De com les plantes comparteixen gens

Resulta realment interessant en biologia evolutiva la possibilitat de que una planta puga compartir el seu material genètic amb altres plantes pertanyents a espècies diferents o, fins i tot, amb altres organismes. Aquest intercanvi de material genètic, que ocorre sense que es done cap procés reproductiu, és el que anomenen Transferència Horitzontal o Lateral de Gens (THG). Un mecanisme que va ser descrit als anys 50, de forma exclusiva en bacteris, però que actualment sabem que afecta a tots els dominis biològics independentment de la seua complexitat cel·lular (bacteris, arqueges i eucariotes).

Transferència horitzontal de gens en bacteris, a través del procés de conjugació. El plasmidi passa de bacteri donant (dreta) al receptor (esquerra) mitjançant un pili conjugatiu / microBIO

En el nostre cas concret, és a dir el món vegetal, podem trobar evidències d’aquest mecanisme d’intercanvi de material genètic i probablement es troba molt condicionat a la distància filogenètica de les espècies que el protagonitzen. La THG ha estat observada amb major profusió en organismes procariotes (bacteris) que en organismes eucariotes multicel·lulars (plantes i animals), encara que va poder ser més comú al principi de l’evolució dels organismes eucariotes.

Si ben actualment podem acceptar el paper de la THG en l’evolució dels organismes més senzills, no existeix unanimitat en el paper exercit per als organismes de major complexitat com les plantes. Però encara que desconeixem molts extrems d’aquest mecanisme d’intercanvi de gens, tot apunta a abraçar aquesta suggeridora possibilitat. La THG en plantes, igual que en altres organismes, s’associa amb novetats evolutives ràpides si les comparem amb les originades per la variabilitat genètica de la mutació. En definitiva, aquest mecanisme i la possible adquisició de gens funcionals per part de les plantes podrien haver propiciat l’ocupació de nous nínxols ecològics o l’explotació eficaç de recursos anteriorment limitats.

Plantas paràsites que roben gens

Pels treballs desenvolupats sabem que per a que en una planta es produïsca la incorporació de nou material genètic (mitjançant THG) des d’una altra planta o un fong es necessita d’un contacte intens, és a dir, cèl·lula-cèl·lula. Aquest és el contacte que pot ocórrer quan una planta parasita a una altra planta o quan un fong colonitza una planta.

Detall de l’haustori en una planta paràsita, Cassytha filiformis / Boobook48  

D’altra banda, també aquest contacte de teixits és el que es produeix mitjançant els empelts entre plantes de diferents espècies. Devem contemplar la idea que no tots els gens que són objecte de THG són funcionals, i aquest és el cas de la gran majoria de processos de THG (fins i tot poden perdre’s o transformar-se en aquells genomes als quals alguna vegada es van integrar).

La relació paràsit-hoste entre plantes és la pedra angular de la major part de casos coneguts de THG en el món vegetal. En 2016 Claude dePamphilis, de la Universitat de Pennsilvània, treballant amb plantes paràsites de la família Orobanchaceae (Triphysaria versicolor, Striga hermonthica i Phelipanche aegyptiaca) va demostrar que aquestes plantes paràsites podien segrestar diverses dotzenes de gens de la planta hoste. Aquests gens trobats en la planta paràsita eren funcionals per al seu nou propietari i estaven relacionats majoritàriament amb el funcionament òptim de l’haustori. Anem a recordar que l’haustori és una arrel modificada pròpia de plantes paràsites que s’utilitza per a penetrar en el teixit de l’hoste amb la finalitat d’obtenir recursos.

Claude dePamphilis, professor de biología en Eberly College of Science de Penn State, mostra un exemplar de planta paràsita en estudi, en un hivernacle adjacent al Laboratori Buckhout / Bill Zimmerman

D’altra banda, els investigadors van trobar que part d’aquests gens adquirits per l’espècie paràsita estaven involucrats en els mecanismes de defensa vegetal. És a dir, la planta obtenia gens que facilitaven el seguir sent paràsita, així com per a potenciar els seus mecanismes de defensa. En aquest cas la planta hoste cedeix gens complets a la planta paràsita.

Un altre cas ben diferent, en tant no implica una relaciona estrictament paràsita, és el de l’arbust Amborella trichopoda, considerat l’ancestre comú de totes la plantes amb flors. Aquesta angiosperma té en el seu genoma mitocondrial material genètic procedent d’algues verdes, molses i altres angiospermes. En aquest cas la particularitat radica que no són funcionals aquests gens, però que excepcionalment així i tot s’han conservat en la planta fins als nostres dies i desconeixem la raó.

La colonització del medi terrestre per les plantes

La molsa Physcomitrella patens, una briòfita molt primitiva i similar a les quals van conquistar la terra des del medi aquàtic fa 450 milions d’anys, és utilitzada actualment com a model en evolució vegetal i va revelar com el seu genoma nuclear disposava de diverses famílies de gens incorporats des de bacteris, virus o fongs a través de THG.

Plaques petri en la incubadora amb plàntules de Physcomitrella patens / Wageningen, university & research  

Aquest origen tan variat en les fonts de material genètic en plantes tan ancestrals, ha portat a molts autors a considerar el possible paper rellevant de la THG en la colonització del medi terrestre per part de les plantes. L’evidència experimental disponible mostra que aquest material genètic adquirit en l’antiguitat apareix involucrat en activitats essencials o específiques de plantes, com la formació de xilema, defensa química, metabolisme del nitrogen, biosíntesi de midó o síntesi d’hormones. Alguns investigadors han especulat amb la idea que els gens que permeten la simbiosi entre plantes i fongs, van poder ser adquirits per transferència horitzontal de gens quan les plantes no havien donat encara el salt al medi terrestre.

Les falgueres que no es van extingir

Ens detenim en les falgueres, considerades les plantes més antigues del planeta i que han mostrat una capacitat adaptativa sorprenent. Van aparèixer en el carbonífer i es van diversificar amb l’explosió d’angiospermes, rar açò, ja que la frondositat de les noves angiospermes limitava l’arribada de llum a aquestes primitives falgueres que vivien molt pròximes al sòl, raó suficient que poguera haver-les portat a l’extinció.

Ens preguntem llavors, què va ocórrer per a què les falgueres no s’extingiren? Segons els investigadors la THG va jugar un important paper. Aquelles falgueres que competien per la llum amb les nouvingudes angiospermes van prendre prestat mitjançant THG un gen de la molsa Anthoceros punctatus, amb el qual compartien hàbitat. Aquest gen (neocromo) codificava una proteïna capaç d’optimitzar la poca llum que els arribava sota el dosser de les angiospermes.

Comprenem així el valor adaptatiu que va suposar l’adquisició d’aquest gen i el seu radical impacte evolutiu, de manera que no es van extingir les falgueres primitives sinó tot el contrari, ja que van aconseguir diversificar-se com mai abans ho havien fet colonitzant nous ambients fins avui.

Com ho fan les plantes per a adquirir gens mitjançant THG

En principi, tot apunta al fet que és necessari un contacte intens entre teixits vegetals que permeta una exposició cèl·lula-cèl·lula. Aquest escenari de contacte es troba present en la relació paràsit-hoste que algunes plantes estableixen entre elles, així com durant el desenvolupament d’empelts i en la colonització d’epífites sobre plantes que per lesió exposen un teixit.

Tros de tija sense escorça de Dalea cuatrecasasii infectat per la planta paràsita Pilostyles boyacensis. L’entramat de brins blancs és la part vegetativa de la paràsita, que està en procés de floració / Angie Daniela González 

En aquests casos concrets els investigadors han proposat que els vehicles últims de THG entre plantes, podrien estar intervinguts per mitocondris i cloroplasts (orgànuls presents en la cèl·lula vegetal) però fins i tot també pel mateix nucli de la cèl·lula vegetal. En definitiva, cloroplasts, mitocondris i nucli cel·lular, així com el material genètic que contenen, serien capaços de viatjar d’una cèl·lula a una altra entre plantes de diferents espècies. En el cas de mitocondris, el més estudiat, sí hi ha treballs que confirmen que la transferència horitzontal de gens entre diferents espècies de plantes pot acabar provocant l’adquisició d’un nou gen, intervinguda per l’intercanvi de mitocondris i el seu material genètic.

Hem de recordar que els mitocondris de cèl·lules vegetals tenen la capacitat de fusionar-se entre elles i que a major proximitat filogenètica entre les espècies serà més probable que aquesta fusió ocórrega. Aquesta seria una bona explicació de perquè Amborella, solament té material genètic forà en els seus mitocondris d’organismes verds i pròxims evolutivament. D’altra banda, investigadors de l’Institut Max Planck (2009) treballant amb tres espècies diferents de plantes (Nicotiana benthamiana, Nicotiana glauca i Nicotiana tabacum) van demostrar que existeix un intercanvi de cloroplasts i del seu material genètic entre diferents espècies mitjançant l’empelt. Les noves adquisicions genètiques oposades eren també transmissibles als seus descendents.

Plantas empeltades en un hivernacle d’investigació

A aquestes idees hem de sumar el fet que s’ha trobat material genètic d’origen cloroplàstic o mitocondrial en el genoma nuclear, material genètic que prèviament havia sigut compartit mitjançant THG. És a dir, que també pot existir una cessió en graó de gens des d’orgànuls (cloroplasts i mitocondris) al mateix nucli cel·lular. L’any 2005 va quedar recollida la primera evidència clara que confirmava que podia existir transferència horitzontal de gens d’origen nuclear en plantes de diferents espècies (Setariay). Alguns autors han apuntat que la funcionalitat o no dels gens adquirits per THG en plantes podria estar relacionada amb el tipus molecular que intervinguera ben ARN o ADN (en aquest sentit no hi ha suficients dades).

Sí hem de considerar, després d’apuntar aquestes idees, que la THG intervinguda per mitocondris és més freqüent que la intervinguda per cloroplasts o nuclis cel·lulars. La majoria d’aquest material genètic sol ser no funcional, però no sempre és així. D’altra banda els treballs desenvolupats amb una paràsita del gènere Cuscuta i una espècie de Plantago evidencien que es pot produir en un sol esdeveniment de THG l’adquisició de més d’un gen (en aquest cas mitrocondrial).

Per a finalitzar afegir que, fins a on saben els investigadors, d’aquest moviment de material genètic no es deriven fenotips nous o espècies noves. Però cada vegada hi ha major evidència de la importància de la Transferència Horitzontal de Gens en la teoria de l’evolució i són moltes les preguntes que queden per respondre, i especialment aquelles relacionades amb els organismes de major complexitat com són les plantes.