Resolvendo o abominável mistério evolucionário das angiospermas

As angiospermas, comumente referidas como plantas com flores, são os seres vivos do Reino Plantae que dominaram a maior parte dos ecossistemas terrestres, mas como elas obtiveram tanto sucesso em tão pouco tempo é considerado um dos mais profundos mistérios na área da evolução biológica. Agora, pesquisadores conseguiram encontrar a chave para resolver esse mistério, em um novo estudo publicado na PLOS ONE.


OTIMIZAÇÃO CELULAR

A abrupta origem e rápida diversificação dessas plantas durante o Cretáceo têm sido há muito tempo considerado um 'mistério abominável'. Darwin, por exemplo, era bastante perturbado por esse fato, e até mesmo chegou a temer que isso enfraquecesse sua teoria da evolução das espécies.

Enquanto a causa da alta diversificação das angiospermas é atribuída em grande parte à coevolução com polinizadores e herbívoros - via frutos e flores -, a habilidade delas de ganhar a competição contra as previamente dominantes gimnospermas (plantas vasculares que possuem sementes não protegidas por frutos, como os pinheiros) e as samambaias (classe Polypodiopsida) é alvo de várias hipóteses.

A produtividade terrestre das plantas é principalmente determinada pela capacidade fotossintética das folhas. A principal enzima na fotossíntese, rubisco, possui um baixo funcionamento quando o CO2 é limitado, o que cria a necessidade de que as concentrações desse gás nos espaços intercelulares das folhas sejam mantidas dentro de um limitado espectro mínimo através de ajustes na superfície condutora das folhas para o CO2 e vapor de água. Essa superfície de condução é uma das grandes limitações biofísicas nas taxas fotossintéticas entre todas as plantas terrestres. Para aumentar a superfície de contato com a atmosfera no intuito de absorver mais CO2, isso aumenta também a perda de água para o ar, o que pode levar uma perigosa dissecação para a planta.

Nesse sentido, tanto a teoria quando dados empíricos sugerem que entre todas as clades de plantas terrestres, o limite superior de condução superficial nas folhas para CO2 e vapor de água é intimamente ligado às limitações biofísicas do tamanho celular. A alometria celular, em particular a escala do tamanho genético, volume nuclear e o tamanho das células representam uma restrição física direta no número de células que podem ocupar um dado espaço e, como resultado, na distância entre os tipos de células e tecidos. Devido ao fato de que as folhas com várias pequenos estômatos e uma alta densidade de veias podem manter maiores taxas de trocas gasosas do que as folhas com menos e menores estômatos e menos veias, variação no tamanho celular pode levar a grandes mudanças no potencial de ganho carbônico .

Mas sem redução do tamanho celular, aumentos estomatais e da densidade vascular iriam deslocar outros importantes tecidos, como células mesofílicas fotossintéticas. Portanto, a densidade de estômatos na superfície das folhas e as veias dentro das folhas são inversamente relacionadas aos tamanhos das células e aos elementos principais do xilema que os compreendem.

Enquanto numerosos fatores podem influenciar o tamanho final das células somáticas eucarióticas, o tamanho mínimo das células meristemáticas e a taxa de produção fotossintética são fortemente limitados pelo volume nuclear, mais comumente medidos como o tamanho do genoma. Entre as plantas terrestres, a massa genética contida nas células varia por três ordens de magnitude, com as angiospermas exibindo ambos os maiores e menores valores absolutos de tamanho genômico - por causa da alta plasticidade genético ao longo do curso evolucionário, marcado por sucessivos eventos de duplicação e encurtamento genômicos. Duplicações inteiras de genoma e subsequente rearranjos genômicos, incluindo encurtamento do genoma, são tidos como contribuintes diretos para a grande diversidade de características anatômicas, morfológicas e fisiológicas das angiospermas.

EXPLICANDO O SUCESSO DAS ANGIOSPERMAS

Usando uma combinação de anatomia, citologia e modelamento do transporte de líquidos e trocas gasosas entre as folhas e a atmosfera, pesquisadores em um recente novo estudo publicado na PLOS ONE forneceram fortes evidências de que o sucesso e a rápida disseminação das angiospermas ao redor do mundo foram o resultado de um rápido encurtamento do genoma. Um menor volume do genoma permite a construção de menores células que, por sua vez, permite um maior aproveitamento de CO2 e ganho carbônico fotossintético.

Os pesquisadores mostraram que o encolhimento genômico entre as plantas ocorreu apenas entre as angiospermas durante o Cretáceo, dando claras evidências de que esse foi um pré-requisito necessário para as rápidas taxas de crescimento entre os representantes terrestres do Reino Plantae. De acordo com os resultados analíticos entre diversas espécies de plantas angiospermas, gimnospermas e samambaias, o tamanho do genoma variou substancialmente entre elas e foi um forte parâmetro de previsão para as características anatômicas, mesmo levando em conta o parentesco filogenético entre as espécies.

Espécies com os menores genomas tinham menores, mais numerosos estômatos e maior densidade de veias. O tamanho genômico explicou entre 31% e 54% das variações interespecíficas em tamanho celular, densidade estomatal e densidade de veias entre os principais grupos de plantas terrestres, e tanto análises filogenéticas e não-filogenéticas mostraram uma coordenação evolucionária dessas características ao longo da história das plantas com sementes. Em outras palavras, quanto menor o tamanho do genoma alcançado pelas angiospermas, mas mantendo importantes sequências genéticas, maior a otimização da fotossíntese.

Nisso os pesquisadores também mostraram que o período de rápida expansão e dominância das angiospermas de 165 milhões de anos atrás até 60 milhões de anos atrás durante o Cretáceo coincidiu com um repentino surgimento dessas características ligadas ao encolhimento do genoma entre essas plantas, algo não visto com as gimnospermas e samambaias.

Ou seja, as rápidas mudanças positivas que surgiram nas angiospermas não estavam ligadas somente ao surgimento de novos genes e, sim, ao melhor aproveitamento biofísico do espaço celular a partir do menor volume genético, permitindo um maior rendimento dos processos fotossintéticos e acumulação de biomassa, algo de especial importância durante o Cretáceo, quando os níveis de CO2 na atmosfera sofreram uma redução.

No final, temos que enquanto a duplicação genômica foi importante para as angiospermas conseguirem diversas características adaptativas únicas, o rápido encurtamento após esses eventos de aumento do tamanho genômico também foram de essencial importância para manter os uma taxa fotossintética otimizada, garantindo o enorme sucesso evolucionário das angiospermas.


Artigo Recomendado: A Evolução Biológica é um FATO

Publicação do estudo: PLOS ONE

Referências adicionais:
1. https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/27206462
2. http://rspb.royalsocietypublishing.org/content/282/1820/20152289
3. http://ri.conicet.gov.ar/bitstream/handle/11336/31909/CONICET_Digital_Nro.f5d6e3ac-a66a-4b3f-983a-f5230119237e_A.pdf