observada en ese y otros rasgos ecológicamente importantes. “Sin embargo, mucho más desconocidos son los mecanismos evolutivos que promueven y mantienen esa variación a nivel genético (donde la variación se denomina polimorfismo)”, apunta.
El análisis de las causas y consecuencias de los polimorfismos genéticos es clave para entender no sólo la evolución de los rasgos ecológicamente importantes en las plantas, “sino que, en general, arroja luz al entendimiento, todavía limitado, de los procesos naturales que intervienen en la variación fenotípica interindividual, a nivel molecular, de todos los organismos, y nos ayudará a responder a cuestiones tales como: por qué hay plantas que resisten mejor la sequía y las enfermedades que otras o por qué existen personas más resistentes a las infecciones que otras”, subraya.
Antonio Manzaneda explica que una fortaleza de este estudio es que combina e integra múltiples técnicas “y adopta una perspectiva multidisciplinar, que va desde la bioquímica a la ecología de campo, pasando por la biología molecular y la genética cuantitativa.” Así, el equipo en primer lugar identificó y clonó regiones polimórficas en el genoma de planta (denominadas QTL, o Quantitative Trait Loci), asociadas significativamente a diferencias en la estructura y composición de las defensas químicas (en las especies de esta familia las defensas químicas son los glucosinolatos), a la vulnerabilidad al daño por insectos y al fitness (supervivencia y reproducción) en condiciones naturales de campo. Esas regiones polimórficas difieren simplemente en dos aminoácidos que codifican para la enzima que controla la síntesis de estas las defensas químicas en esta especie. Sin embargo, este cambio aparentemente nimio “altera de forma drástica la ruta metabólica de síntesis para producir una variante diferente de glucosinolatos, lo que tiene efectos sobre el patrón de herbivoría por insectos que reciben las plantas y en el fitness”. Así, cuando plantas de la población de Montana, que tienen una versión del gen que codifica para un tipo de defensa diferente se plantaron en Colorado, sufrieron más daño por herbivoría y tuvieron menos fitness que las plantas locales.
Igualmente, cuando se plantaron de forma recíproca plantas de Montana (con otra versión defensiva) a las poblaciones de Colorado, estás sufrieron más daño que las plantas locales, lo que demuestra que el origen del polimorfismo encontrado en este sistema está mantenido por procesos de adaptación local de los individuos a diferentes ambientes.
Antonio José Manzaneda es doctor en Biología por la Universidad de Sevilla y desde 2008 se encuentra realizando su labor investigadora en la Universidad de Jaén y en la Universidad de Duke, primero con una beca postdoctoral del prestigioso programa europeo “Marie Curie Fellowships (IOF)” y actualmente como investigador del “Programa Nacional Ramón y Cajal” en la UJA. Además, imparte docencia en los grados de Biología y Ciencias Ambientales de la UJA. Más información y detalles acerca de su trayectoria, proyectos de investigación y publicaciones se pueden encontrar en www.ajmanzaneda.org y http://www10.ujaen.es/conocenos/departamentos/bioani/4156
Autores: Antonio José Manzaneda y Gabinete de Comunicación de la UJA (C.Q.R.)
