Un nuevo árbol genealógico del tomate y la patata demuestra que el color y el tamaño del fruto evolucionaron juntos

El equipo descubrió que el tamaño y el color de los frutos evolucionaron juntos y que los animales frugívoros no fueron los principales impulsores de la evolución de los frutos, como se pensaba hasta ahora. Según los investigadores, el estudio, publicado en la revista New Phytologist, también puede ayudar a mejorar plantas importantes para la agricultura con rasgos más deseables.

"El género Solanum cuenta con unas 1.300 especies, lo que lo convierte en uno de los géneros vegetales más diversos del mundo", explica João Vitor Messeder, estudiante de postgrado en Ecología y Biología de la Facultad de Ciencias Eberly y del Instituto Huck de Ciencias de la Vida de la Universidad Estatal de Pensilvania y autor principal del artículo. "Desde los años 70 y 80, los investigadores han sugerido que las aves, los murciélagos y otros animales frugívoros han impulsado la evolución de frutos como los de Solanum. Sin embargo, la importancia de la historia evolutiva de las plantas se ha subestimado o rara vez se ha tenido en cuenta al evaluar la diversificación de los frutos carnosos. Para probar mejor esta hipótesis, necesitábamos primero producir una filogenia más robusta, o árbol genealógico, de este grupo de plantas para mejorar nuestra comprensión de las relaciones entre especies."

Las plantas del género Solanum producen frutos con una amplia variedad de tamaños, colores y valores nutricionales. Pueden ser negros, morados, rojos, verdes, amarillos o naranjas y su tamaño oscila entre menos de un cuarto de pulgada y hasta 8 pulgadas, es decir, de 0,5 a 20 centímetros. Además de por su importancia agrícola, algunas plantas del grupo se cultivan por sus flores ornamentales, y los frutos de muchas de estas plantas son consumidos por los seres humanos y por una gran diversidad de animales, como aves, murciélagos, reptiles, primates y otros mamíferos terrestres.

Los investigadores recogieron muestras de plantas de todo el mundo, incluidas plantas silvestres de Brasil, Perú y Puerto Rico y plantas de jardines botánicos, y secuenciaron sus genes a partir de ARN. Se complementaron con muestras recogidas anteriormente y datos disponibles públicamente, comparando finalmente las secuencias de 1.786 genes de un total de 247 especies para reconstruir el árbol genealógico de Solanum. Esto incluía representantes de los 10 clados principales -las ramas del árbol- y 39 de los 47 clados menores dentro del género.

"Al utilizar miles de genes compartidos entre especies que representaban efectivamente a todo el género, mejoramos significativamente el árbol genealógico de Solanum, convirtiéndolo en el más completo hasta la fecha", dijo Messeder, que llevó a cabo la investigación en el laboratorio de Hong Ma, titular de la Cátedra Huck de Desarrollo Reproductivo y Evolución de las Plantas y profesor de biología en Penn State y coautor del artículo. "Los recientes avances tecnológicos nos han permitido utilizar más genes que en estudios anteriores, que se enfrentaban a muchos retos a la hora de resolver las relaciones entre especies y clados. Este árbol mejorado nos ayuda a comprender cuándo se originaron los diferentes colores y tamaños de los frutos o cómo cambiaron a medida que surgieron nuevas especies de plantas."

Los investigadores añadieron una resolución considerable de las ramas más pequeñas del grupo que incluye patatas y tomates, así como sus especies silvestres emparentadas de cerca y de lejos. Según los investigadores, la información obtenida podría servir de apoyo a los programas de mejora de estas especies y otros cultivos del género.

"Si los parientes silvestres más cercanos de cultivos agrícolas importantes tienen rasgos deseables, es posible criar cultivos con esas especies o tomar prestados sus genes, por ejemplo para mejorar la resistencia a la temperatura o a las plagas o para producir frutos más grandes o de un color determinado", dijo Messeder.

Los investigadores descubrieron que el color y el tamaño de los frutos de Solanum se habían conservado bastante a lo largo de la historia evolutiva, lo que significa que las especies estrechamente emparentadas tienden a tener frutos similares. La evolución del color y el tamaño de los frutos también está correlacionada, y los cambios en un rasgo suelen corresponderse con cambios en el otro, lo que hace que los frutos de determinados colores sean más grandes que los de otros colores.

"Estos resultados sugieren que los mecanismos fisiológicos y moleculares pueden desempeñar un papel en el mantenimiento de la evolución del color y el tamaño de la fruta", dijo Messeder. "Aunque los frugívoros -o animales que se alimentan principalmente de frutos- y los dispersores de semillas pueden influir en la diversificación, debemos considerar todas las posibilidades al estudiar cómo los frutos llegaron a ser tan diversos".

Los investigadores también aclararon el origen y la cronología de la diversificación de este género, en parte mediante la inclusión de información reciente procedente del fósil más antiguo de la familia de las solanáceas -de un género diferente de la familia Nightshade cuyo fósil se dató hace unos 52 millones de años- y de genes concretos que mejoraron las estimaciones de la longitud de las ramas evolutivas. Los investigadores dataron el origen de Solanum hace unos 53,1 millones de años, 30 millones de años antes que las estimaciones anteriores, basadas en genes de otras partes de la célula vegetal. Esto ofrece una nueva imagen del entorno que pudo influir en la diversificación de estas plantas en nuevos grupos y especies.

"El entorno de la Tierra cambió drásticamente durante 30 millones de años en términos de temperatura, dióxido de carbono en la atmósfera, geografía y diversidad animal", explica Messeder. "Ahora que sabemos cuándo se originaron Solanum y sus subgrupos, podemos pensar en las condiciones que pudieron promover la diversificación de ese grupo, así como en el papel que pudieron desempeñar otros organismos".

El equipo descubrió que los primeros miembros de Solanum tenían bayas de tamaño medio que permanecían verdes cuando maduraban, y que los frutos verdes y amarillos de este grupo se diversificaron hace unos 14 millones de años. Los investigadores especularon con la posibilidad de que los murciélagos desempeñaran un papel en esta diversificación, dada su similar cronología evolutiva y el hecho de que son los principales dispersores de los frutos verdes y amarillos modernos de Solanum. A medida que surgieron nuevas especies de murciélagos y se expandieron por los lugares donde vivían en esa época, comieron frutos de Solanum y llevaron sus semillas a nuevos entornos.

A continuación, los investigadores planean explorar cómo las interacciones modernas entre los animales y los frutos que comen pueden arrojar luz sobre la evolución de ambos grupos, así como explorar la evolución de ciertos genes relevantes para el color y el tamaño de los frutos.

Además de Messeder y Ma, el equipo de investigación incluye a Tomás Carlo, profesor de biología en Penn State; Guojin Zhang, investigador postdoctoral en Penn State en el momento de la investigación; Juan David Tovar en el Instituto Nacional de Investigaciones de la Amazonia en Brasil; César Arana en la Universidad Nacional de San Marcos en Perú; y Jie Huang y Chien-Hsun Huang en la Universidad de Fudan en China.

Esta investigación ha sido financiada por la Comisión Fulbright, la Fundación CAPES de Brasil, el Departamento de Biología de Penn State, el Hill Memorial Fund del Pen State Eberly College of Science, la Association for Tropical Biology and Conservation, la U.S. National Science Foundation, la International Association for Plant Taxonomy y la Society of Herbarium Curators.