Laura Castro 
Este artículo fue publicado originalmente por Revista conocida.
Hacia fines del siglo XIX, comenzaron a aparecer historias espeluznantes de plantas asesinas en todas partes. Terribles árboles que agitaban tentáculos arrebataron y se tragaron a los viajeros desprevenidos en tierras lejanas. Profesores locos criaban monstruosas droseras y plantas de jarra sobre bistec crudo hasta que sus hambrientas creaciones se volvían y se las comían también.
El joven Arthur Conan Doyle se acercó más a la ciencia en una historia que presentaba al carnívoro favorito de todos, Venus atrapamoscas. Basándose en revelaciones botánicas completamente nuevas en ese momento, describió con precisión las trampas de dos lóbulos, la forma en que capturaban insectos y cuán minuciosamente digerían a sus presas. Pero incluso sus trampas para moscas eran increíblemente grandes, lo suficientemente grandes como para sepultar y consumir a un humano. Las plantas carnívoras y devoradoras de hombres estaban teniendo un momento, y por eso puedes agradecer a Charles Darwin.
Hasta los días de Darwin, la mayoría de la gente se negaba a creer que las plantas comieran animales. Iba contra el orden natural de las cosas. Los animales móviles comían; las plantas eran comida y no podían moverse; si mataban, solo debía ser en defensa propia o por accidente. Darwin pasó 16 años realizando minuciosos experimentos que demostraron lo contrario. Mostró que las hojas de algunas plantas se habían transformado en ingeniosas estructuras que no solo atrapaban insectos y otras pequeñas criaturas, sino que también los digerían y absorbían los nutrientes liberados de sus cadáveres.
En 1875, Darwin publicó Plantas insectívoras, detallando todo lo que había descubierto. En 1880, publicó otro libro que rompe mitos, El poder del movimiento en las plantas. La comprensión de que las plantas pueden moverse y matar inspiró no solo un género de historias de terror muy popular, sino también generaciones de biólogos ansiosos por comprender las plantas con hábitos tan inverosímiles.
Hoy en día, las plantas carnívoras están teniendo otro gran momento a medida que los investigadores comienzan a obtener respuestas a uno de los grandes acertijos sin resolver de la botánica: ¿cómo evolucionaron las plantas con flores típicamente amables hasta convertirse en carnívoras asesinas?
Desde los descubrimientos de Darwin, los botánicos, ecologistas, entomólogos, fisiólogos y biólogos moleculares han explorado todos los aspectos de estas plantas que ahogan a sus presas en cántaros llenos de líquido, las inmovilizan con hojas adhesivas de “papel matamoscas” o las aprisionan en trampas de presión y trampas de succión subacuáticas. . Han detallado lo que las plantas atrapan y cómo, además de algunos de los beneficios y costos de su peculiar estilo de vida.
Más recientemente, los avances en la ciencia molecular han ayudado a los investigadores a comprender los mecanismos clave que sustentan el estilo de vida carnívoro: cómo una trampa para moscas se rompe tan rápido, por ejemplo, y cómo se transforma en un “estómago” que exprime insectos y luego en un “intestino” para absorber los restos de su presa. Pero la gran pregunta sigue siendo: ¿Cómo equipó la evolución a estos inconformistas dietéticos con los medios para comer carne?
Los fósiles casi no han proporcionado pistas. Hay muy pocos, y los fósiles no pueden mostrar detalles moleculares que puedan insinuar una explicación, dice el biofísico. Rainer Hedrich de la Universidad de Würzburg, en Alemania, que explora Los orígenes de la carnivora. en el 2021 Revisión anual de biología vegetal. Las innovaciones en la tecnología de secuenciación del ADN ahora significan que los investigadores pueden abordar la cuestión de otra manera, buscando genes vinculados a los carnívoros, identificando cuándo y dónde se activan esos genes y rastreando sus orígenes.
No hay evidencia de que las plantas carnívoras hayan adquirido alguno de sus hábitos bestiales secuestrando genes de sus víctimas animales, dice Hedrich, aunque los genes a veces pasan de un tipo de organismo a otro. En cambio, una serie de hallazgos recientes apuntan a la cooptación y reutilización de genes existentes que tienen funciones antiguas omnipresentes entre las plantas con flores.
“La evolución es astuta y flexible. Aprovecha las herramientas preexistentes”, dice Víctor Alberto, un biólogo del genoma vegetal de la Universidad de Buffalo. “Es más simple en la evolución reutilizar algo que hacer algo nuevo”.
Por peculiar que sea, el carnívoro ha evolucionado repetidamente durante los más de 140 millones de años que han existido las plantas con flores. La adaptación surgió de forma independiente al menos 12 veces, dice tania rennerun biólogo evolutivo de Penn State.
Cada vez, la fuerza impulsora de la evolución fue la misma: la necesidad de encontrar una fuente alternativa de nutrientes vitales. Las plantas carnívoras crecen en pantanos y ciénagas, en cuerpos de agua pobres en nutrientes o en suelos tropicales delgados, todos hábitats con escasez de nitrógeno y fósforo esenciales para el crecimiento. Los insectos repletos de proteínas y otros pequeños invertebrados son fuentes ricas de ambos, así como de otros elementos que las plantas necesitan para prosperar. “Una Venus atrapamoscas puede vivir durante tres semanas en un solo insecto grande”, dice Hedrich. “Si captura muchos insectos, produce más hojas y más trampas”.
Hoy en día hay unas 800 especies carnívoras conocidas. Algunas, como las plantas de jarra y muchas droseras, son receptoras pasivas de presas, aunque con adaptaciones ingeniosas, como bordes resbaladizos y pelos con puntas pegajosas que ayudan a asegurar una comida. Otros son más activos: algunos sundews se enroscan hacia adentro, empujando a la presa hacia el centro más pegajoso de la trampa, mientras que algunos tienen un anillo exterior de tentáculos de rápido movimiento que arrojan a las víctimas a su perdición. La más sofisticada de todas es la Venus atrapamoscas, Dionaea muscípulacon sus pelos de activación sensibles y trampas de resorte que pueden distinguir el toque de un insecto de una gota de lluvia que cae o una hoja muerta y puede juzgar el tamaño de la presa y responder en consecuencia.
A pesar de las enormes diferencias en forma y modo de matar, todas las trampas son hojas modificadas o partes de hojas. “Eso significa que estas plantas no solo obtienen nutrientes de una fuente diferente, sino por una ruta diferente, principalmente a través de sus hojas en lugar de sus raíces”, dice Renner.
Como lo hizo sale de venido a realizar funciones tan poco parecidas a hojas? Para averiguarlo, los investigadores recurrieron a una combinación de técnicas “ómicas”: genómica, transcriptómica y proteómica. Comparan genomas de plantas carnívoras y no carnívoras; secuenciar las transcripciones de ARN que llevan las instrucciones de un gen para ver qué genes se activan dónde y cuándo; y hacer inventarios de proteínas para saber cuáles fabrican las trampas a la hora de comer.
Muchas características del estilo de vida carnívoro aún no han revelado sus secretos genéticos. Pero los estudios de dos de sus elementos más espeluznantes, la digestión y la absorción, están revelando cómo la evolución reutilizó los genes existentes, poniendo a algunos a trabajar en nuevos lugares y dando a otros nuevas funciones y ajustes extraños para adaptarlos mejor a sus nuevos roles. En muchos casos, las plantas que evolucionaron como carnívoras de forma completamente independiente han reutilizado los mismos genes. Ante el problema de consumir carne, todos dieron con la misma solución, dice Albert. Y fundamental para la transformación fue el antiguo sistema de defensa de la planta.
En la década de 1970, los investigadores reconocieron que el fluido digestivo que encontraron en las trampas contenía enzimas que funcionaban de manera muy similar a muchas de las armas químicas que las plantas ejercen contra bacterias dañinas, hongos e insectos herbívoros hambrientos. Inicialmente, no estaba claro si las plantas carnívoras producían las enzimas por sí mismas o si lo hacían los microbios que vivían en sus trampas. Desde entonces, los botánicos han confirmado que las plantas carnívoras producen muchas de esas enzimas y han descubierto docenas más. La tecnología de secuenciación rápida y barata de hoy ha permitido a los científicos moleculares identificar muchos de los genes que codifican estas enzimas digestivas y monitorear su actividad cuando las plantas atrapan y procesan a sus presas.
La lista de enzimas incluye quitinasas, que descomponen la quitina de los exoesqueletos de insectos; proteasas que disuelven la carne, que descomponen las proteínas; y la fosfatasa ácida púrpura, que permite a las plantas extraer fósforo utilizable de los cadáveres deconstruidos de sus víctimas. Todos jugaron un papel en las ubicuas y antiguas defensas de las plantas con flores. “Los genes de esas enzimas se reutilizaron cuando las plantas comenzaron a comer las cosas de las que originalmente se protegían”, dice Albert. “Lo más probable es que las quitinasas fueran para la defensa contra los hongos, que tienen quitina en sus paredes celulares. Más tarde, después de que los artrópodos evolucionaron, ayudaron a defenderse de ellos”. Las enzimas digestivas de proteínas también ayudaron a repeler a los atacantes.
La tendencia de Evolution a adoptar y adaptar las herramientas existentes va más allá de la digestión. A medida que la quitina, las proteínas y el ADN se descomponen en moléculas más pequeñas, la trampa debe moverlas del mundo exterior al interior de la planta. En las plantas ordinarias, la absorción de nutrientes es el trabajo de una raíz, donde las proteínas transportadoras los transportan continuamente desde el suelo hacia la planta. “Es posible que no espere encontrar esas proteínas trabajando en una hoja”, dice Renner.
Sin embargo, eso es precisamente lo que el colega de Hedrich, Sönke Scherzer, encontró en la trampa para moscas de Venus mientras procesaba a sus presas: recientemente identificó transportadores para dos de los nutrientes vegetales más vitales, el nitrógeno y el potasio. Para permitir que una hoja absorba nutrientes, al parecer, la evolución cooptó los genes de la raíz y los puso a trabajar en un lugar nuevo. La diferencia es que los genes transportadores siempre están activos en las raíces, pero en las trampas solo se activan una vez que los nutrientes comienzan a fluir desde la presa en descomposición.
La cooptación es un impulsor importante de la innovación evolutiva y, a menudo, comienza con la duplicación accidental de genes durante la división celular. La mayoría de los genes duplicados no sirven para nada y finalmente se pierden. Pero si los genes sobrantes adquieren mutaciones útiles, eso puede allanar el camino para un cambio en la función. “La duplicación de genes siempre está ocurriendo y, a veces, es muy adaptativa”, dice Albert. Esta parece haber sido la forma en que las plantas carnívoras desarrollaron sus habilidades para comer carne, al menos para los genes examinados hasta ahora.
Lo que resultó más sorprendente fue el descubrimiento de que cada vez que surgía una nueva línea de carnívoros, la evolución actuaba sobre los mismos genes.
En 2017, el biólogo evolutivo kenji fukushimacolega de Hedrich y coautor del 2021 Revisión anual artículo, se unió a Albert y a un equipo internacional de investigadores para secuenciar el genoma de una planta carnívora australiana llamada Cephalotus follicularis. Como muchos carnívoros, atrapa a sus presas en cántaros, en este caso, cántaros pequeños, achaparrados y con dientes en la boca, pero se asienta en su propia rama separada del árbol genealógico de las plantas.
El equipo identificó muchos genes relacionados con diferentes aspectos de sus hábitos carnívoros, desde cómo la planta atrae a sus presas hasta cómo hace que el interior de sus cántaros sea demasiado resbaladizo para que escapen los insectos. La gran sorpresa vino cuando investigaron los orígenes de las enzimas digestivas en cefaloto y tres especies más, no relacionadas: Nepenthes alata (una planta de jarra asiática), la jarra norteamericana Sarracenia purpúreay un rocío de sol, drosera adelae. Resultó que todos ellos habían reutilizado las mismas enzimas antiguas, coincidiendo con las identificadas previamente en la trampa para moscas de Venus. Entre ellos, estas cinco especies representan tres líneas independientes de carnívoros. Este fue un caso clásico de evolución convergente, dice Albert. Sugirió que solo había caminos limitados para convertirse en una planta carnívora.
Profundizando más, Fukushima descubrió que la evolución convergente iba más allá de cooptar los mismos genes. Una vez que las enzimas asumieron sus nuevos roles relacionados con los carnívoros, continuaron evolucionando, intercambiando algunos de sus aminoácidos por otros que mejoraron su rendimiento, probablemente al prolongar su actividad en un estofado inhóspito de sustancias químicas que destruyen las proteínas. Fukushima encontró las mismas sustituciones de aminoácidos en plantas no relacionadas.
A medida que continúan explorando los carnívoros, los investigadores están identificando muchas más enzimas. “Pero una y otra vez descubrimos que tienen funciones similares en especies lejanamente relacionadas”, dice Renner, quien dirige una importante investigación sobre el papel de la cooptación en la creación de carnívoros. Sin embargo, aunque eso refuerza la idea de que las plantas carnívoras adquirieron sus nuevas habilidades digestivas de la misma manera, existe una creciente sospecha de que lo mismo podría no ser cierto para lasmecanismo de suma importancia que controla toda la operación mediante activar los genes correctos en el momento adecuado.
La cadena de eventos en la captura y la digestión se entiende mejor con Venus atrapamoscas, la más examinada de las plantas carnívoras. Si un insecto desprevenido se posa en una de sus trampas y toca un cabello sensorial, activa una señal eléctrica. Si toca un segundo cabello, prueba de que es una presa y no una mota de tierra o una hoja muerta, entonces la trampa se cierra de golpe.
A medida que el insecto lucha y emite más señales eléctricas, el trampa también comienza a producir sustancias químicas llamadas “jasmonatos”, que dan la señal para sellar los bordes de la trampa y comenzar a llenarla con enzimas. A medida que el cadáver del insecto se descompone, la trampa aumenta su producción de enzimas y comienza la producción de transportadores de nutrientes, nuevamente bajo el control de los jasmonatos. Es un robo directo del sistema de defensa de la planta, que responde al ataque de un insecto enviando señales eléctricas para dar la alarma en las células vecinas, que luego sintetizan jasmonatos, que luego activan la producción de proteínas defensivas.
Como es omnipresente en todas las plantas con flores, la respuesta de defensa del jasmonato es un candidato principal para el reclutamiento de la causa de la carnivoría. De hecho, dice Renner, “nuestra expectativa inicial era que el proceso de control podría ser el mismo en todas las plantas carnívoras”. Y resulta ser lo mismo para las plantas de jarra Nepenthes y las droseras, así como para las trampas para moscas, pero esas tres pertenecen al mismo orden de plantas, por lo que no es del todo sorprendente. Mire más allá de este trío, sin embargo, a los butterworts un tanto descuidados, y hay una tentadora visión de la otredad.
Butterworts (pinguicula) son plantas poco llamativas con pequeñas rosetas de hojas cubiertas de diminutas glándulas que rezuman mucílago pegajoso y enzimas digestivas. La mayoría de las mariposas son completamente pasivas, aunque algunas pueden enrollar los bordes de sus hojas hacia adentro, cubriendo una mayor parte del insecto con una sustancia pegajosa letal. En 2020, el butterwort comenzó a atraer mucha más atención luego de un informe de Andrej Pavloviclaboratorio de biofísica de la Universidad de Palacký en la República Checa.
Pavlovič y sus colegas descubrieron que cuando alimentaban a las mariposas con una generosa ración de moscas de la fruta, las plantas respondían produciendo enzimas, muchas de ellas iguales a las identificadas en otras plantas carnívoras. Hasta ahora, tan similar. Pero cuando se trató del papel de los jasmonatos en la activación de la producción de enzimas, la historia fue muy diferente.
Al igual que en otras plantas con flores, los jasmonatos orquestan la defensa de la mariposa contra sus enemigos. Pinchar las hojas 10 o 15 veces con una aguja para imitar el ataque de un insecto provocó una gran acumulación de jasmonatos en las hojas. Prey, por otro lado, no provocó casi ninguna respuesta. El equipo probó otra táctica, rociar jasmonato directamente sobre las hojas: en las trampas para moscas de Venus y las droseras que producen una oleada de enzimas digestivas. En butterworts—cero.
Entonces las mariposas hacen las cosas de manera diferente, aunque todavía no se sabe exactamente qué hacen. “Las mariposas nos han dejado rascándonos la cabeza”, dice Renner. “La pregunta es, ¿cuántas otras plantas carnívoras han descubierto su propio camino?”
Si Darwin estuviera aquí hoy, se sumaría para resolver los misterios restantes de sus “plantas más maravillosas”. No reconocería las técnicas que los investigadores modernos tienen a su disposición y se sorprendería de la cantidad de datos que se pueden procesar en segundos. Pero cuando se trata de diseñar formas elegantes de probar teorías, estaría en un terreno familiar. “Secuenciar genomas, contar y analizar genes no es suficiente”, dice Renner. “Todavía tienes que hacer experimentos para descubrir qué hacen los genes y cómo funcionan”.
Y eso significa alimentar plantas hambrientas. Darwin alimentó su propia carne asada y huevos duros, queso, guisantes y otros bocados llenos de proteínas. Hoy en día, el menú consiste más a menudo en un “sustrato” que suena menos apetitoso dosificado con cantidades de nitrógeno medidas con precisión, pero no hay duda de que Darwin se sentiría como en casa.
