Uma nova árvore genealógica do girassol revela que a simetria das flores evoluiu várias vezes de forma independente. Espécie da família dos girassóis com ou sem simetria floral bilateral. Chrysanthemum lavandulifolium (canto superior esquerdo) e Artemisia annua (canto superior direito) são espécies intimamente relacionadas da mesma tribo; a primeira possui flores bilateralmente simétricas (os raios) e a segunda não. Rudbeckia hirta (canto inferior esquerdo) da tribo do girassol tem flores bilateralmente simétricas, e Eupatorium chinense (canto inferior direito) da tribo Eupatorieae não; essas duas tribos são grupos intimamente relacionados. Um girassol (centro) mostra flores com simetria bilateral (as flores grandes em forma de pétalas na fileira externa) e sem simetria (as flores pequenas nas fileiras internas). Crédito: Guojin Zhang, laboratório Ma, Penn State
A árvore genealógica do girassol revelou que a simetria das flores evoluiu múltiplas vezes de forma independente, um processo denominado evolução convergente, entre os membros desta grande família de plantas, de acordo com uma nova análise. A equipe de pesquisa, liderada por um biólogo da Penn State, resolveu mais ramos mais finos da árvore genealógica, fornecendo informações sobre como a família do girassol – que inclui ásteres, margaridas e culturas alimentares como alface e alcachofra – evoluiu.
Um artigo descrevendo a análise e as descobertas, que os pesquisadores disseram poder ajudar a identificar características úteis para criar seletivamente plantas com características mais desejáveis, apareceu online na revista Comunicação de Planta.
“A evolução convergente descreve a evolução independente do que parece ser a mesma característica em diferentes espécies, como asas em pássaros e morcegos”, disse Hong Ma, Cátedra Huck em Desenvolvimento e Evolução Reprodutiva de Plantas, professor de biologia no Eberly College of Science da Penn State e líder da equipe de pesquisa. “Isso pode dificultar a determinação do grau de parentesco entre duas espécies, comparando suas características, portanto, ter uma árvore genealógica detalhada baseada em ADN A sequência é crucial para entender como e quando essas características evoluíram.”
Avanços na genealogia da família do girassol
A cabeça do girassol, por exemplo, é na verdade um composto composto por múltiplas flores muito menores. Embora a cabeça seja geralmente radialmente simétrica – pode ser dividida em duas metades iguais em múltiplas direções, como uma estrela do mar ou uma torta – as flores individuais podem ter diferentes formas de simetria. De acordo com o novo estudo, a simetria bilateral – onde existe apenas uma linha que divide a flor em duas metades iguais – evoluiu e foi perdida várias vezes de forma independente nos girassóis ao longo da história evolutiva. Os investigadores descobriram que esta evolução convergente está provavelmente relacionada com alterações no número de cópias e nos padrões de expressão do gene regulador floral, CYC2.
Nos últimos anos, muitas árvores genealógicas para um grupo de espécies relacionadas foram construídas através do uso extensivo de transcriptomas, que são as sequências genéticas de essencialmente todos os genes expressos por uma espécie, explicaram os investigadores. Os transcriptomas são mais fáceis de adquirir do que sequências do genoma completo de alta qualidade para uma espécie, mas ainda são difíceis e caros de preparar e requerem amostras frescas de plantas. Para aumentar o número de espécies disponíveis para comparação, a equipa recorreu a sequências genómicas de baixa cobertura, que são produzidas através de um processo denominado skimming do genoma e são relativamente baratas e fáceis de preparar, mesmo a partir de amostras de plantas secas.
“Para obter uma sequência precisa do genoma completo de uma espécie, cada letra do seu alfabeto de DNA deve ser lida – ou coberta – várias vezes para minimizar erros”, disse Ma. “Para efeitos de construção de uma árvore genealógica, mostramos neste artigo que podemos escapar com sequências genômicas de menor cobertura. Isso nos permitiu aumentar o número de espécies em nossa análise, o que, por sua vez, nos permitiu resolver mais ramos mais finos da árvore genealógica do girassol.”
A equipe usou uma combinação de transcriptomas disponíveis publicamente e recém-gerados, juntamente com um grande número de genomas desnatados recentemente obtidos, para um total de 706 espécies com representantes de 16 subfamílias, 41 tribos e 144 grupos de nível de subtribo na família do girassol. As subfamílias são subdivisões principais da família, enquanto as tribos e subtribos podem conter um ou mais gêneros, que é o nível de classificação logo acima da espécie.
“As versões anteriores da árvore genealógica do girassol estabeleceram as relações entre a maioria das subfamílias e muitas tribos, que são equivalentes aos ramos principais de uma árvore”, disse Ma. “Com o aumento do tamanho da nossa amostra, fomos capazes de resolver mais ramos e galhos menores em nível de subtribo e gênero. Esta árvore de alta resolução permitiu-nos reconstruir onde e quando características como a simetria das flores evoluíram, demonstrando que a simetria bilateral deve ter evoluído muitas vezes de forma independente.”
Insights moleculares e direções futuras
A equipe também estudou a evolução molecular dos genes envolvidos no desenvolvimento das flores dos girassóis. Eles descobriram que um desses genes, CYC2, encontrado em múltiplas cópias nos genomas de cada espécie, foi ativado em espécies com flores bilateralmente simétricas, sugerindo que pode fazer parte da base molecular para a evolução convergente dessa característica. Para testar isso ainda mais, a equipe realizou experimentos para quantificar a expressão do gene CYC2 nas flores de espécies com diferentes tipos de simetria.
“Nossa análise mostrou uma relação clara entre a expressão de CYC2 e a simetria das flores, sugerindo que as mudanças na forma como esses genes são usados em várias espécies de girassol estão provavelmente envolvidas na evolução convergente observada na família”, disse Ma. “A família do girassol é uma das duas maiores famílias de plantas com flores, contendo mais de 28.000 espécies, incluindo muitas espécies agrícolas e hortícolas economicamente importantes. Compreender como essas espécies estão relacionadas entre si nos permite determinar como e quando suas características evoluíram. Este conhecimento também poderia ser usado para identificar características úteis que poderiam ser cultivadas em espécies domesticadas a partir de espécies selvagens estreitamente relacionadas.”
Referência: “Filogenômica nuclear de Asteraceae com amostragem aumentada fornece novos insights sobre a evolução morfológica e molecular convergente” por Guojin Zhang, Junbo Yang, Caifei Zhang, Bohan Jiao, Jose L. Panero, Jie Cai, Zhi-Rong Zhang, Lian-Ming Gao , Tiangang Gao e Hong Ma, 25 de fevereiro de 2024, Comunicações da planta.
DOI: 10.1016/j.xplc.2024.100851
Além de Ma, a equipe de pesquisa inclui Guojin Zhang, da Penn State; Junbo Yang, Jie Cai, Zhi-Rong Zhang e Lian-Ming Gao no Instituto de Botânica Kunming em Kunming, China; Caifei Zhang no Jardim Botânico de Wuhan e no Centro Conjunto de Pesquisa Sino-África em Wuhan, China; Bohan Jiao e Tiangang Gao no Laboratório Estatal de Diversidade Vegetal e Culturas Especiais em Pequim, China; e Jose L. Panero da Universidade do Texas, Austin.
Financiamento do Eberly College of Science e dos Institutos Huck de Ciências da Vida da Penn State, do Programa de Pesquisa Estratégica Prioritária da Academia Chinesa de Ciências, das Instalações Científicas de Grande Escala da Academia Chinesa de Ciências e da Fundação Nacional de Ciências Naturais da China apoiou esta pesquisa.
