Durante años, los científicos estudiaron la evolución mediante experimentos pequeños y aislados. Estos trabajos ayudaron a comprender cómo cambian las especies, pero no mostraban con claridad qué ocurre cuando las plantas crecen durante varias generaciones en climas reales y muy diferentes entre sí.
Para enfrentar esa limitación, Moisés Expósito-Alonso, de la Universidad de California, Berkeley, trabajó con un gran equipo internacional. Juntos crearon la red GrENE y plantaron Arabidopsis thaliana en 30 regiones de Europa, Medio Oriente y América del Norte. Cada lugar tenía varios grupos de plantas creciendo bajo condiciones climáticas naturales.
La configuración permitió observar la evolución en tiempo real, en ambientes que iban desde condiciones alpinas hasta desérticas. El resultado principal ofrece una combinación de esperanza y alerta: las plantas pueden cambiar con rapidez, pero no siempre consiguen adaptarse cuando el clima se vuelve demasiado extremo.
Una planta pequeña en muchos climas
Arabidopsis thaliana es una planta pequeña de la familia de la mostaza y una especie habitual en la investigación científica. Crece rápido y tiene una genética sencilla, características que permiten a los investigadores seguir sus cambios con detalle.
La especie también crece en una amplia variedad de climas. En el estudio aparecen plantas de flores blancas creciendo en la arena de una playa cercana al mar Báltico, además de poblaciones establecidas en otros ambientes naturales. Esa amplitud climática ayudó a reunir una diversidad genética especialmente grande.
Los investigadores utilizaron 231 variedades naturales diferentes. Mezclaron sus semillas y plantaron todas las variedades juntas, creando una población muy diversificada. La diversidad genética es importante porque ofrece a las plantas más posibilidades de responder a las condiciones ambientales.
El diseño de GrENE-net comenzó con tubos que contenían aproximadamente 5.000 semillas mezcladas. Cada bandeja experimental recibió tres tubos, y las semillas se sembraron cada dos semanas durante el otoño de 2017 para asegurar el establecimiento de las plantas.
Cada lugar inició 12 bandejas como réplicas experimentales independientes. Un mapa registró 43 jardines o lugares donde los participantes comenzaron el experimento, pero 30 sitios completaron con éxito por lo menos una generación y produjeron datos genómicos.
La evolución ocurrió en pocos años
El estudio reveló que las poblaciones cambiaron su composición genética en apenas algunos años. Los científicos siguieron esos cambios mediante el análisis del ADN de miles de muestras de plantas, recogidas en series temporales durante los primeros tres años del experimento.
"Nuestras principales preguntas eran: ¿Cuál es la velocidad de la evolución? y ¿Cuándo dejará de ocurrir? Lo que pudimos demostrar es que ese ritmo, si existe suficiente diversidad genética, puede ser de tres, cuatro o cinco años", dijo Expósito-Alonso.
Los cambios genéticos tampoco fueron aleatorios en todos los lugares. Muchas variaciones siguieron patrones relacionados con el clima, y las plantas que crecían en ambientes semejantes mostraron cambios genéticos parecidos. Para los investigadores, esa repetición es una señal de que la selección natural tuvo un papel importante.
La red reunió datos de climas muy distintos. Entre los ejemplos se encuentran Würzburg, en Alemania, clasificado como un sitio continental húmedo, y Sde Boker, en el desierto del Néguev, en Israel, clasificado como un sitio desértico árido. Las curvas diarias de temperatura y las precipitaciones fueron registradas durante los primeros tres años, junto con fotografías de las poblaciones experimentales en Alemania e Israel durante la primavera de la primera temporada de crecimiento.
La recolección de tejido floral para la secuenciación genómica siguió un calendario de series temporales durante esos tres años. La densidad de las muestras se organizó a lo largo del año calendario, combinando los datos de todo el período.
El calor extremo puede cambiar el resultado
Las plantas se adaptaron bien en muchos lugares, pero no en todos. En las áreas extremadamente calientes, algunas poblaciones no sobrevivieron. En vez de mostrar cambios genéticos útiles y previsibles, presentaron alteraciones aleatorias y finalmente desaparecieron.
"En los ambientes más calientes, quizá los más representativos de los climas futuros bajo el calentamiento global, sobrevivieron las poblaciones con cambios evolutivos previsibles, mientras que aquellas con cambios genéticos caóticos se extinguieron", afirmó Expósito-Alonso.
Las poblaciones de climas rigurosos también tendieron a hacerse muy pequeñas. Una población menor tiene menos diversidad genética, lo que puede dificultar la adaptación posterior. El hallazgo es relevante para las especies que viven en áreas protegidas, porque incluso las plantas conservadas en parques naturales seguirán enfrentando los cambios climáticos locales.
"Todas esas especies que están bajo protección, por ejemplo, en parques naturales, todavía sufrirán los cambios climáticos locales, y necesitaremos elaborar algún tipo de estrategia para entender sus posibilidades de adaptación climática por sí solas, o quizá incluso ayudarlas", dijo Expósito-Alonso.
El experimento también mostró que las plantas de regiones cálidas tuvieron un mejor desempeño en lugares cálidos, mientras que otras tuvieron más dificultades. Algunas parcelas se instalaron en ciudades, como un grupo de 12 parcelas cerca de edificios de apartamentos en Colonia, Alemania.
Ese patrón refleja la adaptación local: las especies ya poseen características genéticas adecuadas para ambientes específicos. Sin embargo, algunas plantas procedentes de regiones cálidas tuvieron un mejor desempeño en condiciones ligeramente más frías. Esto sugiere que el cambio climático puede estar avanzando más rápido que la capacidad de adaptación de ciertas poblaciones.
Muchos genes trabajan juntos
Durante el experimento, los científicos estudiaron millones de cambios genéticos. Descubrieron que algunos genes se hicieron más comunes porque ayudaban a las plantas a sobrevivir mejor en determinados ambientes.
"Lo que probablemente estamos viendo es adaptación mediante variaciones genéticas preexistentes que se reutilizan de diferentes maneras. Si una variante es adaptativa en un ambiente, su frecuencia aumenta", dijo Xing Wu, autor principal del estudio.
Los especialistas también observaron que muchos genes trabajaban en conjunto, en lugar de que uno o dos genes explicaran toda la respuesta. A este patrón se lo denomina respuesta poligénica, en la que numerosos cambios pequeños se combinan para ayudar a la supervivencia.
Algunos genes importantes estuvieron relacionados con el estrés térmico, el momento de la floración y el comportamiento de las semillas. Esas características ayudan a las plantas a responder a las variaciones de temperatura y a los cambios estacionales.
El análisis de la evolución genómica incluyó un análisis de componentes principales de las frecuencias alélicas y de las muestras a lo largo de tres generaciones, con hasta 12 réplicas por lugar y 738 muestras. La población fundadora secuenciada, común a todos los experimentos, fue proyectada en ese espacio de análisis.
Los investigadores compararon lugares con repetibilidad evolutiva baja, intermedia y alta. En el nivel de los alelos, observaron las 100 frecuencias alélicas que aumentaron o disminuyeron con mayor rapidez. En el nivel de las variedades, analizaron las 231 accesiones, clasificadas según la temperatura de origen, desde las más frías hasta las más cálidas.
¿Puede predecirse quién sobrevivirá?
Una de las posibilidades más importantes del estudio es anticipar la supervivencia de una población. Al observar los primeros cambios genéticos, los investigadores pueden estimar si una población tiene más probabilidades de persistir en el futuro.
"Con el conocimiento que tenemos de nuestra Arabidopsis, podemos hacer suposiciones fundamentadas sobre quién sobrevivirá y en qué lugar", dijo Expósito-Alonso. Esa información podría ayudar a proteger especies amenazadas y orientar los esfuerzos de conservación.
El estudio evaluó la previsibilidad evolutiva mediante validación cruzada leave-one-out en 325 poblaciones de 30 jardines. También relacionó esas tendencias con el tamaño de la población a lo largo del tiempo, considerando el número total de individuos muestreados entre los años uno y tres.
En otro análisis, los científicos examinaron 16.656 bloques de desequilibrio de ligamiento. Calcularon, para cada alelo, la relación entre el cambio de frecuencia y la temperatura, y destacaron las principales asociaciones genéticas. También compararon trayectorias de frecuencia alélica en jardines calientes, por encima de 10 °C, y fríos, por debajo de 10 °C.
La temperatura media de origen de todas las accesiones fundadoras fue de 9,6 °C. Las regresiones logísticas relacionaron la previsibilidad de las tendencias evolutivas con la supervivencia en el primer, el tercer y el quinto año, con 325, 243 y 139 poblaciones, respectivamente, usando promedios por jardín.
Aunque hubo evolución rápida en diversos climas, las tendencias evolutivas fueron imprevisibles en una fracción de los jardines y de las réplicas. En los ambientes más calientes, la repetibilidad evolutiva de las primeras generaciones separó a las poblaciones persistentes de aquellas que se extinguieron.
El resultado sugiere la existencia de puntos de inflexión ecoevolutivos, en los que la selección extrema supera el potencial adaptativo. La adaptación climática rápida es posible gracias a la variación genética preexistente, pero aún es necesario entender qué condiciones ambientales, genéticas o específicas de cada especie establecen esos límites.
Una naturaleza que cambia sin parecer hacerlo
En una parte del estudio, Tatiana Bellagio explicó que algunas poblaciones mostraron evolución por deriva genética y cambios estocásticos, pero no una evolución impulsada por la selección natural o por las presiones climáticas naturales. Esas poblaciones con frecuencia desaparecieron después de algunos años.
"La naturaleza aparenta estabilidad a los ojos de los observadores humanos, pero los genotipos están en cambio constante. Poder observarlo es, de cierta manera, mi sueño", dijo Expósito-Alonso.
El investigador apareció con las dos autoras principales del nuevo estudio, Tatiana Bellagio y Xing Wu, mientras sostenía una bandeja de plántulas de Arabidopsis. En otros experimentos nuevos, la especie también creció en alta densidad en Gill Tract, en la Universidad de California, Berkeley, en Albany.
En Brixen im Thale, una ciudad de los Alpes de Kitzbühel, en el oeste de Austria, las parcelas de Arabidopsis thaliana aparecieron parcialmente cubiertas de nieve. Ese fue uno de los 30 lugares de investigación en Europa, Medio Oriente y Estados Unidos donde los biólogos plantaron 12 parcelas separadas para estudiar la evolución genética bajo la influencia del cambio climático.
El trabajo fue publicado en la revista Science. Sus resultados muestran que la evolución puede ser rápida y, en algunos casos, previsible. Pero también indican que esa capacidad tiene límites: cuando el calor y otras presiones ambientales se vuelven extremos, cambiar genéticamente no garantiza que una población sobreviva.
Para las especies silvestres, entender esos límites será cada vez más importante. Expósito-Alonso quiere estudiar este proceso en plantas silvestres a continuación, con la expectativa de observar cómo los genotipos cambian incluso cuando los paisajes parecen estables.
Reportaje: Anne Silva / Revista Amazônia
