Picolé de pinheiro: Como os pinheiros resistem ao frio intenso?

Cientistas fazem estudo em escala genômica sobre adaptação ao frio entre espécies de pinheiros separadas há mais de 140 milhões de anos

Mesmo em condições ambientais semelhantes, é comum encontrarmos seres vivos muito diferentes, com estruturas que, apesar de distintas em suas origens, cumprem funções similares. Esse processo é conhecido como evolução convergente, ou convergência evolutiva. Em linhas gerais, evolução convergente é o nome dado ao processo que leva à evolução de características fenotípicas distintas que cumprem funções semelhantes em diferentes organismos, sob pressões ambientais semelhantes. São muitos os exemplos de evolução convergente na natureza. Mas um dos exemplos mais fascinantes de convergência evolutiva é a evolução da carnivoria em plantas. Hoje, é amplamente aceito que a capacidade de se alimentar de pequenos animais evoluiu de maneira independente pelo menos cinco vezes ao longo da história das angiospermas, nas ordens Ericales, Lamiales, Oxalidales, Poales e Caryophyllales, totalizando pelo menos 583 espécies de plantas carnívoras.

Apesar de morfologicamente distintas, essas plantas possuem mecanismos semelhantes, que incluem, por exemplo, armadilhas para captura a partir de folhas modificadas, glândulas e enzimas para a digestão da presa, e mecanismos de absorção dos nutrientes em regiões especializadas da folha. A evolução do hábito carnívoro contribui para o suprimento de alimentos para a planta e está ligada, em geral, a ambientes de solos pobres. Nesses ambientes, a carnivoria aumenta o suprimento de nutrientes a partir da ingestão dos nutrientes fornecidos pelas presas.

picture1
Figura 1: Convergência evolutiva da carnivoria em 5 grupos de plantas. Sentido horário: Sarracenia oreophila (Ericales; Fonte: Noah Elhardt, Wikipedia), Pinguicula moranensis (Lamiales; Fonte: Noah Elhardt, Wikipedia), Dionaea muscipula (Caryophyllales; Fonte: Wikipedia), Brocchinia reducta (Poales; Fonte: Christian Hummert, Wikipedia), Cephalotus follicularis (Oxalidales; Fonte: Holger Hennern, Wikipedia)

Com o melhor entendimento das bases moleculares da evolução de características fenotípicas, um dilema rapidamente surgiu: a convergência evolutiva de características fenotípicas implica a convergência de mecanismos moleculares subjacentes à essas características? Ou seja, será que os mecanismos empregados pelas plantas para atingir esses fins são os mesmos? Enquanto a complexidade da estrutura e do funcionamento da maior parte dos genomas sequenciados aponta para um número quase ilimitado de possíveis caminhos para a evolução de características fenotípicas semelhantes, é possível também que apenas um número limitado de mutações ocorra em linhagens independentes, tornando a convergência molecular um processo relativamente comum.

Evidências que apoiam ambos os lados do debate sobre a previsibilidade dos processos moleculares subjacentes a convergência são abundantes na literatura. Por exemplo, Feldman e colaboradores (2012) encontraram modificações semelhantes em proteínas que conferem resistência a tetrodotoxina, um veneno letal, em seis espécies distintas de serpentes. Por sua vez, Natarajan e colaboradores (2016), estudando diferentes linhagens de pássaros que vivem em grandes altitudes, encontraram modificações distintas na hemoglobina, todas resultando em um aumento da afinidade dessa proteína ao gás oxigênio.

Apesar dos debates, seria esperado que a evolução convergente de mecanismos moleculares fosse muito menos comum em pelo menos duas situações: quando se tratasse de traços poligênicos ou de espécies muito distantes evolutivamente. Os recentes avanços nas técnicas de sequenciamento do DNA viabilizaram o sequenciamento de inúmeros genomas completos e permitiram o avanço dos estudos da convergência ao nível genômico. Um exemplo desses estudos é a convergência evolutiva encontrada no genoma de 17 linhagens de Salmonella enterica e 22 linhagens de Escherichia coli envolvendo genes relacionados à patogenicidade. Já Gallant e colaboradores (2014), estudando os órgãos elétricos em linhagens distintas de peixes, encontraram semelhanças marcantes no uso de diversos fatores de transcrição durante o desenvolvimento desses órgãos, apoiando a ideia de que traços poligênicos podem evoluir independentemente a partir de bases moleculares semelhantes.

Recentemente, um estudo publicado na revista Science identificou diversos genes envolvidos na adaptação local ao frio em duas espécies de pinheiro separadas por mais de 140 milhões de anos de evolução. Há 140 milhões de anos, dinossauros ainda habitavam a Terra e faltariam ainda 10 milhões de anos para que as primeiras plantas com flores (angiospermas) surgissem. E foi há apenas 6 milhões de anos que os humanos divergiram dos bonobos…

Assim como muitas outras espécies de pinheiros, as estudadas por Yeaman e colaboradores (Pinus contorta e Picea glauca x engelmannii) apresentam padrões de adaptação local relacionados, principalmente, à tolerância ao congelamento e à competição por luz.

picture2
Figura 2: Pinus contorta (à esquerda) e Picea engelmannii x glauca (à direita) , duas espécies de pinheiro separadas por 140 milhões de anos de evolução, co-ocorrem no oeste do Canadá em diversos ambientes (Fonte: Angela M. Hancock, Science 353, 2016).

Para realizar esse trabalho, os pesquisadores amostraram indivíduos de mais de 250 populações de pinheiros ao longo da sua distribuição geográfica e sequenciaram seus imensos genomas (~20 bilhões de pares de bases, 20Gb). Além disso, mais de 17 características fenotípicas foram estudadas, a partir do crescimento das plantas em estufas controladas. Ainda, os autores analisaram 22 variáveis ambientais, avaliando como as variações fenotípicas e ambientais se correlacionavam a variações no genoma. Ao todo, os resultados apontam para 47 genes associados a adaptações à variação de temperatura e à resistência ao frio que são compartilhados entre ambas as espécies. Assim, esse estudo apoia a idéia de que os mecanismos moleculares subjacentes a adaptações à temperatura em pinheiros envolvem um conjunto limitado de genes que atuam de forma semelhante nas espécies estudadas, a despeito de milhões de anos de evolução independente.

É interessante perceber que o estudo de exemplos como o que discutimos nesta postagem fornece uma possibilidade ímpar de entendermos as restrições presentes durante a evolução de traços adaptativos. A complexidade observada nos genomas sequenciados até então seria capaz de gerar possibilidades infinitas para adaptações a mudanças ecológicas? Seríamos capazes de, algum dia, prever as possibilidades adaptativas de um grupo de organismos frente às mudanças ambientais que observamos hoje? Muitos outros estudos ainda são necessários para que tenhamos um maior entendimento dos mecanismos moleculares da evolução convergente, mas estamos em uma época cheia de possibilidades, na qual a imaginação (e, claro, o financiamento das pesquisas) é o limite.

Ana Almeida (UFBA e California State University East Bay )

PARA SABER MAIS:

Chattopadhyay, S.; Taub, F.; Paul, S.; Weissman, S.J.; Sokurenko, E.V. 2013.  Microbial Variome Database: Point mutations, adaptative or not, in bacterial core genomes. Molecular Biology and Evolution, 30(6):1465-1470.

Groen, S.C.; Purugganan, M.D. 2016. Systems genetics of plant adaptation to environmental stresses. American Journal of Botany, 103: 2019-2012.

Kryazhimskiy, S.; Rice, D. P.; Jerison, E.R.; Desai, M.M. 2014. Global epistasis makes adaptation predictable despite sequence-level stochasticity. Science, 344: 1519-1522.

Losos, J.B. 2011. Convergence, adaptation, and constraint. Evolution, 65(7): 1827-1840.

Stern, D.L. 2013. Genetic causes of convergent evolution. Nature Review Genetics, 14: 751-764.

 

Deixe um comentário

Preencha os seus dados abaixo ou clique em um ícone para log in:

Logotipo do WordPress.com

Você está comentando utilizando sua conta WordPress.com. Sair /  Alterar )

Foto do Google+

Você está comentando utilizando sua conta Google+. Sair /  Alterar )

Imagem do Twitter

Você está comentando utilizando sua conta Twitter. Sair /  Alterar )

Foto do Facebook

Você está comentando utilizando sua conta Facebook. Sair /  Alterar )

w

Conectando a %s