Un novedoso estudio muestra que poblaciones de partida similares de plantas pueden evolucionar de forma muy rápida ante el cambio climático. Aunque la evolución tiende a seguir patrones parcialmente predecibles en condiciones climáticas parecidas —incluso cuando éstas son estresantes—, las plantas siguen dinámicas adaptativas distintas en condiciones climáticas diferentes a las que tenían en origen.
Publicado en Science y con participación de investigadores de ocho instituciones españolas entre las que se encuentran CREAF, CSIC, IICG-URJC, UGR, US y Grupo Tragsa, se basa en el análisis y seguimiento de la evolución en respuesta al cambio climático de 70000 individuos de variantes genéticas distintas de plantas Arabidopsis (en imagen) sembradas en 30 lugares de todo el mundo.
El trabajo, llevado a cabo por un consorcio internacional liderado por Moisés Expósito‑Alonso, de la Universidad de California, Berkeley, junto con los otros dos coordinadores del proyecto, François Vasseur (Centre d’Ecologie Fonctionnelle et Evolutive, CNRS) y J.F. Niek Scheepens (Goethe University Frankfurt), consistió en la realización de un ambicioso experimento en el que se sembraron simultáneamente, y siguieron durante cinco años, 360 pequeñas parcelas de Arabidopsis distribuidas en localizaciones de diversos tipos de climas, desde alpino hasta desértico. El experimento ha permitido identificar variantes genéticas asociadas con una adaptación exitosa a diferentes contextos ambientales, así como las condiciones bajo las cuales la capacidad evolutiva de las poblaciones se ve superada por la presión climática, conduciéndolas a la extinción.
Durante décadas, desde que los científicos reconocieron los posibles daños ambientales derivados del cambio climático, se han preguntado si las plantas pueden evolucionar lo suficientemente rápido como para adaptarse a un planeta que se calienta a gran velocidad.
La investigación destinada a comprender las respuestas rápidas de las especies va, irónicamente, a un ritmo lento, ya que normalmente se basa en experimentos únicos realizados por grupos de investigación aislados. No es el caso del reciente trabajo publicado en Science, que partió de la creación de una red de científicos colaboradores que desarrolló experimentos simultáneos durante cinco años en 30 localidades con climas diferentes de Europa Occidental, el Mediterráneo, Oriente Medio y Norteamérica. El estudio consistía en permitir que las plantas evolucionaran sin intervención, salvo quitar la competencia de plantas de otras especies que crecían espontáneamente.
El objetivo de este experimento único era desentrañar con qué rapidez evolucionarían las poblaciones — una mezcla genéticamente diversa — de la planta silvestre Arabidopsis thaliana — especie anual de la familia de las brasicáceas a la que también pertenecen la coliflor y la mostaza— bajo distintos estreses climáticos, que iban desde los Alpes nevados hasta el calor del desierto del Néguev, y desde áreas urbanas de Europa hasta el subtropical Austin en EEUU.
“Los datos sobre la velocidad de la evolución, junto con los cambios genéticos que acompañan a dicha evolución, son fundamentales para crear modelos que ayuden a identificar qué plantas y animales están en riesgo a medida que sus entornos cambian a su alrededor”, señala el autor principal del trabajo, Moisés Expósito-Alonso, investigador y profesor en la Universidad de California, Berkeley.
Las plantas van a seguir viéndose afectadas por los cambios en los climas locales por lo que es imprescindible idear algún tipo de estrategia para comprender sus posibilidades reales de adaptación climática, por sí mismas o mediante ayudas a la adaptación. Para garantizar su supervivencia es imperante generar datos cuantitativos que permitan comprender mejor la adaptación rápida y hacer predicciones, anticipar dónde están los riesgos, dónde podrían encontrarse los umbrales climáticos y en qué aspectos se debe prestar atención.
El primer análisis genómico de las muestras de plantas de 12 parcelas distintas en 30 localidades, es decir, 360 unidades experimentales independientes, muestra que, en la mayoría de los casos, las plantas evolucionaron genéticamente para adaptarse a las condiciones ambientales características de cada entorno. Sin embargo, algunas poblaciones experimentales, especialmente aquellas situadas en los climas cálidos más extremos, no mostraron ninguna señal de evolución temprana. En su lugar, exhibieron trayectorias aparentemente aleatorias que precedieron a su extinción.
El trabajo permite ver directamente, y por primera vez, cómo ciertas variantes de ADN —variantes adaptativas— llegan a dominar en determinadas poblaciones a medida que ocurre la evolución. Pero los investigadores también descubrieron que no todas las poblaciones se adaptaron con la suficiente eficacia como para sobrevivir, especialmente en los entornos más cálidos que, quizás, son los más representativos de los climas futuros. Esto revela que, aunque la adaptación rápida al cambio climático es posible, el calor extremo reduce las poblaciones a tamaños muy pequeños, donde la capacidad adaptativa disponible es muy baja y se precipita la extinción.
Un amplio consorcio, la red Genomics of rapid Evolution to Novel Environment (GrENE net), de alrededor de 75 científicos de EEUU, España, Noruega, Alemania, Suiza, Canadá, Grecia, Estonia, Polonia, Países Bajos, Francia e Israel desarrolló la investigación entre el otoño de 2017 y la primavera de 2022.
Como parte de su labor investigadora en instituciones españolas son coautores del trabajo publicado en Science: Carlos Alonso Blanco y Belén Méndez de Vigo Somolinos del Centro Nacional de Biotecnología (CNB-CSIC), Xavier Picó de la Estación Biológica de Doñana (EBD-CSIC), Anna Traveset del Instituto Mediterráneo de Estudios Avanzados (IMEDEA (CSIC-UIB), Modesto Berbel Cascales y Mohamed Abdelaziz de la Universidad de Granada (UGR), Arnald Marcer del Centre de Recerca Ecològica i Aplicacions Forestals (CREAF), Ana García Muñoz de la Universidad de Sevilla (US), Gema Escribano de Tragsatec y Alfredo García Fernández, José María Iriondo Alegría, Carlos Lara Romero y Martí March Salas del Instituto de Investigación en Cambio Global (IICG-URJC).
Adaptarse o morir
El objetivo no era solo medir la velocidad de la adaptación evolutiva de Arabidopsis, sino identificar las variantes alélicas dentro de una población que permiten la adaptación a un entorno cambiante. La expectativa era que la diversidad genética de la población de partida garantizara que, al menos, algunas plantas de cada parcela tuvieran la constitución genética que una población resiliente necesita para adaptarse a nuevas condiciones.
Para capturar los cambios en la composición genética, se muestrearon flores cada primavera y se secuenciaron conjuntamente los genomas de todas las plantas supervivientes de cada parcela. A partir de las secuencias de más de 70000 ejemplares supervivientes en más de 2500 muestras, se estimaron las frecuencias de millones de variantes genéticas (SNP) en cada población, lo que permitió identificar qué variantes aumentaban o disminuían con el paso del tiempo. Estas variantes génicas eran distintas en climas diferentes, pero similares entre climas parecidos, lo que ha demostrado la repetibilidad de estas adaptaciones.
La señal de que se trataba de una adaptación por selección natural —es decir, la supervivencia de las plantas mejor adaptadas al nuevo entorno— vino de que varias de las 12 parcelas situadas en cada ubicación mostraron cambios similares en la frecuencia de genes. Otra señal fue que varias de las 12 parcelas en dos localidades con entornos similares —por ejemplo, los matorrales secos de España y Grecia— mostraron cambios parecidos. Esto se observó en 24 de las 30 ubicaciones. Entre los genes más afectados se han encontrado aquellos que perciben el estrés térmico y otros que controlan el momento en que las plantas florecen.
Aunque algunos cambios genéticos eran teóricamente esperables en un experimento así, con abundante diversidad y una exposición climática severa, ha sido una sorpresa descubrir que la velocidad a la que cambiaban las frecuencias alélicas es mayor de lo que la mayoría de los biólogos habría predicho.
Además, no todas las parcelas mostraron adaptación evolutiva: algunas terminaron extinguiéndose. Como el equipo tomó muestras de cada una de las 360 parcelas anualmente durante varios años, pudieron documentar que aquellas que mostraron cambios genéticos aleatorios o no mostraron cambios genéticos en los primeros años del experimento acabaron desapareciendo.
Para que una población sobreviva a largo plazo mientras experimenta el cambio climático, lo más probable es que tenga que pasar por un proceso de selección natural. Esto implica que a menos que exista un rescate evolutivo —es decir, que haya genotipos con una mayor aptitud que se propaguen más e incrementen sus frecuencias alélicas—, la población no podrá mantener su tamaño después de cinco años, al menos en los entornos cálidos.
Un hallazgo adicional del estudio es que las plantas de Arabidopsis procedentes de zonas cálidas muestran ya un retraso de adaptación, es decir, viven mejor en ambientes aproximadamente 1,5°C más fríos que su propio lugar de origen, lo que sugiere que el calentamiento global acumulado hasta la fecha ha dejado a estas poblaciones ligeramente desajustadas respecto a sus climas actuales.
Deducciones basadas en conocimiento
Aunque cada especie podría necesitar su propio experimento a largo plazo para comprender sus vulnerabilidades genéticas, el conocimiento adquirido sobre Arabidopsis permite hacer algunas deducciones sobre qué poblaciones van a sobrevivir en cada localización. Es decir, este tipo de modelos, calibrados en una especie modelo y con una comprensión profunda del ritmo de la evolución y de la magnitud del desajuste ecológico debido a la adaptación y al cambio climático, podrían potencialmente ayudar a cientos o miles de especies.
El grupo de trabajo continúa realizando análisis y experimentos evolutivos, algunos de ellos con plantas diferentes a Arabidopsis. Una de las ambiciones a largo plazo es captar la evolución rápida en poblaciones naturales, observando directamente la variación genética de un año a otro en plantas silvestres que experimentan de forma natural las oscilaciones climáticas y el calentamiento global. Esto permitiría conocer por primera vez el ritmo constante de la evolución, que permanece oculto dentro de ecosistemas sanos y aparentemente estables. Incluso se podrían llegar a registrar los cambios genéticos repentinos desencadenados por una sequía o un incendio forestal, y poder diseñar medidas para proteger especies o mitigar efectos.
Artículo de referencia
X. Wu et al., Rapid adaptation and extinction in synchronized outdoor evolution experiments of Arabidopsis. Science 391, eadz0777(2026). DOI: 10.1126/science.adz0777