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Un estudio cambia la análisis genética por la metabólica para reconstituir el proceso evolutivo

Nuevo método que emplea la análisis de la composición química de un organismo es testado en plantas endémicas a los Andes y atesta formación de especies por aislamento geográfico

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo

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IMAGE: A new method for analyzing a living being chemical compositions is tested in Andean plants and attest the genesis of species by means of geographic isolation. view more 

Credit: Frederico Padilla

En el páramo - habitat de la cordillera de los Andes que es lo más diverso ecosistema de alta montaña del planeta - existe um género de plantas endémicas llamado Espeletia, con 72 especies descritas. Científicos brasileños investigaron la diversidad e la distribuición de su especies. Lo resultado del estudio, publicado en agosto en Scientific Reports (http://www.nature.com/articles/s41598-017-09431-7), sugiere que cientistas pueden comprender y reconstituir todo lo proceso de especiación gracias al empleo aún poco explorado de la metabolómica em la ciencia evolutiva.

Tratase de una area de estudios que abrange el conjunto de sustancias químicas producidas por un organismo, productos del metabolismo. Su empleo permite el mapeo de la composición química de las especies a partir de la combinación de técnicas de análisis de extractos de plantas, datos geográficos e estadística multivariante. Estudios sobre especiación costuman ser hechos con herramentas genómicas, análisis de marcadores de ADN o con comparaciones morfológicas.

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.

"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 (http://www.bv.fapesp.br/pt/pesquisador/678125), uno de los autores del artículo.

El trabajo, realizado a partir de una beca de FAPESP para Ayuda a la Investigación, 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.

Datos metabolitos indican adaptación evolutiva

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 el professor Fernando Batista da Costa (http://www.bv.fapesp.br/pt/pesquisador/6197/), upervisor del estudio de Padilla y coautor del artículo publicado en Scientific Reports.

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.

Aplicación de la metabolómica en otros sectores

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.

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 Batista.

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Lo estudio está relacionado al Proyeto Temático de la FAPESP "Estudios morfoanatómicos, metabolómicos y moleculares como aportes a la sistemática de especies de Asteraceae y acceso a su potencial farmacológico" (http://www.bv.fapesp.br/pt/auxilios/35260).

El biólogo Mauricio Diazgranados (http://mauricio-diazgranados.com/), de lo Royal Botanic Gardens, Kew, en el Reino Unido, colaboró con la investigación aportando material coletado por más de tres anos en los páramos de Venezuela y Colômbia para su doctorado en filogenia y taxonomia. ###

Sobre la Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de São Paulo (FAPESP) La Fundación de Apoyo a la Investigación Científica del Estado de São Paulo (FAPESP), creada en 1962, se ubica entre los más importantes organismos de fomento de la ciencia y la tecnología de Brasil. La Fundación selecciona y brinda apoyo a proyectos de investigación que presentan científicos vinculados a instituciones de educación superior e investigación científica del estado de São Paulo en todas las áreas del conocimiento: ciencias, tecnología, ingeniería, artes y humanidades. La FAPESP también apoya investigaciones en áreas consideradas estratégicas en Brasil, mediante programas orientados a grandes temas, tales como biodiversidad, cambios climáticos y bioenergía. FAPESP: http://www.fapesp.br.

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