Un nuevo análisis a gran escala de las relaciones entre los miembros de la subfamilia más grande de pastos, que incluye el trigo y la cebada, revela eventos de duplicación de genes que contribuyeron a la adaptación de las plantas a temperaturas más frías. Estas adaptaciones permitieron que los pastos prosperaran en climas templados y han sido explotados por humanos para extender el rango y la temporada para el cultivo de plantas de cultivo importantes. Un artículo que describe el estudio, dirigido por científicos de Penn State, aparece en línea en la revista Molecular Biology and Evolution .

"Los pastos son la quinta familia más grande de plantas con más de 11,000 especies", dijo Hong Ma, Dorothy Foehr Huck y J. Lloyd Huck, presidente de Desarrollo y Evolución Reproductiva de Plantas y profesor de biología en Penn State y líder del equipo de investigación. "Crecen de forma nativa en los siete continentes, incluida una de las dos plantas con flores nativas de la Antártida. Muchos miembros de la subfamilia más grande de pastos, conocida como Pooideae, se han adaptado para crecer en ambientes templados. Para investigar los factores potenciales que llevaron a esta genial adaptación , realizamos un análisis del árbol genealógico de Pooideae utilizando un gran conjunto de genes nucleares".

El equipo de investigación comparó transcriptomas (secuencias de ADN de todos los genes expresados ​​por un organismo) de 157 especies de Pooideae que cubren casi todas las subdivisiones principales dentro de la subfamilia.

"Este grupo de pastos comenzó a expandirse hace unos 50 millones de años cuando la Tierra estaba en un período de enfriamiento", dijo Ma. "La Tierra era mucho más cálida entonces, pero las plantas y los animales también eran muy diferentes. Estos pastos pudieron florecer porque pudieron adaptarse al entorno cambiante. Todas las subdivisiones principales dentro de la subfamilia, llamadas tribus, se establecieron en el primera parte de este período de enfriamiento. Más tarde hubo otra gran expansión que condujo a una gran diversificación a nivel de especies. El éxito actual de esta subfamilia de alrededor de 4000 especies se benefició de su capacidad de adaptación cuando la Tierra se estaba enfriando".

¿Cómo pudieron estos pastos adaptarse tan bien al entorno cambiante? Desarrollaron rasgos más adecuados para temperaturas más frías, incluidas flores con diferentes formas y tamaños, floración dependiente del frío y adaptaciones moleculares que reducen la congelación celular. Todos estos cambios dependen de la innovación genética.

Una fuente importante de innovación genética es la duplicación de genes. La duplicación de genes puede ocurrir cuando los errores durante la replicación o recombinación del genoma dan como resultado copias adicionales de genes. Estas copias adicionales a menudo son funcionalmente redundantes con respecto a las copias originales del gen y, por lo tanto, pueden tolerar mutaciones más libremente. A menudo, se mutan hasta el punto de perder su función por completo, pero a veces estas mutaciones pueden conducir a innovaciones funcionales.

"Nuestro estudio de las relaciones entre las especies de esta subfamilia de pastos nos permitió rastrear los cambios adaptativos en relación con los cambios geológicos y climáticos", dijo Ma. "También nos permitió identificar duplicaciones de genes que ocurrieron con el tiempo y probablemente apoyaron esta adaptación".

Un ejemplo de duplicación de genes que probablemente ayudó en la adaptación al frío de estos pastos son los genes CBF. Los estudios moleculares han demostrado un papel para CBF y genes relacionados en la capacidad de una planta para tolerar la congelación. Los investigadores muestran que los primeros miembros de la subfamilia Pooideae probablemente tenían tres copias de estos genes. La cebada moderna tiene 20 y el trigo tiene 37. Otro ejemplo son los genes AP1/FUL que están involucrados en la vernalización, la capacidad de las plantas para hacer frente a los cambios estacionales e inviernos largos y fríos, y han experimentado duplicaciones similares en Pooideae.

"Podemos rastrear cuándo ocurrieron estos eventos de duplicación en el árbol genealógico de Pooideae y asociarlos con cambios ambientales para comprender mejor el proceso de adaptación al frío en estos pastos", dijo Ma. "Como ahora estamos experimentando otro período de cambio ambiental global, comprender cómo las plantas se adaptan a este tipo de cambio puede ser más importante que nunca".