Hace más de 400 millones de años algunas plantas, como los ancestros de las rosas, desarrollaron una estrategia para protegerse de los herbívoros: las espinas. Proyectada desde el fruto, las hojas o los tallos, la defensa tuvo tanto éxito que se extendió por todo el reino vegetal. Esa vida complicada para los animales. Pero, más tarde, también al hombre en sus diversos procesos de domesticación. Ahora, un nutrido grupo de científicos de todo el mundo, con notable presencia española, han identificado el gen detrás de estas espigas. Confirmaron su eliminación en berenjenas espinosas, rosas y frutos populares pero casi imposibles de cosechar. El descubrimiento abre las puertas a la imaginación, tanto para mejorar especies ya cultivadas como para explotar otras que antes eran impensables.
Esta historia comienza en Valencia con unas berenjenas. En el Instituto Universitario para la Conservación y Mejora de la Agrodiversidad Valenciana, de la Universitat Politècnica de València (UPV), la genética de las berenjenas lleva años mejorando (Solanum melongena). Aunque hay algunas sin espinas, incluso en estado silvestre, la mayoría son extremadamente espinosas y las solicitudes de cosecha de la mayoría de las cultivadas no llegan a los supermercados. De ahí el interés por las berenjenas sin espinas. Mediante cruces intentaron identificar los marcadores moleculares asociados a la espinescencia y, detrás de ellos, el gen potencialmente responsable. Luego de una serie de cruces entre una especie silvestre que tiene muchas espinas con otras sin espinas, al cruzar el híbrido con el progenitor sin espinas, se observó una perfecta segregación 1 a 1, la mitad con y la otra mitad sin, confirmando la base genética. A partir de uno de estos cruces autofecundaron unas 700 plantas y lograron acotar el área donde se encontraba el gen.
“Fue en ese momento que en un seminario online entramos en contacto con investigadores del Laboratorio Cold Spring Harbor (Estados Unidos), que trabajan en el campo de la neodomesticación. [los planes modernos para domesticar especies aún silvestres]. Y si lo que te interesa tiene espinas, lo primero que hay que hacer es quitarlas», afirma el biotecnólogo de la UPV Jaime Prohens, uno de los responsables esta ambiciosa investigación publicada en la revista Ciencia. El gen identificado como responsable de las espinas de la berenjena participa en la expresión de citoquininas, hormonas vegetales con un papel clave en la división y diferenciación de las células vegetales.
Las berenjenas pertenecen al género. solanaLo mismo que las patatas y los tomates. Pero hay espinas en muchos otros géneros muy alejados de los del árbol de la vida, desde los cereales hasta las rosas. Aquí es donde entran los investigadores del Cold Spring Harbor Laboratory (CSHL) y los botánicos de otros grupos líderes en otros géneros de plantas. Comenzaron a confirmar el papel de este gen con parientes lejanos de la berenjena que crecían en zonas tan lejanas como África occidental, la península de Yucatán (México) o una especie de lulo silvestre propia de América del Sur. Los tres tienen mutaciones en el mismo gen identificado en la berenjena.
Consultando otras investigaciones, confirmaron que mutaciones en genes similares (homólogos) también parecían relacionadas con la pérdida de proyecciones espinosas en muchas especies de Poaceae, como el arroz o la cebada. Y terminaron alcanzando las rosas. Entre estos hay algunos sin espinas, como el rosal de Wichura. Una vez más, la ausencia de picos parecía estar relacionada con mutaciones en el mismo gen. Para confirmarlo, otro grupo de científicos, este con sede en Francia, utilizó una técnica de edición genética para silenciar el gen de interés en una variedad muy espinosa, la rosa china. El resultado fue que a la mayoría de los rosales nuevos apenas les desarrollaron espinas (ver fotografías). Yendo más allá, otro equipo, esta vez estadounidense, recurrió al cortador de vides genético CRISPR para eliminar las espinas de las uvas del desierto (Solanum cleistógamo), una especie que los aborígenes australianos consumen desde hace milenios como pasas a pesar de sus imponentes espinas y para la que se ha buscado una manera de domesticarla.
Para Zachary Lippman, investigador del CSHL, estamos ante uno de los mayores casos de convergencia evolutiva entre especies que divergieron hace millones de años y terminaron encontrando la misma solución a problemas similares. Esta fue una de las grandes aportaciones de Charles Darwin cuando postuló en su teoría de la evolución que, ante presiones selectivas similares, especies distantes podrían desarrollar adaptaciones similares de forma independiente. Lo que Darwin no podía saber es que “en el caso de las espinas, parece que la base genética ya existía previamente en la especie en la que surgieron”, afirma Lippman, autor principal de este trabajo colectivo.
Las posibles implicaciones de este descubrimiento podrían ser enormes. Una es la que Pietro Gramazio, de la Universidad Politécnica de Valencia y también coautor, llama ciencia básica. «La mayoría de las especies modelo no tienen espinas», recuerda. EL Arabidopsis thalianala planta del tabaco, la tomatera o las petunias son plantas de investigación como los ratones, las ratas y los macacos son animales de investigación. Y ninguno de ellos tiene espinas. “Y quitando las rosas, el otro cultivo importante, las otras plantas más importantes desde el punto de vista económico o de modelo no tienen espinas y eso tiene su impacto”, añade. Es como si los científicos se hubieran tapado los ojos durante décadas.
Descubrir la base genética de la espinescencia podría revitalizar muchas ramas de la agricultura. Como nos recuerda Jaime Prohens, “ya no es sólo que te pinchen a ti o al consumidor, sino que los propios frutos, que tienen espinas, se pinchan entre sí durante el envasado y esto genera muchas pérdidas”. Pero sobre todo: “facilitará mucho más eficientemente el desarrollo de variedades sin espinas, y también la domesticación de nuevas especies que hasta ahora no habían sido posibles, que ni siquiera se habían intentado porque tenían muchas espinas y eran imposibles de cultivar”. , añade.
Elizabeth Kellogg es científica investigadora senior en el Donald Danforth Plant Science Center (Estados Unidos). Usted no participó en esta investigación, pero ha tenido la oportunidad de revisarla. Para ella, “este trabajo abre la puerta a producir nuevos cultivos a partir de especies que antes se consideraban indeseables por sus espinas”. Pero sobre todo destaca que, por lo descubierto, la modificación o supresión de las mutaciones responsables no parece afectar otras posibles funciones que tenía el gen. “El montaje es atractivo porque los efectos son muy precisos. La cosecha potencial no tiene armas, pero por lo demás no cambia”, dice Kellogg.
Aún quedan muchas incógnitas. Algunas son destacadas por Lippman, el autor principal: «Todavía no entendemos por qué, a pesar de lo que parece ser una manera fácil de obtener espinas, otras especies no las han desarrollado». Además, existen muchos tipos de espinas, por su forma y, sobre todo, por su origen y habrá que determinar si la base genética es la misma en todas ellas. Además, hay espinas que, aunque son espinas, no lo son, como las de los cactus.
Tyler Coverdale, profesor de la Universidad de Notre Dame (Estados Unidos), ha dedicado gran parte de su labor investigadora a estudiar todo tipo de espinas de plantas. “Es un experimento mental interesante imaginar si el mundo tendría plantas espinosas si no existieran los herbívoros. “Pero hay mucha evidencia que sugiere que, como mínimo, tendríamos muchas menos plantas con espinas, espinas o espinas porque muchos de los linajes espinosos se han diversificado en respuesta al aumento de los mamíferos herbívoros”. De hecho, diversos trabajos realizados en la sabana africana demuestran que donde hay más animales fitófagos hay mayor diversidad de especies espinosas.
Pero Coverdale se apresura a señalar que estas defensas físicas pueden haber surgido para satisfacer otras necesidades: «Pueden ayudar a escalar, regular la temperatura o minimizar la pérdida de agua», dice. Hay especies como la Victoria Amazónica, un nenúfar gigantesco que utiliza sus espinas para derrotar a sus rivales. En los cereales se utilizan para fijar las semillas a las patas de los pájaros y facilitar su difusión. Y están los cactus, el otro gran grupo espinoso. “Son un caso interesante y muchos los señalan como evidencia de una espinoscencia que evolucionó en respuesta al estrés hídrico más que a la herbivoría”, recuerda el investigador estadounidense. Y es que «las espinas de los cactus son hojas muy pequeñas, que estarían sujetas a una enorme pérdida de agua en los desiertos si fueran más parecidas a las hojas a las que estamos acostumbrados en las plantas de climas templados». Pero, añade, «también tienen una función defensiva, tanto contra los animales que las comen como contra las aves que anidan en los cactus creando agujeros en sus troncos».
Por todo esto, Covedale enfatiza la importancia del trabajo iniciado con la berenjena: “El conocimiento que han adquirido sobre el mecanismo genético subyacente a la espinescencia en este género de importancia económica y ecológica es un avance significativo, y que probablemente inspirará muchos trabajos posteriores maravillosos. «.
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