El naturalista anglès Charles Darwin considerava les plantes carnívores com uns dels espècimens més fascinants de la natura per les seves extraordinàries propietats fisiològiques i ecològiques. Aquests vegetals són típics d’hàbitats pobres en nutrients —sobretot en nitrogen i fòsfor— i han compensat aquest dèficit amb la capacitat de digerir animals com insectes i altres artròpodes.  

Més de 140 anys després que Darwin publiqués el llibre Insectivorous plants (Plantes insectívores), un equip internacional ha identificat els canvis genètics que han permès l’adaptació a la dieta carnívora en algunes plantes, tal com revela un treball en què participen els doctors Julio Rozas, Pablo Librado i Alejandro Sánchez-Gracia, de la Facultat de Biologia i de l’Institut de Recerca de la Biodiversitat (IRBio) de la Universitat de Barcelona. 
 

Adaptar-se a sòls pobres en nutrients amb una dieta carnívora i sobreviure és un procés evolutiu que s’ha repetit de manera independent en diverses espècies, a partir d’un mateix conjunt de gens i proteïnes. Així ho constata el treball publicat a la revista Nature Ecology & Evolution, coordinat per Mitsuyasu Hasebe i Kenji Fukushima (Institut Nacional de Biologia Fonamental, Japó),  Shuaicheng Li (Universitat de la Ciutat de Hong Kong, Xina) i Victor A. Albert (Universitat de Buffalo, Estats Units).


Descobrint la maquinària genètica que fa possible la dieta carnívora

Totes les plantes són organismes fotosintètics, és a dir, transformen la matèria inorgànica del medi en molècules orgàniques (glucosa). Per complementar l’absència de nutrients en certs sòls, les plantes carnívores poden capturar i absorbir nutrients d’una presa, gràcies a una maquinària biològica que és exclusiva d’aquests vegetals. 

Els experts han seqüenciat el genoma de la planta Cephalotus follicularis, una espècie originària d’Austràlia que té ben diferenciades les fulles insectívores —unes trampes en forma de gerra per atrapar insectes— de les fulles no insectívores (com les de la resta de plantes). El genoma d’aquesta espècie —la segona planta carnívora amb l’ADN seqüenciat, després de la Utricularia gibba— és relativament gran, i està format per 1,6 Gbp, que és gairebé la meitat del genoma humà. En total, els investigadors hi han identificat més de 36.000 gens. 

Tal com detalla el catedràtic Julio Rozas, del Departament de Genètica, Microbiologia i Estadística, «la capacitat de les plantes carnívores per digerir animals en sòls empobrits és el resultat de l’acció de la selecció natural que ha promogut diversos canvis genètics sobre un mateix conjunt de gens». Amb l’anàlisi comparativa dels gens que s’expressen diferencialment en els dos tipus de fulles, la recerca ha identificat els canvis genètics associats amb la dieta carnívora en plantes.

«Segons els resultats, les fulles que atrapen insectes han adquirit noves funcions enzimàtiques: la quitinasa bàsica, que trenca la quitina (el principal component de l’exosquelet dels insectes), i la fosfatasa àcida púrpura, que allibera els grups fosfat de les molècules i ajuda a mobilitzar el fòsfor de les preses», detalla Rozas, que és director del Grup de Recerca de Genòmica Evolutiva i Bioinformàtica a la Universitat de Barcelona, integrat en la plataforma Bioinformatics Barcelona (BIB).

Plantes carnívores: una evolució paral·lela 

La selecció natural ha actuat sobre rutes evolutives molt concretes perquè les plantes es puguin alimentar d’animals, expliquen els autors. Tal com detalla el professor Alejandro Sánchez-Gracia, «tot i que les plantes han desenvolupat estratègies diferents per capturar animals, la selecció natural ha actuat sovint de manera recurrent sobre els mateixos gens per adquirir la capacitat de digerir la presa, un fenomen que es coneix com a evolució paral·lela». 

El cas de les plantes insectívores és un exemple clar de convergència evolutiva, probablement com a conseqüència de les fortes restriccions biològiques imposades pels ecosistemes extrems que són pobres en nutrients. El fet que, a més, aquesta convergència vagi acompanyada d’una evolució paral·lela en els enzims digestius, converteix el sistema en un exemple molt interessant des del punt de vista de l’estudi del procés evolutiu. «Els exemples d’evolució paral·lela a escala molecular no són gaire freqüents. Per això, són del màxim interès en genètica perquè ens ajuden a conèixer quins mecanismes evolutius són més importants per a la diversificació i adaptació dels éssers vius», apunta Sánchez Gracia. 

El viatge evolutiu de les plantes cap a la dieta carnívora 

Quines estratègies moleculars han desplegat les plantes carnívores com a resposta evolutiva adaptativa? En el viatge evolutiu de les plantes cap a la dieta carnívora, no sempre cal que apareguin nous gens: alguns de ja presents en el genoma vegetal s’han adaptat a noves funcions biològiques, un procés que es coneix com a coopció. 

En opinió de l’expert Pablo Librado, «en el treball, hem constatat que gens originàriament involucrats en la defensa contra certes malalties —o en la resposta a l’estrès biòtic i abiòtic— han adquirit noves funcions (coopció) relacionades amb la capacitat de digerir animals. És el cas, per exemple, d’un conjunt molt concret de proteïnes que han evolucionat per actuar com a enzims digestius». 

«Els resultats de la coopció, tant pel que fa a certs enzims digestius, com pel que fa als canvis d’aminoàcids observats en aquests enzims, mostren que l’evolució ha actuat sobre un nombre molt reduït de rutes evolutives en la transició adaptativa a la dieta carnívora», detalla Librado, que actualment treballa al Centre de Geogenètica de la Universitat de Copenhaguen i al Museu d’Història Natural de Dinamarca. 


BadiRate, un programari bioinformàtic desenvolupat a la UB 

En el marc de la recerca, els experts de la UB i l’IRBio han contribuït de manera destacable a les anàlisis genòmiques, i han incorporat la incertesa que existeix sobre relacions filogenètiques per inferir quins tipus de gens s’han duplicat o perdut en les diferents espècies de plantes estudiades. BadiRate, un programari bioinformàtic creat pels experts Pablo Librado i Julio Rozas de la UB, ha estat clau per determinar estadísticament els tipus de gens que han incrementat significativament el nombre de còpies en les plantes carnívores. Aquesta anàlisi genòmica amb BadiRate ha estat el marc de referència per conèixer quins gens s’associaven a l’aparició de la dieta carnívora de manera independent en els diferents llinatges no emparentats. Aquesta informació ha donat com a resultat el descobriment dels enzims digestius associats a la nova biologia de la planta. 

Article original:

K. Fukushima, X. Fang, D. Alvarez-Ponce, H. Cai, L. Carretero-Paulet, C. Chen, T. Chang, K. M. Farr, T. Fujita, Y. Hiwatashi, Y. Hoshi,  T. Imai, M. Kasahara, P. Librado, L. Mao, H. Mori, T. Nishiyama, M. Nozawa, G. Pálfalvi, S. T. Pollard, J. Rozas, A. Sánchez-Gracia, D. Sankoff, T. F. Shibata, S. Shigenobu, N. Sumikawa, T. Uzawa, M. Xie, C. Zheng, D. D. Pollock, V. A. Albert, S. Li, M. Hasebe. «The pitcher plant Cephalotus genome reveals genetic changes associated with carnivory». Nature Ecology & Evolution, febrer de 2017.