A matemática de como as plantas combatem a escassez de pólen com a autopolinização

À medida que os polinizadores se tornam mais escassos, as plantas podem recorrer à autofertilização – uma estratégia de sobrevivência que vem com sua própria mistura de resultados. No entanto, de acordo com um novo estudo no The American Naturalist, isso não é necessariamente um beco sem saída para as plantas. O estudo, de Kuangyi Xu, sugere que as plantas poderiam se auto-resgatar em face da diminuição da disponibilidade de pólen. Por meio de modelagem ecoevolutiva sofisticada, Xu revela as condições sob as quais a autofertilização, impulsionada pela adaptação imediata ou evolução gradual, torna-se uma tábua de salvação para as populações de plantas em dificuldades. Curiosamente, essas plantas podem não apenas garantir sua sobrevivência, mas também eliminar ativamente erros genéticos prejudiciais de seu DNA.

O trabalho de Xu revela um fascinante paradoxo vegetal. Enquanto lutam contra a escassez de pólen devido a mudanças ambientais, o aumento da autofecundação pode ser uma benção e uma maldição para sua sobrevivência. Os modelos apresentados por Xu sugerem que a frequência da autopolinização – a 'taxa de autofecundação' – é um componente vital nesse ato de equilíbrio.

De um lado da moeda, a autofecundação aumentada fornece seguro reprodutivo imediato, uma forma de continuidade DIY para espécies de plantas. Mas, por outro lado, isso poderia expor mutações recessivas prejudiciais, prejudicando a saúde das plantas e reduzindo as chances de sobrevivência. Também pode haver custos no uso do pólen para autofecundação quando você teve seu pólen esperando por anos, e nenhum polinizador apareceu.

A pesquisa de Xu sugere que a receita mágica para a sobrevivência das plantas é um nível moderado de autofertilização, alcançável por meio de adaptação imediata ou evolução lenta. A necessidade de autofecundação aumenta em conjunto com a gravidade da escassez de pólen.

Adicionando uma nova reviravolta à história, Xu postula que, sob leve limitação de pólen, o principal benefício da autofecundação pode não ser a garantia reprodutiva, mas a eliminação de elementos genéticos nocivos. Sob severa limitação de pólen, ambos os benefícios entram em ação, sugerindo uma estratégia de sobrevivência maravilhosamente complexa e diferenciada no mundo vegetal.

Além disso, Xu descobriu que populações de plantas menores requerem um aumento menor na autofecundação para durar, sugerindo que o tamanho de uma população de plantas tem um papel significativo na determinação da 'taxa de autofecundação' ideal. Em um mundo cada vez mais desafiador para a reprodução das plantas, eles poderiam adotar a autofecundação como uma delicada estratégia de sobrevivência.

A escassez de pólen, muitas vezes desencadeada pela atividade humana e pela diminuição das populações de polinizadores, dificulta drasticamente a capacidade da planta de se reproduzir. Quando tais mudanças ocorrem, normalmente esperamos que a evolução favoreça características que aumentam o potencial de reprodução e as chances de sobrevivência de uma planta. Aumentos nas taxas de autofecundação foram observados em resposta a diferentes mudanças ambientais, como distúrbios humanos, fragmentação de habitat e condições climáticas extremas. Mas há um porém.

Embora a autofecundação possa aumentar as chances de sobrevivência em um ambiente exigente, ela tem seu lado negativo: pode levar à depressão por endogamia, na qual a prole sofre de problemas de saúde devido à exposição a mutações recessivas prejudiciais. Embora a autofecundação ajude na reprodução imediata, também pode enfraquecer as gerações futuras. Assim, equilibrar os benefícios da autofecundação e os custos da depressão por endogamia é crucial para a sobrevivência.

Existem duas rotas principais pelas quais as taxas de autofecundação podem aumentar – mudanças evolutivas (ajustes genéticos de longo prazo) e plasticidade fenotípica (resposta instantânea ao estresse ambiental). Ambos os mecanismos têm seus prós e contras, e seus efeitos na sobrevivência das populações de plantas não são totalmente compreendidos. A pesquisa de Xu ajuda a preencher essa lacuna de conhecimento, comparando os efeitos de ambos os mecanismos na sobrevivência da planta sob diferentes níveis de escassez de pólen.

Usando modelos matemáticos e simulações de computador, Xu fornece informações mais profundas sobre como as populações de plantas se adaptam a obstáculos como a disponibilidade reduzida de pólen. Um desses modelos gera uma 'probabilidade de sobrevivência' - uma estimativa da probabilidade de a população persistir em um período de tempo específico.

Mutações deletérias que são mais recessivas causam maior depressão por endogamia, levando a uma redução de aptidão inicial mais forte e levando mais tempo para serem expurgadas em populações de acasalamento misto. Enquanto isso, as mutações prejudiciais de menor efeito são eliminadas mais lentamente e causam uma redução mais forte da aptidão sob a evolução de uma taxa de autofecundação mais alta. Em geral, a adaptação imediata através da plasticidade parece ser mais benéfica para a sobrevivência da população do que a evolução, mas às vezes uma mistura de ambos pode fornecer a maior probabilidade de sobrevivência.

A força da plasticidade do sistema de acasalamento geralmente varia entre as populações (Koski et al. 2019, Eckert et al. 2011), mas a evolução da plasticidade do sistema de acasalamento é pouco investigada, apesar de alguns estudos sobre alguns mecanismos especiais de plasticidade, como a autofecundação atrasada (revisto em Boa vontade e Weber (2018)). Os resultados atuais sugerem que é importante para estudos da evolução da plasticidade incorporar interações entre depressão endogâmica, carga genética e dinâmica estocástica de limitação de pólen.

Xu 2023 See More

LEIA O ARTIGO

Xu, K. (2023) “Resgate populacional através do aumento da taxa de autofecundação sob limitação polínica: plasticidade vs. evolução" O Naturalista Americano. Disponível em: https://doi.org/10.1086/725425.