Un estudio internacional en Nature Genetics en que participaron investigadores del Centro Internacional Cabo de Hornos (CHIC) que analizó los genomas de plantas no vasculares, agrupadas bajo el nombre científico de briófitas, demostró que poseen una reserva genética más amplia y flexible que las grandes plantas vasculares y abren un nuevo paradigma para la evolución con innovadoras aplicaciones biotecnológicas.
Los musgos, esas pequeñas plantas que crecen en rocas, troncos y suelos húmedos desde los bosques templados de Chile hasta las turberas magallánicas, podrían esconder una de las claves de la evolución vegetal en la Tierra.
Un nuevo estudio publicado en Nature Genetics, mediante el uso de un análisis de super-pangenoma, muestra que las briófitas, lejos de ser fósiles vivientes, han seguido evolucionando de manera independiente y dinámica durante unos 500 millones de años (Ma).
El trabajoanalizó genomas de un total de 138 especies de briófitas (musgos y hepáticas) y 146 especies de plantas vasculares (helechos y plantas con flor).Sorprendentemente el estudio descubrió que las pequeñas briófitas poseen casi el doble de diversidad de familias de genes que las grandes plantas vasculares.
Roy Mackenzie, investigador asociado del CHIC y académico de la Universidad Autónoma de Chile, explica que este hallazgo cambia la mirada sobre un grupo que se consideraba “primitivo”. “Los musgos son las primeras plantas terrestres, pero han seguido evolucionando durante 500 millones de años hasta el día de hoy”, señala. “El estudio muestra que, aunque el genoma de los musgos es más pequeño, contiene una mayor diversidad de genes, y que esos genes son más distintos entre sí que los de las plantas vasculares”.
El trabajo, dirigido por un consorcio internacional con fuerte participación china, estadounidense y latinoamericana, incluyó especies de todos los continentes, de los cuales doce provienen de Chile. La investigación permitió observar cómo los musgos han acumulado una enorme variabilidad genética a lo largo del tiempo, lo que explica su presencia en ambientes tan extremos como la Antártica, las cumbres andinas o los bosques nubosos tropicales. “Uno de los objetivos del estudio era abarcar la mayor variedad posible de familias”, dice Mackenzie. “Eso permitió tener una visión general de qué genes poseen como grupo para responder a las presiones del ambiente, algo muy relevante hoy frente al cambio climático”.
El investigador aclara que esta capacidad de adaptación no significa que sean inmunes al calentamiento global. “Los musgos son plantas de frío y humedad. A medida que el planeta se calienta, pierden espacios adecuados para vivir. Pueden resistir la deshidratación, pero si no acceden al agua no crecen, y eso limita su reproducción y su capacidad de colonizar nuevos lugares”.
El estudio identificó dos mecanismos principales que explican su amplia diversidad genética. El primero es la formación de genes de novo, es decir, la generación de nuevos genes a partir de fragmentos del genoma que antes se consideraban “ADN basura”. “Durante años se pensó que esos trozos no servían para nada”, comenta Mackenzie. “Hoy sabemos que son el material base desde donde pueden originarse genes funcionales. Es como tener hojas en blanco dentro del libro de la vida, listas para ser escritas cuando el ambiente lo exige”.
El segundo mecanismo, aún más sorprendente, es la transferencia horizontal de genes, un proceso que se creía exclusivo de las bacterias. “Lo que revela este trabajo es que la transferencia en los musgos se da horizontalmente”, explica. “Un individuo adulto puede transferir genes a otro adulto que incluso puede pertenecer a otro reino. Eso rompe los esquemas clásicos de la biología, porque sabíamos que los padres transfieren genes a los hijos (transferencia vertical), pero no que lo hicieran entre individuos ya maduros (transferencia horizontal)”. Este hallazgo abre nuevas perspectivas sobre cómo estas plantas pueden adquirir resistencia a condiciones adversas o incorporar funciones completamente nuevas sin necesidad de reproducción sexual desde bacterias, hongos, e incluso animales.
Lugar privilegiado
Chile ocupa un lugar privilegiado en este mapa genético. “Solo en la zona subantártica y los bosques templados húmedos de Chile tenemos unas 800 especies de briófitas: 436 especies de musgos, 355 especies de hepáticas y 2 de antocerotes, con aproximadamente un 50% de endemismo”, precisa Mackenzie. “Desde Valdivia hacia el sur se concentra cerca del 7% de la diversidad mundial de briófitas, lo que es muchísimo para un territorio tan pequeño”. Esa riqueza se debe a las condiciones frías y húmedas de los bosques templados y a la criósfera, es decir, el conjunto de ecosistemas dominados por hielo, nieve o suelos congelados estacionalmente. En el extremo austral, las turberas y los mallines funcionan como laboratorios naturales donde estas plantas prosperan.
El trabajo también corrige antiguas confusiones taxonómicas. Durante décadas, Sphagnum magellanicum —el conocido musgo pompón— se consideró una especie cosmopolita presente en todo el planeta. “Hoy sabemos que son tres especies distintas”, detalla Mackenzie. “Sphagnum magellanicum es del cono sur, es endémica de nuestra región; las otras dos: Sphagnum medium y Sphagnum divinum son propias del hemisferio norte. Y eso se descubrió solo con este tipo de análisis genómicos, porque morfológicamente se ven iguales”.
El estudio demuestra que los musgos no fueron un punto de partida inmóvil en la evolución vegetal, sino una rama que siguió su propio camino. “Mientras más antiguo es un grupo, más tiempo ha tenido para evolucionar”, aclara Mackenzie. “Los musgos fueron avanzando en paralelo a los helechos, pinos y plantas con flor. Cada grupo fue desarrollando estrategias distintas para independizarse del agua”. De hecho, una de las grandes transiciones evolutivas fue la aparición de la lignina, el polímero que da rigidez a la madera y permitió a los helechos y árboles crecer en altura. “Los musgos tienen la ruta metabólica para producir lignina, pero no la ensamblan: fabrican las piezas del lego, pero no las arman”, grafica. Esto ilustra las grandes potencialidades de los musgos para las ciencias básicas y aplicadas.
Además de su valor evolutivo, los resultados tienen implicancias biotecnológicas. “Las briófitas tienen un metabolismo secundario mucho más abundante y diverso que las plantas vasculares”, dice el investigador. “Ahí están los antioxidantes, los compuestos antimicrobianos, los fotoprotectores y las moléculas que las plantas usan para interactuar con el entorno”. Este conjunto de metabolitos secundarios podría convertirse en fuente de nuevos fármacos o bioinsumos agrícolas, aunque Mackenzie advierte que el conocimiento sobre su cultivo aún es limitado. “Sabemos mucho más sobre cómo propagar plantas vasculares que musgos. Hay pocas especies modelo y su crecimiento depende mucho de la humedad ambiental”, explica. “Por eso necesitamos avanzar en lo que llamamos domesticación de las especies, para poder cultivarlas en laboratorio y estudiar su potencial”.
Toda la información del proyecto, incluidas las secuencias genéticas y las ilustraciones de las especies analizadas, está disponible en el portal www.Bryogenomes.org, una base de datos abierta para investigadores. “Ahí están las 12 especies chilenas cuyos genomas fueron secuenciados”, comenta Mackenzie. “Es un punto de partida espectacular para futuros estudios de evolución, sistemática y biotecnología”.
El científico agrega que los avances en secuenciación y análisis computacional —gracias al uso de servidores en la nube y técnicas de aprendizaje automático— han permitido comparar genomas completos a un costo antes impensado. “Hace una década solo podíamos analizar fragmentos de 1.500 pares de bases; hoy podemos procesar los 1500 millones de pares que componen un genoma completo, en cuestión de horas”, explica. “Eso ha potenciado estratosféricamente los estudios de relaciones evolutivas basadas en la genética”.
Por último, el trabajo entrega pistas sobre cómo responderán estas plantas al cambio climático. “Si sabemos que a un musgo no le gusta el aumento de la temperatura, podemos proyectar que en 2100 no va a estar donde está hoy”, advierte. “Conocer qué genes responden al calor o a la falta de agua, y los mecanismos por los cuales pueden adquirir nuevos genes funcionales para tolerar al estrés, nos permite anticipar esas pérdidas y plantear estrategias de conservación”.
Mackenzie sostiene que comprender la genética de los musgos no solo ayuda a conservar ecosistemas australes, sino también a repensar nuestra relación con la vida vegetal. “Después de todo, los musgos actuales son las especies más evolucionadas de su grupo, simplemente porque no se extinguieron y siguen aquí, adaptándose”, reflexiona. “Han aprendido a adaptarse a casi todo, y quizá ahí está la lección más importante”.
Tres fortalezas del CHIC para la investigación en briófitas
Ricardo Rozzi, director de investigación del CHIC y coautor del estudio, precisa que hay tres factores que potencian la participación de CHIC en la ciencia internacional sobre briófitas.
“Primero, una fortaleza ecológica, puesto que en Cabo de Hornos y más ampliamente en la región subantártica de Chile, se encuentra la mayor riqueza de especies de briófitas por área a nivel mundial. En esta región es tal la diversidad de briófitas, que el número de especies supera al de las plantas vasculares. Esto llega a un extremo en el continente antártico, donde crecen solo 2 especies de plantas vasculares nativas y 67 especies de briófitas.
“Segundo, una fortaleza institucional al haber implementado la sede del CHIC como un centro de investigación subantártica de clase mundial en Puerto Williams, capital de la Provincia Antártica Chilena y de la comuna de Cabo de Hornos. Este centro posee equipamiento científico de vanguardia que permite realizar análisis genéticos in situ, maximizando la eficiencia de la investigación. Esto contribuye también a que el patrimonio genético se investiga en y para Chile, y desde esa plataforma nacional se establecen colaboraciones internacionales.
“Tercero, el CHIC ha establecido un modelo de investigación colaborativa, que albergado en la Universidad de Magallanes se desarrolla en una red que incluye a la Universidad de Chile, la P. Universidad Católica de Chile y otras universidades nacionales a las cuales se está sumando la Universidad Autónoma, y universidades internacionales que contemplan a las universidades de North Texas y Connecticut en Estados Unidos. Con colaboradores de estas universidades internacionales concebimos que era imprescindible incluir a las briófitas de la ecorregión subantártica de Chile en un estudio sobre su genética mundial. Tal como en el extremo norte del país, en el desierto de Atacama, los observatorios astronómicos han catalizado ciencia colaborativa, en el extremo sur de Chile, en los archipiélagos de Cabo de Hornos el CHIC ha catalizado colaboraciones internacionales que en este estudio han permitido el descubrimiento de “nuevas constelaciones de genes”. Estos descubrimientos modifican la visión tradicional de la evolución al demostrar el traspaso de genes entre especies de reinos diferentes, tales como musgos, algas y plantas vasculares. Junto con el gran valor teórico de este descubrimiento se abren nuevos horizontes para aplicaciones biotecnológicas en estos organismos distintivos del Cabo de Hornos”.
Equipo Prensa
Portal Agro Chile
