Duplicação do genoma ligada à origem e evolução dos pinheiros e dos seus parentes

É sabido que as plantas são colecionadoras de ADN, sendo que frequentemente duplicam todo o seu genoma e carregam com elas essa bagagem genética que fica disponível para sofrer mutações e produzir novos traços físicos.

Um novo estudo demonstra que esses eventos de duplicação foram de vital importância ao longo da história evolutiva das gimnospermas, um grupo diversificado de plantas com sementes que inclui pinheiros, ciprestes, sequoias, ginkgos e cicadáceas.

Publicado esta semana na Nature Plants, o estudo indica que uma duplicação do genoma no ancestral das gimnospermas modernas pode ter contribuído diretamente para a origem do grupo há mais de 350 milhões de anos. As duplicações subsequentes forneceram matéria-prima para a evolução de características inovadoras que permitiram que essas plantas persistissem em ecossistemas em mudança drástica, lançando as bases para um ressurgimento recente nos últimos 20 milhões de anos.

“Este evento, no início da sua evolução, criou uma oportunidade para os genes evoluírem e criarem funções totalmente novas que potencialmente ajudaram a transição das gimnospermas para novos habitats e ajudaram na sua ascendência ecológica”, afirmou em comunicado Gregory Stull do Museu da Flórida de História Natural e principal autor do estudo.

Embora ter mais de dois conjuntos de cromossomas – um fenómeno chamado poliploidia – seja raro em animais, nas plantas é comum. A maioria das frutas e vegetais que comemos, por exemplo, são poliploides, geralmente envolvendo a hibridização entre duas espécies intimamente relacionadas. Muitas plantas, incluindo trigo, amendoim, café, aveia e morangos, beneficiam de ter várias cópias divergentes de DNA, o que pode levar a taxas de crescimento mais rápidas e a um aumento no tamanho e no peso.

Até agora, no entanto, não estava claro como a poliploidia pode ter influenciado a evolução das gimnospermas. Embora tenham alguns dos maiores genomas do reino vegetal, têm baixo número de cromossomas, o que por décadas levou os cientistas a supor que a poliploidia não era tão prevalente ou importante nessas plantas.

A genética das gimnospermas também é complexa. Os seus grandes genomas tornam-nos difíceis de estudar, e muito do seu ADN consiste em sequências repetidas que não codificam nada.

No entanto, um recente esforço colaborativo entre biólogos vegetais para obter um grande número de sequências genéticas de mais de 1.000 plantas abriu novas portas para os cientistas que tentam juntar as peças da longa história da evolução das plantas terrestres. Uma equipa de cientistas usaram uma combinação desses dados e sequências recém-geradas para dar uma outra aparência às gimnospermas.

Ao comparar o DNA de gimnospermas vivas, os cientistas foram capazes de voltar atrás no tempo, descobrindo evidências de vários eventos de duplicação do genoma antigo que coincidiram com a origem dos principais grupos.

As gimnospermas sofreram extinções significativas ao longo da sua longa história, tornando difícil decifrar a natureza exata dos seus relacionamentos. Mas os genomas de todas as gimnospermas vivas partilham a assinatura de uma antiga duplicação no passado distante, há mais de 350 milhões de anos. Mais de 100 milhões de anos depois, outra duplicação deu origem à família dos pinheiros, enquanto uma terceira deu origem aos podocarpos, um grupo formado principalmente por árvores e arbustos que hoje se restringem principalmente ao hemisfério sul.

Em cada caso, as análises revelaram uma forte ligação entre o ADN duplicado e a evolução de características únicas. Embora estudos futuros sejam necessários para determinar exatamente quais características surgiram devido à poliploidia, os possíveis candidatos incluem as estranhas raízes semelhantes a ovos de cicadáceas que abrigam bactérias fixadoras de nitrogénio e as diversas estruturas de cone encontradas nas coníferas modernas. Os cones do podocarpo, por exemplo, são altamente modificados e parecem-se enganosamente com frutas.

Os cientistas também queriam saber se as duplicações do genoma influenciavam a taxa em que novas espécies de gimnospermas evoluíam ao longo do tempo. Mas, em vez de um padrão bem definido, encontraram uma interação complexa de extinção e diversificação no meio de um cenário de climas globais em mudança significativa.

Hoje, existem cerca de 1.000 espécies de gimnospermas, que podem não parecer muitas quando comparadas com as cerca de 300.000 espécies de plantas com flores. Mas no seu apogeu, as gimnospermas eram muito mais diversificadas.

As gimnospermas ainda prosperavam antes da extinção do asteroide, há 66 milhões de anos, mais conhecida pela morte dos dinossauros. Mas as dramáticas mudanças ecológicas causadas pelo impacto fizeram a balança desequilibrar: depois que os dinossauros desapareceram, as plantas com flores começaram a superar as linhagens de gimnospermas, que sofreram grandes ataques de extinção como resultado. Alguns grupos foram totalmente extintos, enquanto outros mal conseguiram sobreviver até ao presente. A outrora florescente família ginkgo, por exemplo, é hoje representada por uma única espécie viva.

Mas os resultados deste estudo indicam que pelo menos alguns grupos de gimnospermas voltaram a ocorrer a partir de cerca de 20 milhões de anos atrás, coincidindo com a transição da Terra para um clima mais frio e seco.

Enquanto algumas gimnospermas não conseguiram lidar com o duplo espectro da mudança climática e da competição, outras levaram vantagem em certos habitats devido às próprias características que as levaram a perder a sua rivalidade ancestral com as plantas com flores. Grupos como pinheiros, abetos, abetos e zimbros começaram de novo.

Em alguns ambientes, as gimnospermas adaptaram-se a viver nos extremos. Nas florestas de pinheiros do sudeste da América do Norte, os pinheiros de folha longa são adaptados a incêndios frequentes que incineram a sua competição, e as coníferas dominam as florestas boreais do extremo norte. Mas afaste o fogo ou o frio, e as plantas com flores começam a invadir rapidamente.

Embora as gimnospermas ainda estejam em processo de diversificação, elas foram interrompidas por mudanças no ambiente feitas pelo homem. Atualmente, mais de 40% das gimnospermas estão ameaçadas de extinção devido às pressões cumulativas das mudanças climáticas e perda de habitat. Estudos futuros esclarecendo como a sua genética subjacente lhes permitiu persistir até ao presente pode dar aos cientistas uma estrutura melhor para garantir que sobrevivam bem no futuro.