El sagrado loto acuático asiático, Nelumbo nucifera – el pedestal elegido por una variedad de deidades egipcias e indias. Es fácil ver por qué. Dominio público. Haga clic en la imagen para el enlace.
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Para los animales, heredar más de las dos copias habituales de ADN suele ser algo muy malo. Puede ocurrir cuando dos espermatozoides fecundan un óvulo, o cuando la división celular sexual se equivoca, dejando un espermatozoide o un óvulo con el doble de la carga aprobada. Pero en el caso de los embriones animales, el resultado suele ser el mismo: la muerte.
Esto es especialmente cierto en los mamíferos y las aves, donde más de dos copias -una condición denominada poliploidía- produce algo que se denomina eufemísticamente «trastorno general del desarrollo». En la práctica, esto significa que el sistema se funde, y ocurre muy rápidamente. En los seres humanos, se producen tres o más copias del genoma completo en alrededor del 5% de los abortos espontáneos humanos.
Sólo se conocen dos casos de poliploidía exitosa entre las aves, y sólo uno entre los mamíferos: la rata vizcacha roja sudamericana (que es mucho más bonita de lo que parece). Tiene cuatro copias de su genoma, lo que la convierte en tetraploide.
La poliploidía es algo más común entre otros animales. Se conocen algunos cientos de casos de poliploidía en insectos, reptiles, anfibios, crustáceos, peces y otros animales «inferiores». La poliploidía puede inducirse a menudo en estas criaturas; algo llamado «trucha triploide» está haciendo furor entre los pescadores del noroeste del Pacífico. Los tres conjuntos de cromosomas del pez no pueden emparejarse correctamente durante la división celular sexual, lo que les hace estériles pero les permite crecer más que sus parientes diploides, ya que no gastan energía en frivolidades como los huevos, el esperma y el enganche. Ya se sabe lo que piensan los pescadores de los peces grandes, así que los «triploides» ya han inspirado los necesarios vídeos épicos de pesca.
Aunque la poliploidía no es común en los animales, se sospecha que podría haber desempeñado un papel en la evolución, hace eones, de los vertebrados, los peces con aletas de raya y la familia de los salmones (a la que pertenecen las truchas). Pero en general, la poliploidía es un asunto arriesgado y a menudo peligroso para los animales.
No así para las plantas, que parecen tener una actitud más laissez-faire hacia todo el asunto.
En mi post de esta semana sobre un musgo diploide mutante, mencioné que era capaz de producir óvulos y espermatozoides funcionales con dos copias del genoma en lugar de la habitual. En otras palabras, la descendencia de este mutante sería tetraploide. El hecho de que estas plantas parezcan capaces de producir una descendencia poliploide viable sugiere que la poliploidía puede ser un instrumento de evolución en los musgos, como lo es para muchas otras plantas, sugirieron los autores del artículo sobre el que escribí.
Pues en las plantas, a diferencia de los animales, la poliploidía es común, aparentemente inocua, y a menudo actúa la selección natural como instrumento de especiación. Tal vez las plantas toleran la duplicación del genoma mejor que los animales porque tienen planes corporales intrínsecamente más flexibles que los animales, y pueden hacer frente más fácilmente a cualquier cambio anatómico bruto que pueda acompañarlo.
Sea cual sea la razón, la poliploidía de las plantas es rampante. Los científicos han calculado que entre la mitad y dos tercios de las plantas con flores son poliploides, incluyendo más del 99% de los helechos y el 80% de las especies de la familia de las gramíneas, de donde proceden el arroz, el trigo, la cebada, la avena y el maíz. También lo son una enorme proporción de nuestros otros cultivos, como la caña de azúcar, las patatas, los boniatos, los plátanos, las fresas y las manzanas. Es muy posible que hayamos seleccionado esto artificialmente. En las plantas, la duplicación del genoma a menudo parece ayudar a hacer más cosas, lo cual es bueno si usted está buscando comer las cosas.
Aunque la duplicación del genoma puede ocurrir por su cuenta en las plantas a través de los mismos mecanismos que he mencionado anteriormente para los animales, que no es la forma más común. Es más frecuente que se produzca tras el entrecruzamiento accidental de dos especies estrechamente relacionadas. Esto suele producir una descendencia estéril, ya que los cromosomas desparejados no tienen nada con lo que emparejarse durante la división celular sexual. Pero si, por casualidad, esta quimera duplica su genoma, la fertilidad se restablece emparejando el lote variado. Simultáneamente, se ha creado un organismo tetraploide y una nueva especie.
Por ejemplo, dos de las principales variedades de trigo que se cultivan hoy en día son el resultado de la duplicación y cuadruplicación secuencial de los genomas de sus ancestros de hierba silvestre. La especie ancestral original tenía 14 cromosomas. Hoy en día, los agricultores plantan tanto trigo duro tetraploide de 28 cromosomas como trigo panadero hexaploide de 42 cromosomas. El trigo duro produce una pasta más sabrosa, mientras que la harina hexaploide con gluten forma redes de proteínas que se extienden hasta formar un pan más ligero.
Otras dos plantas poliploides causaron sensación la semana pasada: la flor de la vejiga carnívora y el loto sagrado. El momento de la hierba de la vejiga en el centro de atención fue gracias al descubrimiento de que está casi libre de ADN «basura» que no codifica proteínas, un material en el que casi todos los demás organismos complejos están inundados, incluido usted.
Pero la diminuta planta que se alimenta de insectos ha logrado esta parsimonia a pesar de tres rondas de duplicación del genoma. En teoría, tiene ocho copias de cada gen, con respecto al ancestro de dos copias de casi todas las verdaderas o «eudicotas», un grupo masivo de plantas con flores. Eso la convierte en octoploide. (Puede ser incluso más ploide que eso si se tiene en cuenta que las eudicotas parecen haber triplicado sus genomas poco después de evolucionar). Pero en la práctica, y por razones que los científicos no entienden del todo, la hierba de la vejiga ha eliminado de algún modo todas las copias de la mayoría de sus genes duplicados, excepto una, junto con la gran mayoría de su ADN no codificante de proteínas. Eso sí que es eficiencia.
La secuencia genética completa del loto sagrado se publicó el 10 de mayo. El loto parece ser la primera planta que se separó del resto de las eudicotas, incluso antes de la temprana triplicación del genoma a la que aludí anteriormente. Sin embargo, duplicó por separado su propio genoma algún tiempo después. Sospechosamente, según informan los autores del artículo que revela su secuencia, la duplicación parece haber tenido lugar hace unos 65 millones de años.
Esto es notable, por supuesto, porque es más o menos el momento en que nuestro planeta fue golpeado por el asteroide que dijo sayonara a los dinosaurios – pero también a alrededor del 60% de las especies de plantas. Los autores señalan que, en épocas de estrés ambiental, las plantas que han duplicado sus genomas parecen adaptarse y sobrevivir mejor. Se podría especular que es gracias a la materia prima que un segundo conjunto superfluo de genes proporciona a la selección natural para crear proteínas con nuevas funciones.
Muchas otras especies de plantas parecen haber duplicado sus genomas alrededor de la época del impacto del asteroide K-T, escriben los autores, lo que sugiere que, sean cuales sean las condiciones de la época, la poliploidía parece haber sido una buena estrategia de supervivencia para las plantas. También era una opción mucho menos disponible para los animales, que, por esta y probablemente muchas otras razones (carecen de la capacidad de algunas plantas para hacer estructuras de descanso fortificadas y entrar en letargo, por ejemplo) sufrieron pérdidas más graves. Se cree que quizás el 80% de las especies animales de la Tierra se extinguieron en las catastróficas consecuencias del impacto.
Otto S. & Whitton J. (2000). Polyploid Incidence and Evolution, Annual Review of Genetics, 34 401-437. DOI: 10.1146/annurev.genet.34.1.401
Ming R., VanBuren R., Liu Y., Yang M., Han Y., Li L.T., Zhang Q., Kim M.J., Schatz M.C. & Campbell M. & (2013). Genoma del loto sagrado de larga vida (Nelumbo nucifera Gaertn.), Genome Biology, 14 (5) R41. DOI: 10.1186/gb-2013-14-5-r41
Ibarra-Laclette E., Lyons E., Hernández-Guzmán G., Pérez-Torres C.A., Carretero-Paulet L., Chang T.H., Lan T., Welch A.J., Juárez M.J.A. & Simpson J. & (2013). Architecture and evolution of a minute plant genome, Nature, DOI: 10.1038/nature12132