Flor-mono, la hierba que podría ser la clave de las rayas de cebra y otros misterios biológicos

La pasión de Yaowu Yuan (un profesor en el departamento de Ecología y Biología Evolutiva de la Universidad de Connecticut, EE UU) por las flores mono comenzó en 2004 con una presentación de diapositivas. Luego, un taxonomista de plantas en ciernes en la Universidad de Washington en Seattle y un ávido excursionista, se sorprendió de la variedad de flores silvestres que vio en sus salidas en las montañas Cascade. Al igual que Charles Darwin, estaba molesto por lo que Darwin llamó un misterio abominable: ¿cómo generó la naturaleza tanta diversidad de colores y formas de flores? Durante un seminario en el campus, Yuan encontró una planta que pensó que podría dar respuestas. 

El biólogo molecular de plantas de la Universidad de Washington, "Toby" Bradshaw y su estudiante graduado, mostraron diapositivas que documentan tanta diversidad floral dentro de una sola especie de flor-mono como Yuan había visto en los prados y en los cauces de las cascadas, todo generado por la mutación del genoma de esta especie también denominada Mimulus.

La revelación cambió el curso de la investigación de Yuan porque se dio cuenta de que tales mutantes podrían conducir a una mejor comprensión del desarrollo de las flores en todas las plantas. Desde que comenzó a trabajar en la facultad de la Universidad de Connecticut (UConn) en Storrs hace 6 años, ha estado rastreando genes que controlan el color, la forma, el tamaño y otros rasgos en las flores Mimulus, y eso puede tener efectos similares en otras plantas. Y está lejos de ser el único científico que ha caído bajo el hechizo de una planta mejor conocida como mala hierba que prospera donde pueden crecer pocas plantas, incluso otras malezas, alrededor de minas de cobre abandonadas y aguas termales y en otras plantas inhóspitas cargadas de minerales. suelo.

Al igual que el caballo de batalla de laboratorio tradicional de los científicos de plantas, la hierba de mostaza Arabidopsis thaliana, las flores mono crecen rápido, producen muchas semillas y tienen un genoma simple, rasgos atractivos para estudios de laboratorio, pero su explosión de colores y formas de flores, diversos estilos de vida y resistencia extraordinaria (contrastes dramáticos a la modesta Arabidopsis) han seducido a los investigadores que estudian la evolución y las adaptaciones de las plantas. "Puedes usar Mimulus para estudiar rasgos que ni siquiera existen en Arabidopsis", dice Yuan.

Más de 40 laboratorios ahora se centran en miembros seleccionados de Mimulus, un número que se ha duplicado en la última década, dice Andrea Sweigart, genetista evolutivo de la Universidad de Georgia en Atenas. La National Science Foundation (NSF) ha financiado proyectos individuales de evolución y ecología con Mimulus y, más recientemente, apoyó un esfuerzo de $ 1 millón para desarrollar técnicas eficientes para alterar los rasgos en esas plantas.

"Una comunidad de investigación grande, organizada y en crecimiento está utilizando este sistema", dice el genetista evolutivo Theodore Morgan, un oficial de programas de NSF en Alexandria, Virginia. Una reunión sobre la flor mono en Providence en junio atrajo a unos 70 biólogos, más del triple del número que asistió al primero hace 13 años. El número de publicaciones sobre Mimulus aún no es enorme, alrededor de 425, pero esa cifra ha crecido rápidamente en la última década.

Algunos investigadores están explorando las adaptaciones inusuales propias de las flores mono, pero otros científicos están convirtiendo las flores en una ventana sobre procesos biológicos generalizados. Yuan, por ejemplo, recientemente se asoció con otro laboratorio para usar mutantes Mimulus con patrones de color de pétalos extraños para proporcionar el ejemplo más detallado hasta el momento del escenario del matemático Alan Turing sobre cómo surgen en la naturaleza rayas de cebra, manchas de leopardo y algunos patrones florales. Otro equipo que examinó la mutación de las flores mono a medida que crecen reveló un mecanismo que puede permitir que muchas plantas evolucionen más rápido que los animales.

El campo incluso puede tener su primera controversia seria: algunos investigadores están rechazando una revisión reciente del árbol genealógico de mono flor que divide las más de 100 especies de Mimulus en múltiples géneros, creando confusión en la literatura científica al renombrar las especies de flor mono más estudiadas. La pasión de los investigadores es una medida del entusiasmo que despierta la nueva planta modelo. Un oponente del nuevo árbol, John Willis, un genetista evolutivo de la Universidad de Duke en Durham, Carolina del Norte, dice rotundamente: "No lo vamos a soportar más".

Los científicos de laboratorio no son los primeros fascinados por la Mimulus, que se encuentra en todo el mundo, a menudo en los lugares más duros, como las islas desnudas de suelo "serpentino" que salpican los bosques de las montañas de Sierra Nevada de California. Los ecologistas de plantas han realizado estudios de campo de Mimulus salvaje durante 80 años. El año pasado, por ejemplo, los investigadores documentaron poblaciones de Mimulus guttatus que contienen una mezcla de individuos con diferentes tiempos de floración, tamaños de flores y número de semillas producidas. 

En la reunión sobre las Mimulus de junio, Willis reveló una pista importante sobre otro misterio de la flor mono: la afinidad de las plantas por los suelos serpentinos. Debido a que derivan de la roca del manto de la Tierra, esos suelos son ricos en hierro y magnesio pero bajos en potasio y calcio, de los cuales las plantas dependen para mantener sus paredes celulares. Los suelos también tienden a tener poco nitrógeno, vital para las plantas, pero muchos metales pesados ​​tóxicos, como el níquel y el cromo.

Willis y su compañera Jessica Selby recientemente cruzaron flores de mono tolerantes a serpentinas con versiones de la planta que no estaban creciendo en suelo serpentino. El dúo probó varias generaciones para identificar el ADN importante para el rasgo. Para reducir la búsqueda de genes relevantes, Selby recolectó especímenes de M. guttatus de suelos serpentinos en siete lugares de California y Oregon y comparó su ADN con el de las poblaciones de M. guttatus que viven cerca, en un suelo más rico.

Ambos enfoques apuntaban a un gen para una enzima que produce arabinosa, un azúcar que se encuentra principalmente en la pared celular de la planta, informó Willis. Ese gen varía entre las plantas de M. guttatus, pero cada planta que puede crecer en suelos serpentinos tiene la misma mutación. Puede alterar la forma en que la arabinosa interactúa con otros componentes de la pared celular, compensando de alguna manera el bajo contenido de calcio y magnesio y manteniendo intactas las paredes celulares, una idea que el equipo de Willis está probando con investigadores de la Universidad de California (UC), Berkeley y la Universidad de Stanford.

Además de probar la propia biología especial de las flores mono, los investigadores los están utilizando para obtener lecciones más generales sobre plantas y animales. Tomemos el trabajo de Yuan y Blackman sobre los patrones de color. El laboratorio de Benjamin Blackman, un biólogo evolutivo de UC Berkeley estudió originalmente los girasoles, pero la M. guttatus le solicitó que estudiara las bases genéticas de los patrones porque su genoma simple había sido secuenciado, lo que facilita probar el papel de genes y proteínas particulares modificando genéticamente la planta. Independientemente, él y Yuan se centraron en la misma proteína, que pensaron que podría ser la clave para los patrones de color de las flores.

Yuan había rastreado recientemente el gen que hace que aparezca pigmento rojo en el pétalo amarillo inferior de algunas flores de Mimulus. El rojo generalmente aparece como una banda de motas, que sirve como una "guía de néctar" para los polinizadores entrantes. Muchos tipos de coloración en plantas y animales son el resultado de una red de proteínas que activan genes de pigmento en lugares y momentos específicos del cuerpo, pero Yuan y Blackman se preguntaron si las manchas de flor de mono podrían generarse a través de un mecanismo de diseño propuesto en la década de 1950 por Turing, quien es mejor conocido por romper el código enigma de los alemanes en la Segunda Guerra Mundial, pero también era un biólogo teórico.

Turing predijo que algunos patrones emergen de la difusión natural y las interacciones de proteínas cuyas concentraciones regulan la producción de cada uno. Para las manchas, cuando se activa el gen que codifica el "activador" de la producción de pigmento de una célula, la proteína activadora estimula su propia producción y la de una proteína "represora", que se difunde más allá de la mancha pigmentada. Esa segunda molécula apaga cualquier activador en las células circundantes, causando un halo blanco, pero el represor se diluye más a medida que viaja, y finalmente pierde su efecto. Entonces el activador puede encenderse y puede formarse una nueva mancha de color. Los patrones de color emergen dependiendo de las diferencias en las tasas de difusión de las dos proteínas.

Los biólogos han asumido durante mucho tiempo que el mecanismo de Turing es responsable de las rayas de cebra y las manchas de leopardo y tal vez incluso de las guías de néctar de flores de mono. De hecho, Yuan había identificado una proteína de la flor mono que podría servir como activador, pero nadie había identificado un sistema activador-represor completo involucrado en patrones periódicos de pigmentación.

Blackman, sin embargo, había notado una pista en algunos M. guttatus salvajes: carecían de manchas o solo tenían un gran parche rojo que él llamó lengua, lo que sugiere que faltaba parte del sistema. Independientemente, Yuan descubrió una variedad similar de lengua roja entre los mutantes que hizo en otra especie de Mimulus. Cuando se enteraron del trabajo del otro, los dos unieron fuerzas y, en la reunión sobre las Mimulus de junio, informaron que usaron las variedades de lengua roja para rastrear una proteína denominada R3-MYB, la contraparte represora de la proteína activadora ya conocida.

Para confirmar que la R3-MYB realmente actuó como represor, Yuan y Blackman utilizaron herramientas moleculares para bloquear su producción. Yuan confió en la interferencia de ARN, mientras que el equipo de Blackman alistó CRISPR, el primer uso de la tecnología de edición del genoma en la flor Mimulus. Según Blackman, ambas técnicas condujeron a lenguas rojas llenas en los pétalos de las plantas, testimonio vivo de que el mecanismo que Turing hipotetizó puede explicar parte del tapiz de la naturaleza. "Este trabajo muestra cómo la Mimulus puede proporcionar una visión amplia de los procesos que dan forma a la biodiversidad", dice Sweigart.

Justo cuando los investigadores están acudiendo en masa a las flores mono, éstas pueden dispersarse, al menos taxonómicamente. Una evaluación de 2012 del árbol genealógico de las Mimulus colocó algunas de las especies de flores mono mejor estudiadas en otros géneros. Por ejemplo, el popular M. guttatus ahora se llama Erythranthe guttata. El mismo género Mimulus mantuvo solo siete especies del original de más de 165. Adoptar nuevas designaciones para muchas especies de Mimulus conducirá al caos en la literatura científica, dicen algunos investigadores en el campo.  @mundiario