El desierto de Atacama, en el norte de Chile, encajonado entre el océano Pacífico y la cordillera de los Andes, es el lugar más seco del planeta (excluidos los polos).
Sin embargo, allí crecen decenas de plantas, entre ellas gramíneas, plantas anuales y arbustos perennes.
La investigación está ayudando a identificar genes asociados con la supervivencia de las plantas.
Este conocimiento podría aplicarse para mejorar la resiliencia de los cultivos en un contexto de cambio climático cada vez más grave.
Investigadores han identificado genes asociados con la supervivencia de las plantas en uno de los entornos más hostiles de la Tierra: el desierto de Atacama, en Chile.
Sus hallazgos, publicados en Proceedings of the National Academy of Sciences, podrían ayudar a los científicos a cultivar variedades de cultivos resilientes capaces de prosperar en climas cada vez más secos.
«En una era de cambio climático acelerado, es fundamental descubrir las bases genéticas para mejorar la producción y la resiliencia de los cultivos en condiciones secas y pobres en nutrientes», afirma Gloria Coruzzi, profesora del Departamento de Biología y del Centro de Genómica y Biología de Sistemas de la Universidad de Nueva York, quien codirigió el estudio junto con Rodrigo Gutiérrez.
«Nuestro estudio de las plantas del desierto de Atacama es directamente pertinente para regiones de todo el mundo que se están volviendo cada vez más áridas, donde factores como la sequía, las temperaturas extremas y la sal en el agua y el suelo representan una amenaza significativa para la producción mundial de alimentos», afirma Gutiérrez, profesor del Departamento de Genética Molecular y Microbiología de la Pontificia Universidad Católica de Chile.
El lugar más seco de la Tierra
El desierto de Atacama, en el norte de Chile, encajonado entre el océano Pacífico y la cordillera de los Andes, es el lugar más seco del planeta (excluidos los polos). Sin embargo, allí crecen decenas de plantas, entre ellas gramíneas, plantas anuales y arbustos perennes. Además de la escasez de agua, las plantas de Atacama deben hacer frente a la gran altitud, la baja disponibilidad de nutrientes en el suelo y la radiación solar extremadamente intensa.
Durante más de 10 años, el equipo de investigación chileno estableció un «laboratorio natural» sin precedentes en el desierto de Atacama, donde recogió y caracterizó datos sobre el clima, el suelo y las plantas en 22 sitios de distintas zonas de vegetación y altitudes (cada 100 metros de elevación) a lo largo del transecto Talabre-Lejía. Al medir diversos factores, registró fluctuaciones de temperatura de más de 50 grados entre el día y la noche, niveles de radiación muy elevados, suelos mayoritariamente arenosos y pobres en nutrientes, y precipitaciones mínimas, concentradas en su mayor parte en unos pocos días al año.
Los investigadores chilenos llevaron las muestras de plantas y suelo —conservadas en nitrógeno líquido— hasta el laboratorio, a 1.000 millas de distancia, para secuenciar los genes expresados en las 32 especies vegetales dominantes de Atacama y evaluar los microbios del suelo asociados a las plantas a partir de secuencias de ADN. Descubrieron que algunas especies vegetales desarrollaban bacterias que favorecen el crecimiento cerca de sus raíces, una estrategia adaptativa para optimizar la absorción de nitrógeno —un nutriente esencial para el crecimiento vegetal— en los suelos pobres en nitrógeno de Atacama.
Las plantas del desierto de Atacama y sus «hermanas»
Para identificar los genes cuyas secuencias proteicas se habían adaptado en las especies de Atacama, los investigadores de la Universidad de Nueva York realizaron después un análisis mediante un enfoque denominado filogenómica, que busca reconstruir la historia evolutiva a partir de datos genómicos. En consulta con colegas del Jardín Botánico de Nueva York, compararon los genomas de las 32 plantas de Atacama con los de 32 especies «hermanas» genéticamente similares, pero no adaptadas, así como con varias especies modelo.
«El objetivo era utilizar este árbol evolutivo, basado en secuencias genómicas, para identificar los cambios en las secuencias de aminoácidos codificadas en los genes que sustentan la evolución de la adaptación de las plantas de Atacama a las condiciones desérticas», afirma Coruzzi.
«Este análisis genómico, de gran exigencia computacional, implicó comparar 1,686,950 secuencias proteicas de más de 70 especies. Utilizamos la supermatriz resultante de 8,599,764 aminoácidos para reconstruir filogenómicamente la historia evolutiva de las especies de Atacama», afirma Gil Eshel, quien realizó este análisis con el clúster de computación de alto rendimiento de la Universidad de Nueva York.
El estudio identificó 265 genes candidatos cuyos cambios en las secuencias proteicas fueron seleccionados por fuerzas evolutivas en múltiples especies de Atacama. Estas mutaciones adaptativas se produjeron en genes que podrían ser la base de la adaptación de las plantas a las condiciones desérticas, incluidos genes implicados en la respuesta a la luz y la fotosíntesis, que podrían permitir a las plantas adaptarse a la radiación de luz extrema de Atacama. Asimismo, los investigadores descubrieron genes implicados en la regulación de la respuesta al estrés, la sal, la desintoxicación y los iones metálicos, que podrían estar relacionados con la adaptación de estas plantas de Atacama a su entorno estresante y pobre en nutrientes.
«Una mina de oro genética»
La mayor parte del conocimiento científico sobre las respuestas de las plantas al estrés y su tolerancia se ha generado mediante estudios tradicionales de laboratorio con unas pocas especies modelo. Aunque estos estudios moleculares son útiles, es probable que pasen por alto el contexto ecológico en el que han evolucionado las plantas.
«Al estudiar un ecosistema en su entorno natural, pudimos identificar genes adaptativos y procesos moleculares en especies que se enfrentan a un entorno hostil común», afirma Viviana Araus, del laboratorio de Gutiérrez en la Pontificia Universidad Católica de Chile y antigua investigadora posdoctoral del Centro de Genómica y Biología de Sistemas de la Universidad de Nueva York.
«La mayoría de las especies vegetales que caracterizamos en esta investigación no se habían estudiado antes. Como algunas plantas de Atacama están estrechamente emparentadas con cultivos básicos, como cereales, legumbres y patatas, los genes candidatos que identificamos representan una mina de oro genética para desarrollar cultivos más resilientes, algo necesario ante la creciente desertificación de nuestro planeta», afirma Gutiérrez.
El trabajo contó con el apoyo del Centro de Regulación Genómica del Fondo de Desarrollo de Áreas Prioritarias (FONDAP) de Chile y, en Estados Unidos, de la Fundación Familia Zegar y del programa de Investigación Biológica y Ambiental del Departamento de Energía.
