El sistema antisequía de las plantas se remonta a las algas marinas

Los científicos descubrieron que la vía de señalización que activa las defensas contra la sequía de las plantas se ha mantenido prácticamente sin cambios durante cientos de millones de años.

El paso del agua a la tierra de las plantas marca un hito en la evolución de la vida en la Tierra; pero no se sabe cómo lograron esta transición ante desafíos como la sequía y la luz brillante. Ahora, un nuevo estudio muestra que el sistema de alerta incorporado que permite a las plantas terrestres sentir y responder a la sequía tiene un origen improbable: sus ancestros de algas acuáticas.

Los científicos descubrieron que la vía de señalización que activa las defensas contra la sequía de las plantas se ha mantenido prácticamente sin cambios durante cientos de millones de años, apareciendo por primera vez en algas estreptofitas que habitan en el agua dulce y luego cooptadas por plantas terrestres para enfrentarse al estrés de su nuevo entorno terrestre. Hoy en día, existe la misma vía en la gran mayoría del árbol de la vida de la planta, desde musgos, plantas hepáticas y helechos hasta cultivos y otras plantas con flores.

«La evolución de este camino es uno de los eventos clave en la historia de la vida en la Tierra», afirma el coautor del estudio Douglas Soltis, conservador del Museo de Historia Natural de Florida y profesor distinguido en el Departamento de Biología de la Universidad de Florida, en Estados Unidos. «A pesar de que estas algas vivían bajo el agua, desarrollaron algunas de las características que finalmente permitirían a las plantas lidiar con el estrés de la desecación en la tierra. No estaríamos aquí si no lo hubieran descubierto», apunta en un comunicado.

Según Soltis, entender los detalles moleculares de cómo evolucionaron las plantas en este camino es crucial mientras nos dirigimos hacia un futuro que se proyecta que tendrá sequías más prolongadas y más severas que podrían amenazar a nuestro suministro de alimentos. «Mantener o aumentar el rendimiento de los cultivos en condiciones de sequía, que se verá agravada por el cambio climático, es una de las claves para el futuro de la agricultura –apunta–. No es un problema fácil de resolver, pero es un problema importante para la salud y el bienestar humanos. Ahora que tenemos un plan para el camino que controla la tolerancia a la sequía de las plantas, es posible que podamos manipularlo», dice.

Debido a que las plantas no pueden huir de la sequía, implementan una serie de estrategias de supervivencia mientras esperan mejores condiciones de crecimiento. Su defensa a corto plazo contra la sequía es cerrar sus estomas (pequeños agujeros que «exhalan» agua) y sellar la humedad dentro de las hojas con una capa de cera. Durante las sequías más prolongadas, las plantas canalizan el agua y los nutrientes de las hojas y los tallos hasta las semillas y yemas, reservorios para un nuevo crecimiento.

Uno de los sistemas de alerta que coordina la detección y respuesta de las plantas a la sequía se conoce como la red de señalización retrógrada del cloroplasto. Cuando una parte de una planta percibe sequía o exceso de luz, esta red envía enzimas para llevar un mensaje a la «unidad central» de la planta, que puede activar una estrategia de defensa.

El coautor correspondiente Zhong-hua Chen, de la ‘Western Sydney University’, estaba estudiando la señalización retrógrada de cloroplastos en los estomas de las plantas terrestres cuando envió a Soltis un conjunto de datos que mostraba si ciertas enzimas estaban ausentes, presentes y en qué niveles en una variedad de linajes de plantas verdes. Chen incluyó varias especies de algas como grupos externos, organismos fuera de un grupo de estudio objetivo que pueden actuar como comparativos.

Cuando Soltis descargó el conjunto de datos, se fijó repentinamente en los niveles de dos grupos de enzimas en las algas estreptofitas, los ancestros de las plantas terrestres. ¿Por qué las enzimas relacionadas con la sequía aparecen en las algas acuáticas? «Me aseguré de tener las líneas correctas y dije: ‘Vaya, está muy bien’ –describe Soltis–. Le escribí a Zhong-hua de inmediato y dije: ‘Creo que tienes algo grande aquí».

Las algas estreptofitas son plantas de agua dulce que pueden sobrevivir en ambientes difíciles, como lagos de cráteres volcánicos, hábitats marinos y cuerpos de agua efímeros o temporales. Conocidas por ser pioneras en nuevos lugares, también son miembros del linaje que dio origen a las plantas terrestres. A diferencia de la mayoría de las otras algas, tienen estructuras protectoras alrededor de sus óvulos y células espermáticas, que Soltis citó como un ejemplo de las características de la evolución de las algas para defenderse del estrés.

Evolución de esta vía hace unos 580 millones de años

Aunque las algas estreptofitas no se suelen enfrentar a la amenaza de la sequía, Soltis señala que las condiciones de crecimiento adversas en algunos de sus hábitats tienen muchos de los mismos efectos. «La alta salinidad es básicamente desecación –apunta–. Estas algas pueden haber desarrollado algunas de estas vías de señalización porque vivían en estos hábitats efímeros, salados y, en el proceso, tropezaron con algo que podría elegirse para la vida en la tierra».

La hipótesis inicial de Chen era que esta vía de señalización de la sequía había evolucionado por primera vez en las primeras plantas terrestres, por lo que tenía al menos 450 millones de años. Sin embargo, encontrarla en algas estreptófitas indica que durante mucho tiempo es anterior a la transición de las plantas a la tierra y al desarrollo de los estomas. «Si esta vía de señalización se originara en algas estreptofitas, podría impulsar la evolución de esta vía a hace 580 millones de años –dice Chen, profesor asociado de Fisiología Vegetal y Biología Celular–. Por supuesto, necesitaremos más investigación para validar eso».

El análisis del equipo de investigación de los genes y proteínas asociados con esta vía de señalización muestra que se han conservado notablemente en una variedad de linajes de plantas. Aunque esta vía se ha estudiado en especies de plantas modelo y cultivos, Soltis apunta que las algas estreptofitas simplemente se habían pasado por alto. «Sabemos mucho sobre las plantas con flores, pero estas algas son poco conocidas –dice–. Este es un gran ejemplo del valor de dar un paso atrás y ver el panorama evolutivo más grande.

Nos da una perspectiva más profunda de cómo se armó este rompecabezas al inicio». Dada la naturaleza sofisticada y en varias etapas del camino, Chen apunta que sería un error pensar en los primeros ancestros de las plantas terrestres como primitivos. «Hemos demostrado claramente que dos especies de algas estreptofitas han evolucionado con tantas características genéticas importantes como las llamadas plantas ‘superiores’ –afirma–. Permitieron el traslado de un medio acuático a la tierra». El equipo publica sus hallazgos en ‘Proceedings of the National Academy of Sciences’.

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