Las impresiones metabólicas cuentan la historia evolutiva de las plantas

Un nuevo método de análisis de la composición química puesto a prueba en especies vegetales andinas muestra su distribución geográfica y ayuda a entender su evolución

Por Maria Fernanda Ziegler  |  Agência FAPESP – En el páramo, un ecosistema situado en lo alto de la cordillera de los Andes, existe un género de plantas endémicas llamado Espeletia que puede constituir la clave para entender la especiación y la distribución de especies en el transcurso de la historia de ese sistema montañoso sudamericano.

En un artículo publicado el día 18 de agosto en Scientific Reports, investigadores de la Facultad de Ciencias Farmacéuticas de la Universidad de São Paulo, en su campus de Ribeirão Preto (FCFRP-USP), norte del estado de São Paulo, Brasil, describen por primera vez de qué manera se distribuyen las Espeletia con base en el análisis de sus impresiones metabólicas.

Este estudio permitió la confirmación de una antigua hipótesis referente a la historia evolutiva de este género que habita el ecosistema de alta montaña más diverso del planeta: el género Espeletia por sí solo cuenta con 72 especies descritas.

Los trabajos de este tipo suelen hacerse con herramientas genómicas, mediante el análisis de marcadores del ADN o con comparaciones morfológicas. Pero a partir del uso de la metabolómica –que opera con el estudio del conjunto de sustancias químicas que produce un organismo como consecuencia de su metabolismo–, los investigadores lograron mapear la composición química de las especies basándose en la combinación de técnicas de análisis de extractos de plantas, datos geográficos y estadística multivariante.

“Básicamente, lo que hicimos fue observar la composición química de las especies de Espeletia, su metaboloma, y vimos que existía una relación con su origen geográfico: es cuando especies presentes en una misma zona exhiben perfiles químicos similares. Esta relación ya se había detectado mediante marcadores moleculares, pero a una escala geográfica mayor. Esto demuestra que la geografía de los Andes no sólo determinó la evolución de este grupo de plantas y posiblemente también de otras especies de la región, sino que también moldeó la composición química de estas especies”, dijo Federico Padilla, uno de los autores del artículo, en declaraciones a Agência FAPESP.

El estudio está relacionado con el Proyecto Temático intitulado “Estudios morfoanatómicos, metabolómicos y moleculares como aportes a la sistemática de especies de Asteraceae y acceso a su potencial farmacológico” y con una Ayuda a la Investigación, en ambos casos con el apoyo de la FAPESP.

Los investigadores ponen de relieve que modelos análogos al descrito en el artículo pueden emplearse para obtener “impresiones metabólicas” de otras plantas con la finalidad de mapear su origen geográfico.

“Este nuevo modelo podrá emplearse en la agricultura, con plantas medicinales o incluso lo podrá usar la policía para rastrear el origen de la marihuana consumida en una determinada zona, por ejemplo”, dijo el profesor Fernando Batista da Costa, supervisor del estudio de Padilla y coautor del artículo publicado en Scientific Reports.

Los investigadores comentan que con esta técnica es posible estudiar en simultáneo prácticamente todos los metabolitos producidos por una determinada planta.

“En la fitoquímica clásica estudiábamos una planta por vez, y usualmente detectábamos pocas sustancias químicas. Pero ahora, con las nuevas técnicas y los modernos aparatos –como el cromatógrafo líquido acoplado a la espectrometría de masas que utilizamos–, podemos juntar 100 extractos de plantas o más al mismo tiempo y obtener una matriz de datos que constituye una representación putativa de más de mil sustancias químicas”, dijo Padilla.

Esta investigación contó con la colaboración del biólogo Mauricio Diazgranados, del Royal Botanic Gardens, de Kew, en el Reino Unido. “Él aportó el material recolectado durante más de tres años en páramos de Venezuela y de Colombia, en el marco de un proyecto durante el cual realizó su doctorado en filogenia y taxonomía. Tras el envío de las muestras, fueron otros tres años de análisis metabolómicos y de aplicación de herramientas computacionales”, dijo Padilla.

La barrera andina

El trabajo que ahora ha salido publicado confirma una hipótesis planteada por investigadores del Museo Nacional de Historia Natural de Estados Unidos (Smithsonian) en la década de 1990 –y sostenida parcialmente hasta ahora mediante la utilización de marcadores moleculares–, sobre el origen y las rutas de migración de Espeletia por el norte de los Andes.

De acuerdo con esta hipótesis, las plantas se diversificaron cuando la primera población del género empezó a expandirse en dos direcciones desde la cordillera de Mérida, la más elevada de Venezuela. Una parte se dispersó por los Andes venezolanos, en tanto que la otra colonizó los Andes colombianos y el norte de Ecuador.

“Históricamente, este tipo de análisis se realizaba con base en marcadores moleculares (genes). Sin embargo, en grupos de especies de evolución reciente, tal como es el caso del género Espeletia, no se logran determinar muy bien de ese modo las tendencias biogeográficas más específicas. Se identifican tan sólo dos grupos, los de las especies de Venezuela y los de las especies de Colombia”, dijo Padilla.

La confirmación de la antigua hipótesis llegó después del estudio de los metabolitos secundarios –sustancias químicas relacionadas con la adaptación de las plantas en el ecosistema–, que permitió analizar los patrones de distribución y cómo se diversificaron químicamente en los páramos colombianos.

“Cada tipo de marcador tiene sus ventajas y sus desventajas. Las especies vegetales, a diferencia de los animales, no logran moverse para adaptarse a un determinado ambiente. Por eso deben producir diversos compuestos químicos que les servirán como mecanismos de adaptación al lugar en donde crecen”, dijo Batista da Costa.

Cabe destacar que el ecosistema de los páramos es extremadamente fragmentado, como resultado de la topografía de los Andes. Por eso son comparables biológicamente y geográficamente con los archipiélagos.

Estas “islas” continentales formadas por vegetación de pastizales abiertos, separadas por densos bosques o valles andinos profundos, contribuyeron para que las especies que habitan en ellos tuviesen poca o ninguna comunicación con las de otros páramos.

De acuerdo con un estudio realizado en la USP, este aislamiento geográfico fue definitivo fundamentalmente para especies con una dispersión de semillas limitada y que también carecen de polinizadores de larga distancia, tal como es el caso de las Espeletia.

“Comprobamos que existe una especiación alopátrica, o por barreras geográficas. Esto nos remite a Darwin, quien propuso este tipo de especiación en su teoría evolutiva con base en las islas Galápagos. En ellas, Darwin vio que en distintas islas vivían diferentes especies y que las mismas estaban relacionadas entre ellas”, dijo Batista da Costa.

Con el análisis de la composición química de las Espeletia, los investigadores observaron que las especies que se encuentran en distintos páramos son no sólo morfológicamente y genéticamente diferentes sino que también son químicamente diversas.

“En cada páramo, las especies acumulan mayoritariamente distintas sustancias químicas que están relacionadas posiblemente con la adaptación de las especies a ese lugar determinado. Comprobamos con base en evidencias químicas que hubo una especiación alopátrica en esos páramos y grupos de especies, tal como había sido postulado en la década de 1990”, dijo Padilla.

Padilla empezó su doctorado en la USP, también sobre Espeletia, y actualmente lleva adelante una pasantía de investigación en la Universidad de Hohenheim, en Alemania.

“Ahora estoy estudiando la parte genética para detectar si las diferencias metabólicas halladas en las especies de cada páramo se deben a diferencias genéticas o si sencillamente existe una diferencia en la expresión de determinados genes: si esos genes están silenciados o poseen una mutación”, dijo.

Puede leerse el artículo intitulado Biogeography shaped the metabolome of the genus Espeletia: a phytochemical perspective on an Andean adaptive radiation, de Guillermo F. Padilla-González, Maurício Diazgranados y Fernando D. da Costa, en la Scientific Reports, en el siguiente enlace: nature.com/articles/s41598-017-09431-7.