NeoFronteras

Las algas conquistaron tierra firme hasta transformarse en plantas gracias a la transferencia horizontal de genes procedentes de bacterias del suelo.

Antes de que un vertebrado conquistara tierra firme desde el agua, antes de que los artrópodos hicieran lo mismo, las plantas fueron los primeros seres pluricelulares en conseguir esa meta hace unos 500 millones de años.

Antes de ese momento los continentes estaban pelados de toda vegetación o seres vivos interesantes. Sólo habría bacterias y algún que otro hongo.

Desde entonces las cosas sobre la superficie de la Tierra ha cambiado radicalmente. Una vez que las plantas conquistaron tierra firme formaron una alfombra de vegetación en forma de «árboles», «arbustos» o «hierbas» y llenaron la atmósfera de oxígeno gracias a la fotosíntesis. Ello hizo posible que los animales pudieran dejar los océanos y adentrarse en tierra firme. Las plantas cambiaron radicalmente nuestro planeta.

Hoy en día las plantas constituyen la mayoría de la biomasa del mundo. Se cree que constituye 500 mil millones de toneladas de carbono, unas cuatro veces más que todos los demás seres vivos combinados. Sin embargo, no se sabe muy bien cómo un alga consiguió evolucionar lo suficiente como para transformarse en algo parecido a un musgo.

El problema es que no tenemos ningún resto fósil de esa transición. De lo que pasó después hay abundantes restos en el registro fósil que está bien documentado, pero no del momento crucial.

Así que los investigadores han tenido que mirar en los genes de las plantas o algas que pudieran estar emparentados con esas primeras conquistadoras. Al fin y al cabo, gran parte de la información del árbol filogenético está de algún modo escrita en el ADN.

El ancestro de las plantas sería un alga verde. Se cree que las algas verdes aparecieron cuando un microorganismos similar a una ameba atrapó a alguna bacteria fotosintética y la asimiló sin matarla hasta que la transformó en lo que más tarde serían los cloroplastos, que son los orgánulos que realizan la fotosíntesis. Luego las algas verdes evolucionaron de varias formas, algunas permanecieron en el mar, otras se mudaron al agua dulce y otras se transformaron en plantas.

Los científicos que querían estudiar este fenómeno empezaron primero estudiando a las algas charophytes como las posibles algas más emparentadas con las plantas terrestres. Charophytes no son algas unicelulares, sino que crecen en forma de sistemas ramificados complejos. Parecen como si fueran plantas subacuáticas.

Pero entonces analizaron otro linaje de algas: Zygnematophyceae. Estas algas parecían ser las más emparentadas con las plantas. Pero para sorpresa de todos eran más simples que los charophytes y sólo existen como seres unicelulares o en forma de pequeños filamentos que forman una capa gelatinosa en las rocas al lado de charcas y arroyos. Se las conoce científicamente desde que fueron descritas en el siglo XIX.

Algunos de los primeros pasos en este tipo de estudio los dio Pamela Soltis (University of Florida) y otros investigadores cuando en 2012 secuenciaron el genomas de algas Zygnematophyceae, que se supone están emparentadas con las plantas.

Puede que un estudio más reciente sobre la secuenciación del genoma de las algas Spirogloea muscicola y Mesotaenium endlicherianum, ambas pertenecienetes a Zygnematophyceae, ayude a aclarar esta conquista de tierra firme.

Según este estudio, las algas verdes tomaron genes por transferencia horizontal de bacterias del suelo, lo que les permitió una adaptación mejor a las condiciones de tierra firme.

Aunque es bien conocido que las bacterias intercambian genes por transferencia horizontal, los ejemplos de transferencia horizontal de genes entre seres más complejos son muy escasos y controvertidos. Algunos de ellos los vimos en NeoFronteras en el pasado.

La mayoría de estas algas Zygnematophyceae son acuáticas y tienen genomas complicados y grandes, pero no es el caso de S. muscicola o M. endlicherianum, por lo que estas son más fáciles de analizar.

Ambas algas viven en superficies rocosas expuestas, por lo que pueden vivir fuera del agua si las condiciones son muy húmedas.

Michael Melkonian (Universidad de Duisburg-Essen) se juntó con Ka-Shu Wong (University of Alberta) y otros investigadores para secuenciar los genomas de estas dos algas.

De las muestras que este grupo ha analizado, una de las especies provenía de las rocas de los bosques de Alemania y otra de musgos en Portugal.

Esta trabajo de secuenciación confirma que la familia Zygnematophyceae son los parientes más cercanos a las plantas de tierra firme.

Muchos de estos genes evolucionaron a partir de genes ancestrales por duplicación de ADN y algunas de las copias extras sufrieron mutaciones a lo largo de millones de años. De este modo las algas conseguían nuevas capacidades que les permitieron adaptarse mejor al medio, en este caso al ambiente seco de fuera del agua.

Además, encontraron 902 genes en 22 familias en estas algas semiterrestres que también estaban en las plantas de tierra firme, pero que no están presentes en el resto de las algas. Estos genes representan a los que aparecieron evolutivamente justo antes de que estos dos grupos se separaron del árbol filogenético de las plantas hace 580 millones de años.

Esta caja de herramientas genéticas eran las esperables para una vida fuera del agua. Dos de esas familias de genes codifican genes que ayudan a las plantas a resistir la desecación y otras fuentes de estrés. Así, por ejemplo, estos genes ayudan a las plantas terrestres hoy en día a formar esporas o semillas que sobrevivan dormidas a meses o años de sequía.

Pero, para la sorpresa de los investigadores, algunos de esos genes están además presentes en los genomas de las bacterias del suelo y en ningún otro organismo. Como las bacterias evolucionaron mucho antes que las algas, los investigadores concluyen que estos genes saltaron por transferencia horizontal desde las bacterias del suelo cercanas a los ancestros de estas algas y plantas.

Como muchas veces se ha acusado a este tipos de resultados, en los que afirma que hay una transferencia horizontal de bacteria a otros organismos, como el resultado de una contaminación de las muestras y no a un caso real de transferencia real de genes, los investigadores implicados se aseguraron de que las muestras de algas secuenciadas eran puras y comprobaron que los genes que estaban a los antaño transferidos eran los propios de las plantas y no de las bacterias. Según esto, los investigadores pueden asegurar que estas dos familias de genes fueron adquiridos por transferencia horizontal.

Otro trabajo reciente realizado por Jocelyn Rose (Cornell University) y colaboradores sobre otra especie de alga de esa familia (Penium margaritace) también apunta a las distintas adaptaciones a la tierra firme, como los genes implicados en la construcción de las paredes celulares o resistencia a la luz intensa. Pero en este otro estudio no se miró la posible existencia de transferencia horizontal de genes.

Ambos estudios contribuyen a la compresión de esta transición crítica de la vida en la Tierra y de las innovaciones que fueron necesarias alcanzar.

La relación entre bacterias y estas algas es antigua y también algo más que genética. Estas algas forman un cubierta esponjosa que ayuda a retener el agua, pero algunas bacterias se alimentan de los carbohidratos que la forman. En compensación las bacterias producen vitaminas que el alga necesita.

Los autores especulan que quizás esta relación tan íntima dio lugar a la transferencia horizontal cuando algunas bacterias se introdujeron dentro del alga y donaron parte de sus genes antes de ser asimiladas. Aunque admiten que esta hipótesis es difícil o imposible de probar.

El estudio de estos genomas posiblemente aclarará cómo fue la transición de las algas a las plantas de tierra firme y qué función tienen los genes y cómo evolucionaron hasta adquirir nuevas funciones.

Según Melkonian, una cosa está clara: toda la nueva investigación sobre las algas indican que las plantas no aparecieron súbitamente en tierra firme en algún tipo de salto evolutivo fenomenal, sino que fue una acumulación progresiva de cambios pequeños sobre antepasados más simples.

Añade que la superficie de este planeta era verde cientos de millones de años antes de que aparecieran las primeras plantas verdaderas.

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Fuentes y referencias:
Artículo original I.
Artículo original II.
Sobre transferencia horizontal.
Foto: Barbara y Michael Melkonian.