Cambio evolutivo repentino en las flores.

Cuando Charles Darwin codificó por primera vez la teoría de la evolución por medio de la selección natural, pensó en ella como un proceso gradual. “No vemos nada de estos lentos cambios en progreso, hasta que la mano del tiempo ha marcado el largo lapso de las eras”, escribió en su obra seminal, “Sobre el origen de las especies”. Pero Darwin no tenía la imagen completa. “La evolución no necesariamente toma todos estos pequeños cambios como propuso Darwin”, dijo Scott Hodges, profesor en el Departamento de Ecología, Evolución y Biología Marina de UC Santa Barbara. Hodges, el estudiante de doctorado Zachary Cabin y sus colegas acaban de identificar un caso de cambio evolutivo repentino. En la revista Current Biology, los científicos describen una población de aguileñas que han perdido sus pétalos, incluidos los característicos espolones de néctar. Un cambio drástico causado por una mutación en un solo gen. El hallazgo agrega peso a la idea de que la adaptación puede ocurrir en grandes saltos, en lugar de simplemente avanzar lentamente durante períodos de tiempo prolongados. Desde que se presentó la teoría de la evolución, los biólogos han debatido si siempre ocurre en pasos pequeños y graduales durante largos períodos de tiempo o, a veces, como un equilibrio interrumpido por cambios abruptos. A menudo, grandes cambios morfológicos aparecen dentro de escalas de tiempo geológicas cortas donde las formas intermedias pueden no haberse fosilizado. Entonces, la pregunta sigue siendo si ocurrieron muchos pequeños cambios en un corto período de tiempo, o tal vez si una sola mutación a gran escala podría ser la responsable. Por lo tanto, los investigadores realmente tienen que captar el desarrollo en acción si esperan construir un caso de que los cambios repentinos pueden impulsar la evolución. Entra la aguileña azul de Colorado. En una población, una mutación ha provocado que muchas de las plantas pierdan sus pétalos con los icónicos espolones de néctar. Si bien no es una ocurrencia poco común en las aguileñas, la falta de espuelas parece haberse quedado en esta área: alrededor de una cuarta parte de las plantas carecen de la característica distintiva.
Un solo gen
El equipo sondeó el genoma de la planta para encontrar la fuente de la morfología inusual. Consideraron un gen, APETALA3-3, conocido por afectar el desarrollo de estímulos. Descubrieron que este único gen controlaba todo el desarrollo de los espolones y nectarios de la flor. “El gen está activado o desactivado, por lo que es un cambio tan simple que puede obtener”, dijo el autor principal Zachary Cabin. “Pero esa simple diferencia provoca un cambio radical en la morfología”. Un solo gen roto hace que las plantas mutantes desarrollen flores sin pétalos ni espolones de néctar. Si estas flores se conservaran en el registro fósil, los científicos podrían clasificarlas en dos géneros completamente diferentes. Y también habría una brecha desconcertante: ninguna forma intermedia que documente una transición de una morfología a la otra. “Este hallazgo muestra que la evolución puede ocurrir en un gran salto si está involucrado el tipo correcto de gen”, dijo Hodges. APETALA3-3 le dice al órgano en desarrollo que se convierta en un pétalo. “Cuando se rompe, esas instrucciones ya no están, y eso hace que se convierta en un órgano completamente diferente, un sépalo”, explicó. APETALA3-3 es un tipo de gen homeótico, que especifica el desarrollo de un órgano completo. Una mutación en uno de estos genes puede tener un efecto drástico en la morfología de un organismo. Por ejemplo, una mutación homeótica hace que una mosca desarrolle patas donde debería tener antenas. “La mayoría de las mutaciones de esta naturaleza van a ser así, horribles”, continuó Hodges. “El animal no tendrá ninguna posibilidad de sobrevivir. El biólogo Richard Goldschmidt los llamó ‘monstruos sin esperanza'”. Pero de vez en cuando, uno de estos cambios radicales podría proporcionar un rasgo beneficioso en un entorno particular, creando un monstruo.” Y un monstruo esperanzado mostraría que la evolución puede avanzar en grandes saltos, apoyando la hipótesis del equilibrio puntuado. “No teníamos un buen ejemplo de un monstruo esperanzador debido a un solo cambio genético”, dijo Hodges, “hasta ahora”. Los investigadores tienen que detectar estos cambios abruptos a medida que ocurren, de lo contrario, desaparecen en el genoma de un organismo. Por ejemplo, otros parientes de aguileñas han perdido sus pétalos y nectarios en el pasado, pero ahora es imposible saber si estos hechos ocurrieron de una sola vez. El hecho de que esté sucediendo activamente en la aguileña azul de Colorado permitió al equipo confirmar su estatus como un monstruo esperanzado. “Definitivamente hay algo de suerte involucrado en que estemos presentes en el momento adecuado para capturar esto”, dijo Cabin.
Sorprendente selección
Captar el cambio en acción también ofrece otro beneficio: la oportunidad de estudiar la genética y las presiones selectivas en el trabajo. El equipo descubrió cinco versiones, o alelos, de APETALA3-3, de los cuales solo uno codifica un pétalo con un espolón de néctar funcional. Los otros cuatro estaban rotos, como dijo Hodges. También determinaron que la falta de espuelas es un rasgo recesivo. La flor se desarrollará normalmente mientras la planta tenga una copia del alelo funcional. Pero cualquiera de los dos alelos mutantes juntos evitará esto. “Puedes mezclarlos y combinarlos”, explicó Cabin. Alrededor de una cuarta parte de las aguileñas azules de Colorado en esta área muestran el rasgo recesivo de la vivacidad, más de lo que se puede atribuir a la mera casualidad. En todas las especies de aguileñas es posible encontrar individuos raros que desarrollan flores sin espolones de néctar. Pero con una cuarta parte de la población de Colorado sin la función, Cabin y Hodges sabían que esto era más que una ocurrencia fortuita. “Conseguir que muchos de este tipo mutante realmente sugiere que hay una selección que lo favorece de alguna manera”, dijo Hodges, lo que le parece extraño, ya que el espolón produce néctar que atrae a los polinizadores de la planta. Hodges está profundamente familiarizado con las aguileñas, y todas sus investigaciones anteriores sugieren que las espuelas de néctar son importantes para el grupo. Incluso pequeños cambios en la estructura han impulsado la especiación y la diversificación del género. “Entonces, ¿cómo diablos puedes perder tus espuelas y aún así ser favorecido?” preguntó. Atraer polinizadores es solo un factor que contribuye al éxito reproductivo. Resultó que las plantas mutantes en realidad produjeron más semillas que sus contrapartes, para sorpresa del equipo. Comenzaron a revisar sus observaciones, buscando una explicación. “La primera vez que realmente nos dimos cuenta del patrón fue en el aeropuerto de camino a casa”, recordó Cabin. Estaba leyendo datos mientras Hodges los ingresaba en la computadora. “Scott podía ver cómo se desarrollaba el patrón, porque tenía todos los datos frente a él y estaba cada vez más emocionado”. El equipo había registrado herbivoría de orugas, áfidos y ciervos en los diferentes morfos. El daño de las orugas y los áfidos puede obstaculizar la producción de semillas, explicó Cabin, mientras que los ciervos pueden devastar una planta entera. Y a medida que se acumularon los datos, surgió una tendencia clara: los ciervos y los áfidos preferían las flores con espolones de néctar. Los cambios en la morfología floral generalmente son impulsados ​​por los polinizadores, pero la ausencia de espolones parece ser impulsada por la herbivoría. “La selección natural puede provenir de fuentes muy sorprendentes”, dijo Hodges. “No siempre es lo que esperarías que fuera”.
Sincronizándolo bien
Ahora que han identificado a su monstruo esperanzador, Cabin y Hodges planean investigar el ADN alrededor de APETALA3-3 para construir una línea de tiempo de cuándo pueden haber ocurrido las mutaciones. Cuando el gen mutó por primera vez, solo se vio afectado uno de los cromosomas de la planta. Eso significa que cada descendiente con esa mutación tendría el mismo código genético alrededor de APETALA3-3 durante muchas generaciones, explicó Hodges. Sin embargo, los cromosomas intercambian alelos ocasionalmente en un proceso llamado recombinación. Al rastrear la cantidad de recombinación que se ha acumulado alrededor de las diferentes versiones de APETALA3-3, los científicos pueden estimar hace cuánto tiempo ocurrió cada mutación. Más variación requiere más tiempo para acumularse. Y cuanto más cerca está esta variación de APETALA3-3, más eventos de recombinación ha habido desde que apareció la primera mutación. Los investigadores también quieren rastrear cómo se está extendiendo la falta de espuelas entre la población. Los diferentes morfos se entrecruzan, pero la evidencia genética sugiere que hay menos apareamiento entre los dos grupos. La aguileña azul de Colorado puede estar divergiendo en especies separadas, especialmente porque los dos tipos parecen depender de diferentes polinizadores. “Ese proceso de división sería lento”, dijo Cabin, “pero hay evidencia de que podría estar en camino”.