"Las plantas, ya sean enormes o microscópicas, son la base de toda la vida, incluidos nosotros mismos". Esta fue la introducción de David Attenborough a The Green Planet, la última serie de historia natural de la BBC.

Durante los últimos 500 millones de años, las plantas se han entretejido en todos los aspectos de nuestras vidas. Las plantas sostienen todas las demás formas de vida en la Tierra hoy. Proporcionan el oxígeno que respira la gente, además de limpiar el aire y enfriar la temperatura de la Tierra. Pero sin agua, las plantas no sobrevivirían. Encontrado originalmente en ambientes acuáticos, se estima que hay alrededor de 500,000 especies de plantas terrestres que surgieron de un solo ancestro que flotó a través del agua.

En nuestro artículo reciente, publicado en New Phytologist , investigamos, a nivel genético, cómo las plantas han aprendido a usar y manipular el agua, desde las primeras plantas diminutas parecidas al musgo que vivieron en la tierra en el período Cámbrico (hace unos 500 millones de años) hasta los árboles gigantes que forman bosques complejos. ecosistemas de hoy.

Cómo evolucionaron las plantas

Al comparar más de 500 genomas (el ADN de un organismo), nuestros resultados muestran que diferentes partes de las anatomías de las plantas involucradas en el transporte de agua (poros (estomas), tejido vascular, raíces) estaban vinculadas a diferentes métodos de evolución genética. Esto es importante porque nos dice cómo y por qué las plantas han evolucionado en distintos momentos de su historia.

La relación de las plantas con el agua ha cambiado drásticamente en los últimos 500 millones de años. Los antepasados ​​de las plantas terrestres tenían una capacidad muy limitada para regular el agua, pero los descendientes de las plantas terrestres se han adaptado para vivir en ambientes más secos. Cuando las plantas colonizaron la tierra por primera vez, necesitaban una nueva forma de acceder a los nutrientes y al agua sin sumergirse en ella. El siguiente reto era aumentar de tamaño y estatura. Eventualmente, las plantas evolucionaron para vivir en ambientes áridos como los desiertos. La evolución de estos genes fue crucial para permitir que las plantas sobrevivieran, pero ¿cómo ayudaron a las plantas a adaptarse primero y luego prosperar en la tierra?

Los estomas, los diminutos poros en la superficie de las hojas y los tallos, se abren para permitir la absorción de dióxido de carbono y se cierran para minimizar la pérdida de agua. Nuestro estudio encontró que los genes involucrados en el desarrollo de los estomas estaban en las primeras plantas terrestres. Esto indica que las primeras plantas terrestres tenían las herramientas genéticas para construir estomas, una adaptación clave para la vida en la tierra.

La velocidad a la que responden los estomas varía entre especies. Por ejemplo, los estomas de una margarita se cierran más rápido que los de un helecho. Nuestro estudio sugiere que los estomas de las primeras plantas terrestres se cerraron, pero esta capacidad se aceleró con el tiempo gracias a la duplicación de genes a medida que las especies se reproducían. La duplicación de genes da lugar a dos copias de un gen, lo que permite que una de ellas lleve a cabo su función original y la otra desarrolle una nueva función. With these new genes, the stomata of plants that grow from seeds (rather reproducing via spores) were able to close and open faster, enabling them to be more adaptable to environmental conditions.

Old genes and new tricks

Vascular tissue is a plant's plumbing system, enabling it to transport water internally and grow in size and stature. If you have ever seen the rings of a chopped tree, this is the remnants of the growth of vascular tissue.

We found that rather than evolving by new genes, vascular tissue emerged through a process of genetic tinkering. Here, old genes were repurposed to gain new functions. This shows that evolution does not always occur with new genes but that old genes can learn new tricks.

Before the move to land, plants were found in freshwater and marine habitats, such as the algal group Spirogyra . They floated and absorbed the water around them. The evolution of roots enabled plants to access water from deeper in the soil as well as providing anchorage. We found that a few key new genes emerged in the ancestor of plants that live on land and plants with seeds, corresponding to the development of root hairs and roots. This shows the importance of a complex rooting system, allowing ancient plants to access previously unavailable water.

The development of these features at every major step in the history of plants highlights the importance of water as a driver of plant evolution. Our analyses shed new light on the genetic basis of the greening of the planet, highlighting the different methods of gene evolution in the diversification of the plant kingdom.

Planting for the future

As well as helping us make sense of the past, this work is important for the future. By understanding how plants have evolved, we can begin to understand the limiting factors for their growth. If researchers can identify the function of these key genes, they can begin to improve water use and drought resilience in crop species. This has particular importance for food security.

Plants may also hold the key to solving some of the most pressing questions facing humanity, such as reducing our reliance on chemical fertilizers, improving the sustainability of our food and reducing our greenhouse gas emissions.

By identifying the mechanisms controlling plant growth, researchers can begin to develop more resilient, efficient crop species. These crops would require less space, water and nutrients and would be more sustainable and reliable. With nature in decline, it is vital to find ways to live more harmoniously in our green planet.