Las praderas marinas evolucionaron a partir de sus ancestros de agua dulce solo tres veces
Las praderas marinas proporcionan globalmente la base de uno de los ecosistemas marinos costeros con mayor biodiversidad, aunque vulnerables. Surgieron en tres linajes independientes a partir de sus ancestros de agua dulce hace unos 100 millones de años y son las únicas plantas marinas con flores completamente sumergidas.
Pasar a un entorno tan radicalmente diferente es un raro acontecimiento evolutivo y definitivamente no es fácil. ¿Cómo lo hicieron las praderas marinas? Los nuevos genomas de calidad de referencia proporcionan importantes pistas con relevancia para su conservación y aplicación biotecnológica.
Un grupo internacional de 38 investigadores coordinados por el Profesor Dr. Yves Van de Peer, Universidad de Gante, Bélgica, y el profesor Dr. Thorsten Reusch, GEOMAR Helmholtz Center for Ocean Research Kiel, Alemania, secuenciaron y analizaron los genomas de tres de las especies de hierbas marinas más importantes: la icónica hierba Neptuno endémica del Mediterráneo (Posidonia oceanica), la hierba Little Neptune o seba (Cymodocea nodosa), de amplia distribución, y la hierba de tortuga endémica del Caribe (Thalassia testudinum).
Los investigadores examinaron primero la estructura del genoma y luego compararon familias de genes y vías asociadas con adaptaciones estructurales y fisiológicas entre las praderas marinas y sus parientes de agua dulce.
Los ecosistemas basados en hierbas marinas brindan múltiples funciones y servicios, por ejemplo, como protección contra la erosión que preserva los paisajes marinos costeros, como puntos críticos de biodiversidad para animales y algas asociados y como una solución basada en la naturaleza para la mitigación del clima debido a su capacidad de almacenamiento de carbono en la biomasa subterránea. Tanto la conservación como la restauración son áreas de intensa investigación porque las praderas marinas se están perdiendo, al igual que los arrecifes de coral, debido al calentamiento climático y otros impactos humanos.
Imagen: Pequeña Hierba de Neptuno (Cymodocea nodosa). Foto: Thorsten Reusch, GEOMAR
Como dice el refrán: "Muchas manos/cerebros hacen que el trabajo sea más ligero". Para empezar, el consorcio de investigación examinó en profundidad la estructura de los genomas, seguido de un análisis comparativo de sus más de 20.000 genes y las vías relevantes que han evolucionado hacia adaptaciones marinas específicas.
A continuación, los 23 equipos de investigación que colaboraron se centraron cada uno en diferentes conjuntos de genes estructurales o funcionales complementarios, incluidas sus funciones fisiológicas. Una cuestión clave era si las adaptaciones genómicas se produjeron en paralelo o si surgieron de forma independiente y tal vez incluso implicaron diferentes conjuntos de genes.
El profesor Dr. Reusch señala: "Las praderas marinas experimentaron un conjunto extremadamente raro de adaptaciones. Mientras que la readaptación a ambientes de agua dulce ha ocurrido más de 200 veces en la historia evolutiva de las plantas con flores (involucrando cientos de linajes y miles de especies), las praderas marinas evolucionaron a partir de sus ancestros de agua dulce solo tres veces (involucrando 84 especies)".
"Para hacer esto se requirió una tolerancia ecológica especializada a, por ejemplo, alta salinidad, poca luz, una amplia gama de tolerancias de temperatura, captura de carbono bajo el agua para la fotosíntesis, diferentes defensas contra patógenos, flexibilidad estructural y polinización bajo el agua".
Imagen: La señalización del estrés salino implica diferentes canales iónicos.
Un resultado importante fue que las praderas marinas pudieron impulsar una adaptación radical mediante la duplicación del genoma, que a menudo se asocia con un severo estrés ambiental.
"La comparación de los tres linajes independientes de hierbas marinas, incluidos los linajes hermanos de agua dulce, reveló una antigua triplicación del genoma completo compartido hace aproximadamente 86 millones de años. Esto fue bastante emocionante porque grandes partes del océano estaban libres de oxígeno en ese momento y también es un evento de unión que involucra a los tres linajes", dice el profesor Dr. Van De Peer.
Además, los investigadores descubrieron que la retención y expansión de algunas familias de genes aún se pueden rastrear hasta estos primeros eventos de duplicación, a través de bloques sinténicos retenidos, por ejemplo flavonoides para proporcionar protección contra la radiación ultravioleta y los hongos, al tiempo que estimulan el reclutamiento de bacterias fijadoras de nitrógeno; cisteína oxidasas expandidas para hacer frente a sedimentos hipóxicos y genes asociados con los relojes circadianos.
Los resultados también mostraron que los "genes saltarines" (elementos transponibles) desempeñaron un importante papel en la creación de nueva variación genética sobre la que actuaría la selección. Esto se aplica particularmente a los grandes genomas de Thalassia testudinum y Posidonia oceanica.
Imagen: Los investigadores examinan una pradera de hierba de Neptuno (Posidonia oceanica) en el Mediterráneo. Foto: Gabriele Procaccini, Stazione Zoologica Anton Dohrn Napples
El equipo también encontró varias adaptaciones como resultado de la convergencia. Esto se aplicaba principalmente a rasgos que se volvían redundantes o perjudiciales en un ambiente marino sumergido y altamente salino. La pérdida de genes para los estomas (los pequeños agujeros en la superficie de la hoja que permiten el intercambio de gases con la atmósfera), la pérdida de genes para los volátiles y la señalización para defenderse contra los patógenos y tolerar las olas de calor marinas, en particular los factores de choque térmico, son ejemplos convincentes de "úsalo o piérdelo".
El Dr. Reusch explica: "Está claro que el ajuste de las vías de apoyo ha desempeñado el papel dominante, en lugar de que los genes asuman nuevas funciones importantes. La tolerancia a la sal es un buen ejemplo en el que se ha producido una mayor eficiencia de múltiples procesos para regular el sodio, el cloro y el potasio. Los cambios evolutivos también han proporcionado a diferentes especies la capacidad de resistir diferentes entornos".
"La mayoría de las funciones ecológicamente importantes son rasgos complejos que implican la interacción de muchos genes a través de vías flexibles. Con las herramientas genómicas ahora desarrolladas para praderas marinas clave, podemos comenzar a testarlas y manipularlas experimentalmente. Esto es especialmente importante para la restauración en escenarios de cambio climático que involucran muchas de las condiciones discutidas aquí".
Los nuevos recursos genómicos acelerarán los estudios experimentales y funcionales que son especialmente relevantes para la gestión transformadora y la restauración de los ecosistemas de praderas marinas. Son un formidable recurso para la comunidad de investigación.
Los hallazgos se presentan en la revista Nature Plants, con el título "Seagrass genomes reveal ancient polyploidy and adaptations to the marine environment".
