O genoma da planta de estufa ruibarbo nobre (Rheum nobile) fornece uma janela para a adaptação alpina

Aug 22, 2023

Biologia das Comunicações, volume 6, número do artigo: 706 (2023) Citar este artigo

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As plantas de estufa são espécies que retêm o calor por meio de morfologia e fisiologia especializadas, imitando uma estufa humana. Na região alpina do Himalaia, a morfologia da estufa altamente especializada evoluiu independentemente em linhagens distintas para se adaptar à intensa radiação UV e à baixa temperatura. Aqui demonstramos que a estrutura da estufa – folhas caulinarias especializadas – é altamente eficaz na absorção de luz UV, mas na transmissão de luz visível e infravermelha, criando um microclima ideal para o desenvolvimento dos órgãos reprodutivos. Revelamos que esta síndrome de estufa evoluiu pelo menos três vezes de forma independente no gênero ruibarbo Rheum. Relatamos a sequência do genoma da principal planta de estufa Rheum nobile e identificamos os principais módulos da rede genética em associação com a transição morfológica para folhas de estufa especializadas, incluindo biogênese ativa da parede celular secundária, biossíntese de cutina cuticular regulada positivamente e supressão da fotossíntese e biossíntese de terpenóides. A organização distinta da parede celular e o desenvolvimento da cutícula podem ser importantes para a propriedade óptica especializada das folhas de estufa. Descobrimos também que a expansão dos LTRs provavelmente desempenhou um papel importante na adaptação do ruibarbo nobre a ambientes de grande altitude. Nosso estudo permitirá análises comparativas adicionais para identificar a base genética subjacente à ocorrência convergente da síndrome da estufa.

A elevação terciária e quaternária das montanhas expôs os organismos às exigentes condições alpinas e acelerou a evolução das biotas alpinas1,2. As plantas responderam aos ambientes alpinos adversos com um elevado grau de especialização1,3, dando origem a diversas formas de vida, incluindo plantas almofadadas, rosetas gigantes e suculentas3. Nas regiões do Himalaia, a zona alpina temperada mais rica em espécies do mundo, morfologias especializadas evoluíram em resposta a condições ambientais hostis, incluindo baixas temperaturas, elevada radiação solar, ventos fortes e uma curta estação de crescimento1. Morfologias especializadas incluem plantas lanosas (plantas cobertas por densos pêlos lanosos), plantas onduladas (plantas com flores voltadas para o solo) e plantas de estufa. As plantas de estufa são talvez as mais marcantes, com inflorescências protegidas por folhas semitranslúcidas que criam um interior mais quente e podem ser comparadas ao vidro de uma estufa4,5,6. A planta alpina mais proeminente do Himalaia é o ruibarbo nobre [Rheum nobile Hook.f. & Thomson, Polygonaceae)], que é a principal planta de estufa adaptada a altitudes elevadas (>4000 m)7.

Em contraste com os concorrentes simpátricos que geralmente são anões ou prostrados, o ruibarbo nobre atinge alturas de até 2 m quando em floração, tornando-se altamente visível na região alpina. A notável morfologia semelhante a uma estufa foi considerada essencial para as plantas lidarem com baixas temperaturas e forte radiação UV em altitudes elevadas8,9,10. Esta característica adaptativa também foi considerada importante para o mutualismo entre as plantas e os mosquitos polinizadores do fungo Bradysia, consumidores de sementes, fornecendo abrigo para a oviposição de adultos e o desenvolvimento de larvas .

Elucidar a base genética das características adaptativas é um objetivo central da genética evolutiva14. A modificação genômica associada à adaptação a altitudes elevadas foi bem documentada em animais15, mas foi menos explorada em plantas em relação à alta diversidade da flora alpina. Mas, como plantas icónicas da paisagem alpina, as plantas de estufa tornaram-se o foco de maiores interesses ecológicos e evolutivos8,10,12,13,16,17,18,19. Estudos sobre a função ecológica das estruturas especializadas das plantas alpinas, como a copa das folhas em forma de almofada20,21,22,23, folhas peludas e inflorescências24,25,26, brácteas folhosas8,12,13 e capítulos ondulantes27,28 revelaram que essas características são particularmente eficientes na retenção de calor. Por exemplo, a temperatura dentro da copa das folhas da planta almofada Silene acaulis (L.) Jacq. é normalmente 15 °C superior à temperatura ambiente durante os dias claros de verão20. Tais benefícios térmicos são essenciais para o crescimento, desenvolvimento, metabolismo e reprodução de plantas que habitam os ambientes consistentemente frios e ventosos das regiões alpinas25. Além disso, presume-se que a orientação descendente das flores e das folhas em forma de estufa seja útil na proteção das partes reprodutivas sensíveis da radiação UV e das tempestades frequentes10,12,13,27,28,29. Apesar do grande progresso na compreensão da ecologia funcional destes extremófilos, a base genética que facilita a sua fascinante adaptação é pouco compreendida, devido à falta de informação genómica.