A genômica comparativa revela um nitrogênio único

Nature Communications volume 14, número do artigo: 4334 (2023) Citar este artigo

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A Asteraceae (família das margaridas) é uma das maiores famílias de plantas. A base genética para a sua elevada biodiversidade e excelente adaptabilidade não foi elucidada. Aqui, comparamos os genomas de 29 espécies de plantas terrestres, incluindo dois conjuntos de genoma de novo em escala cromossômica para alface, um membro de Asteraceae, e Scaevola taccada, um membro de Goodeniaceae que é um dos grupos externos mais próximos de Asteraceae. Mostramos que Asteraceae se originou há cerca de 80 milhões de anos e experimentou repetidas paleopoliploidizações. O PII, o regulador universal da assimilação de nitrogênio-carbono (NC) presente em quase todos os domínios da vida, perdeu-se visivelmente em Asteraceae. Enquanto isso, Asteraceae atualizou gradualmente o sistema de equilíbrio NC por meio de paleopoliploidização e duplicações em tandem de genes metabólicos importantes, resultando em maior absorção de nitrogênio e biossíntese de ácidos graxos. Além de sugerir uma base molecular para o seu sucesso ecológico, o sistema único de equilíbrio de NC relatado para Asteraceae oferece uma estratégia potencial de melhoria das culturas.

As angiospermas (plantas com flores) experimentaram uma rápida radiação terrestre e diversificação de espécies, tornando-se eventualmente ecologicamente dominantes antes do final do período Cretáceo, notoriamente caracterizado por Charles Darwin como “um mistério abominável”1. Em particular, as Asteraceae rivalizam com as Orchidaceae como a maior família de plantas com flores. As Asteraceae compreendem mais de 1.620 gêneros e 30.000 espécies e representam aproximadamente 10% de todas as espécies com flores (Figura 1 Complementar e Nota Complementar 1) . A riqueza de espécies de Asteraceae é muito maior do que a de famílias relacionadas na ordem Asterales, incluindo Calyceraceae (47 spp.), Goodeniaceae (430 spp.) e Menyanthaceae (60 spp.)3. Sendo a família ecologicamente mais bem-sucedida, com incrível diversidade e excelente adaptabilidade, seus membros ocorrem em quase todos os tipos de habitat do planeta, incluindo ambientes extremos, como desertos e salinas (Figura 1 suplementar)4. Outro exemplo que pode ilustrar a extraordinária adaptabilidade das Asteraceae é que as plantas desta família estão entre as três primeiras na lista de espécies globalmente invasoras (Figura 1 Complementar). O sucesso ecológico de Asteraceae é considerado relacionado à sua morfologia e fisiologia específicas. Por exemplo, a inflorescência característica (capitulo) contribui substancialmente para a radiação ecológica ao atrair insetos polinizadores que dependem fortemente desta família para se alimentar e reproduzir5. Os frutos semelhantes a aquênios (cipselas) com papinhos de cerdas promovem dispersão pelo vento ou fixam-se na pelagem ou plumagem dos animais2. Ambos os métodos de dispersão resultam em sementes que se espalham por uma distância maior do que a maioria dos outros tipos de sementes. Além disso, os frutanos do tipo inulina, em vez dos amidos, são os principais carboidratos de reserva nas Asteraceae e têm funções potenciais para aumentar sua capacidade de adaptação aos desafios ambientais6,7,8. No entanto, compreender progressivamente a diversificação explosiva e a adaptabilidade das Asteraceae ainda permanece um forte desafio para os biólogos.

A origem e evolução inicial das Asteraceae são inconclusivas e misteriosas. Os recentes estudos filogenéticos de Asteraceae usando novas evidências fósseis e uma amostragem mais ampla da família situaram sua origem em algum momento do final do período Cretáceo (69-89 milhões de anos atrás [MYA])2,5,9. A família era considerada relativamente jovem até recentemente (40-50 MYA) com base no seu registo fóssil existente, e este período de tempo é consistente com o fornecido pelos relógios moleculares2,10,11. Um evento de paleopoliploidização foi proposto e compartilhado por subfamílias próximas ao nó da coroa de Asteraceae, que foi considerado uma triplicação do genoma completo por análises genômicas recentes . Além disso, foram estimadas e previstas frequentes duplicações potenciais de genoma completo antigo (WGDs) dentro de várias tribos como uma força que impulsiona a evolução e aumenta a biodiversidade, considerando que as poliploidizações duplicam todos os genes simultaneamente e fornecem materiais genéticos abundantes para processos evolutivos, como a neofuncionalização, subfuncionalização e conservação genética devido aos efeitos da dosagem13,15. Os insights sobre a poliploidização permitem que a base genética de características específicas de Asteraceae se torne viável, investigando genomas de alta qualidade utilizando tecnologias de sequenciamento de ponta.