Hace millones de años, las plantas terrestres se originaron a partir de un alga verde ancestral que sufrió transformaciones cruciales para superar los desafíos asociados con la transición de hábitats acuáticos a terrestres (Figura 1). Entre los rasgos adaptativos clave que impulsaron la conquista de la tierra, los ancestros de las plantas terrestres desarrollaron mecanismos de protección para contrarrestar el estrés ambiental (como la alta irradiación, la sequía y el ataque de patógenos) y desarrollaron nuevas estrategias para la absorción de nutrientes.

En cuanto a la nutrición mineral, el hierro es un elemento esencial para la vida de las plantas porque es necesario para producir clorofila, un componente crucial para la fotosíntesis. De hecho, la deficiencia de hierro es un trastorno grave de las plantas que comienza con el amarillamiento de las hojas y puede provocar la muerte de toda la planta.

La concentración de hierro y la biodisponibilidad dependen del hábitat, siendo mayor en agua dulce que en agua de mar. El hierro también es abundante en los ambientes terrestres, pero se encuentra en la forma poco soluble Fe3+ y deja de estar disponible si el pH del suelo es superior a 6.5. Sin embargo, las raíces de las plantas pueden absorber fácilmente la forma soluble Fe2+, después de la reducción de la rizosfera por enzimas específicas. Entonces, las preguntas principales son…

¿Cómo y cuándo las plantas verdes desarrollaron mecanismos para absorber metales de los suelos primitivos y para hacer frente a la escasez de hierro en los hábitats terrestres?

Para comprender mejor qué cambios marcaron la evolución de las plantas terrestres, el grupo de Genómica evolutiva (ver definición abajo) dirigido por el Profesor Luiz-Eduardo Del-Bem, Departamento de Botánica del Instituto de Ciencias Biológicas, ha estudiado los mecanismos que controlan la absorción de metales en organismos verdes que viven en ecosistemas terrestres y acuáticos. en su último estudio, Publicado en el New Phytologist, los autores investigaron el origen y la diversificación de un grupo de proteínas relacionadas con el transportador de proteína similar al transportador regulado por hierro (ZIP) regulado por zinc y el TRANSPORTADOR REGULADO POR HIERRO1 (IRT1), que están involucrados en la captura de hierro en varias plantas terrestres y también en el clorofito que vive en agua estancada y suelo húmedo.

¿Se conserva la estrategia de absorción de hierro entre todos los organismos verdes?

La evolución perfecciona las soluciones a los problemas, en lugar de crear constantemente nuevas soluciones. Por lo tanto, una pregunta interesante es: ¿todos los organismos verdes absorben el hierro de forma similar? De ser así, esto sugiere que todos comparten un ancestro común capaz de absorber el hierro. Si existen diferentes maneras, entonces hubo una divergencia en la evolución de los organismos verdes en las etapas más profundas del tiempo evolutivo.

“Las proteínas ZIP/IRT están en todas partes y sirven como transportadores de metales como zinc, hierro y manganeso. IRT1 se describió originalmente en la especie modelo Arabidopsis thaliana y proteínas similares se encontraron más tarde no solo en la especie de cultivo arroz sino también en el alga verde Chlamydomonas reinhardtii. Por lo tanto, se asumió que la absorción de hierro en algas y plantas terrestres era básicamente la misma. Sin embargo, es fácil absorber el hierro en el agua, pero es más difícil obtenerlo en el suelo”, dice Luiz-Eduardo Del-Bem.

Cuando los autores analizaron más a fondo los transportadores ZIP/IRT, descubrieron que los organismos verdes podrían haber adquirido diferentes estrategias durante la evolución. Mediante el uso de enfoques bioinformáticos, Del-Bem y sus colaboradores identificaron casi 500 proteínas ZIP/IRT homólogas en los genomas de más de 50 especies existentes pertenecientes al reino Plantae*. Los autores construyeron un árbol filogenético (Figura 2 y XNUMX) basado en las similitudes entre las secuencias primarias de estas proteínas relacionadas con IRT, y encontró dos clados profundamente divergentes, llamados X (IRT de Arabidopsis, arroz y Marchantia) e Y (IRT de Chlamydomonas).

Este análisis indica que los transportadores de metales genéricos evolucionaron para cumplir una función más específica en la absorción de hierro al menos dos veces (o quizás más) durante la evolución de la planta. La versión especializada que se encuentra en las plantas terrestres se remonta a carófitos, los ancestros de las plantas terrestres que probablemente desarrollaron estos transportadores al pasar de ambientes acuáticos a terrestres.

¿Cuáles son las diferencias y los puntos en común entre los diferentes transportadores de hierro?

Otro punto interesante es que los aminoácidos críticos para el transporte de hierro que se describieron en Arabidopsis no se conservan entre las proteínas Clade X y Clade Y, lo que corrobora que estos transportadores tienen la misma función pero no la misma secuencia.

Además, Wenderson Felipe Costa Rodrigues y Ayrton Breno P. Lisboa, primer y segundo autor del artículo, analizaron la estructuras 3D predichas de estas proteínas mediante la combinación de procedimientos estándar con nuevos métodos como el modelado mediante el uso AlphaFold. Los resultados de la comparación son algo sorprendentes, ya que parece que los transportadores de hierro de Clade X e Y están separados en la evolución pero convergen en la estructura.

¿Por qué es tan importante estudiar la evolución de los transportadores de hierro en las plantas?

El hierro es crucial para la vida de una planta ya que su deficiencia perjudica la fotosíntesis y afecta seriamente el crecimiento de la planta. Sin embargo, las estrategias que emplean los organismos verdes para la adquisición de hierro no están muy bien estudiadas, a pesar de su importancia fisiológica y ecológica. Aumentar el conocimiento en este campo puede ser una ventaja para la investigación básica y aplicada de las plantas.

“Por un lado, tenemos curiosidad por saber más sobre la nutrición mineral en las plantas y por descubrir la función de los transportadores de metales que hemos identificado. Por otro lado, los hallazgos novedosos pueden tener aplicaciones importantes en la agricultura, ya que pueden usarse para lograr una mejor funcionalidad de los transportadores de metales, por lo tanto optimizar la absorción de hierro”, declara Del-Bem. Por ejemplo, los nuevos conocimientos pueden emplearse en biofortificación programas (es decir, mejora de cultivos para lograr el valor nutritivo de los alimentos) para mejorar la distribución y localización del hierro dentro del cuerpo de la planta, por ejemplo, en las semillas.

A pesar de los grandes avances logrados mediante el uso de la genómica comparativa, la evolución de las plantas sigue desconcertando a los científicos...

Hasta la fecha, la "explicación estándar" para la evolución de las plantas terrestres ha sido que algún día los carófitos pluricelulares parecidos a plantas simplemente salieron del agua y las plantas terrestres emergieron como los primeros organismos terrestres de su linaje. Sin embargo, Luiz-Eduardo propone que probablemente la primera planta verde terrestre fue un carófito unicelular y no una gran planta que emerge del agua (Figura 3 y XNUMX). De hecho, estos organismos ancestrales (que todavía existen en la actualidad) comparten varias maquinarias moleculares con las plantas terrestres (p. ej., pueden sintetizar xiloglucano, usan los mismos transportadores de hierro, tienen sistemas similares para protegerse de los patógenos), que aparecieron en un momento similar en la evolución. tiempo.

Mi idea es que, si retrocedemos en la evolución, hubo un tiempo en la Tierra en el que los escenarios terrestres estaban llenos de microbosques, pequeños organismos unicelulares donde las microalgas hacían la fotosíntesis y eran las principales productoras tomando carbono del aire... similar a un bosque. de la actualidad, pero en microescala.

Los primeros eucariotas fotosintéticos terrestres podrían ser más antiguos y probablemente más simples de lo que la gente piensa. De hecho, los científicos han estimado que la primera planta terrestre apareció hace 500 millones de años basándose en los fósiles del primer cuerpo vegetativo, pero los estudios de genómica evolutiva adelantan el punto crítico a hace 700-750 millones de años basándose en la divergencia de un grupo particular de carófitos que probablemente vivían en la tierra (Klebsormidiáceas). El principal problema es que, teóricamente, el ADN puede ser estable durante 1-2 millones de años, por lo que la secuenciación del genoma podría realizarse en un hueso de neandertal de 38,000 años, pero no en plantas "prehistóricas" que son mucho más antiguas.

¿Qué sigue en su investigación?

“El objetivo de este proyecto era comprender cómo la nutrición de las plantas, y específicamente la absorción de hierro, evolucionó del agua al suelo. Sin embargo, nos gustaría saber mucho sobre estos transportadores y su modo de acción con otros metales (p. ej., zinc). Actualmente estamos planeando trabajo de banco para resolver esto. Una forma fácil y económica será probar proteínas en levadura (complementación de mutantes en transportadores), pero también nos gustaría caracterizar proteínas con función desconocida en diferentes especies, algas rojas por ejemplo, aunque somos conscientes de que no es tan sencillo realizar estudios funcionales con organismos no modelo”.

No podemos viajar en el tiempo para ver la primera planta, pero podemos ver sus efectos secundarios. Al examinar plantas de diversos clados, con ancestros comunes distantes, los genes casi actúan como una máquina del tiempo para llevarnos hacia esa planta temprana. Es a través de los genes que Del-Bem y sus colegas descubrieron que el mecanismo de captación de hierro basado en los transportadores ZIP/IRT1 es ancestral de las plantas terrestres, que han heredado verticalmente genes que codifican estas proteínas de su último ancestro común. Este estudio es parte de un programa de investigación más amplio destinado a comprender cuáles son los cambios genómicos que permitieron la terrestreización de las plantas verdes. Todavía no sabemos si alguna vez será posible resolver el rompecabezas completo de la evolución de las plantas, pero los mantendremos informados con los últimos descubrimientos.

LEA EL ARTÍCULO:

Rodrigues, WFC, Lisboa, ABP, Lima, JE, Ricachenevsky, FK and Del-Bem, L.-E. (2023) “La absorción de hierro ferroso a través de IRT1/ZIP evolucionó al menos dos veces en plantas verdes, " New Phytologist. Disponible en: https://doi.org/10.1111/nph.18661.

Definición de genómica evolutiva

Luiz-Eduardo Del Bem: “Podemos pensar en un proceso similar al utilizado en anatomía comparada. Por ejemplo, varios libros de texto reportan una figura clásica que compara estructuras anatómicas como el brazo de un ser humano, la pata de un perro y el ala de un pájaro… son diferentes, pero podemos reconocer los mismos huesos con formas diferentes.

En la genómica evolutiva, comparamos los genomas de diferentes especies y analizamos qué tienen en común (o no) para comprender cómo cambió la vida a lo largo del tiempo.

Es una forma de retroceder y rastrear el origen de la vida, inferir cómo era el antepasado. Basándonos en el árbol de la vida, podemos intentar estimar la antigüedad de un sistema molecular utilizando técnicas complejas que tienen como objetivo comparar secuencias de nucleótidos en el ADN o aminoácidos en proteínas”.

*Reino Plantae (o ARCHAEPLASTIDA, eucariotas fotosintéticos) se compone de:

Viridiplantae (plantas verdes): algas verdes acuáticas y plantas terrestres (embriofitas), que emergieron del interior de las algas verdes.

Rhodophyta (algas rojas): organismos fotoautótrofos (los grupos más antiguos de algas eucariotas) que abundan en los hábitats marinos pero son relativamente raros en los de agua dulce, no son especies terrestres.

Glaucophyta: algas unicelulares que viven en ambientes terrestres húmedos y de agua dulce.