O código genético secreto das plantas invasoras

Petr Pyšek e uma equipa de investigadores de instituições da Europa, China e EUA queriam compreender por que algumas espécies de plantas se tornam invasivas quando introduzidas fora de sua área de distribuição nativa. Esta questão é importante porque as espécies invasoras podem causar danos graves aos ecossistemas e custar milhares de milhões para serem controladas.

Os investigadores analisaram dados de mais de 11,000 espécies de plantas de todo o mundo para explorar como dois factores genéticos chave – tamanho do genoma e ploidia – afectam as diferentes fases da invasão. O tamanho do genoma refere-se à quantidade total de DNA contida nas células de um organismo. Ploidia é o número de conjuntos de cromossomos; por exemplo, as plantas diplóides têm dois conjuntos, enquanto os tetraplóides têm quatro.

Ao compilar enormes conjuntos de dados globais, a equipe poderia testar de forma robusta as ligações entre essas características genéticas e o sucesso da invasão. O objetivo deles era esclarecer por que certas plantas se tornam invasoras problemáticas em novas regiões. As descobertas, publicadas em New Phytologist, têm implicações importantes para prever e gerenciar invasões biológicas.

Reunindo as evidências

Os pesquisadores reuniram um enorme conjunto de dados extraídos de espécies de plantas de todo o planeta. Isso incluiu 10,400 espécies de plantas com flores (angiospermas), 379 gimnospermas (como coníferas), 218 samambaias e 52 musgos.

Os dados sobre tamanhos de genoma e números de cromossomos vieram do banco de dados de valores C de DNA de plantas do Royal Botanic Gardens Kew. Isto representa a compilação mais abrangente de medições do tamanho do genoma das plantas em todo o mundo. Os pesquisadores também pesquisaram a literatura científica para adicionar dados sobre o tamanho do genoma de outras 40 espécies que ainda não constavam do banco de dados.

Informações sobre quais espécies de plantas que se tornaram naturalizados ou invasivos quando introduzidos fora de suas regiões nativas vieram do banco de dados Global Naturalized Alien Flora (GloNAF). Estes dados abrangem 13,939 espécies de plantas exóticas naturalizadas em mais de 1,000 regiões em todo o mundo. Para um subconjunto de 349 regiões, também havia dados disponíveis sobre quais espécies naturalizadas se tornaram invasoras.

A compilação de um conjunto tão grande de dados para tantas espécies de plantas permitiu aos pesquisadores analisar as ligações entre o tamanho do genoma, o número de cromossomos e o sucesso da invasão. Uma limitação foi que a contagem cromossômica não estava disponível para todas as espécies, tornando impossível determinar níveis precisos de ploidia em alguns casos. Apesar disso, a escala do conjunto de dados deu imenso poder para detectar tendências gerais.

Efeitos contrastantes em diferentes estágios da invasão

A análise revelou que as espécies de plantas com genomas pequenos tinham maior probabilidade de se naturalizarem fora da sua área de distribuição nativa. As espécies naturalizadas podem formar populações autossustentáveis ​​na nova região sem intervenção humana.

No entanto, a história foi diferente quando se analisou a propagação invasiva e os impactos ecológicos. Grandes tamanhos de genoma e níveis mais elevados de ploidia proporcionaram uma vantagem para uma espécie naturalizada progredir e se tornar um invasor problemático que se espalha rapidamente e causa danos ambientais.

Os investigadores quantificaram o sucesso da naturalização de duas maneiras – se uma espécie foi naturalizada em qualquer parte do mundo e o número de regiões em que se naturalizou. Também analisaram o número de regiões onde uma espécie se tornou invasora.

Espécies com genomas de tamanho intermediário foram naturalizadas ou invasoras na maioria das regiões do mundo. No entanto, grandes genomas sobrecarregaram a capacidade de uma espécie exótica se espalhar de forma invasiva e impactar negativamente a biodiversidade e os ecossistemas nativos.

Os efeitos contrastantes nos estágios de naturalização versus invasão mostram que o tamanho do genoma e o nível de ploidia desempenham papéis diferentes na progressão de espécies introduzidas para invasores problemáticos.

Por que o tamanho do genoma e a ploidia têm efeitos contrastantes?

As descobertas sugerem algumas explicações de por que genomas pequenos promovem a naturalização, enquanto genomas grandes e alta ploidia auxiliam na disseminação invasiva.

• Genomas pequenos permitem que as plantas introduzidas se adaptem rapidamente às novas condições ambientais nas regiões onde são introduzidas. Esta rápida evolução aumenta a sua capacidade de estabelecer populações sustentáveis.
• Em contraste, genomas grandes e conjuntos extras de cromossomos fornecem características que favorecem a propagação invasiva, como crescimento vigoroso, alto rendimento reprodutivo e dispersão eficiente de sementes ou fragmentos vegetativos.

Os dois fatores interagem - espécies com genomas relativamente pequenos combinados com maior ploidia parecem capazes de maximizar os benefícios da invasividade. Os pequenos genomas auxiliam na adaptação. Ao mesmo tempo, cromossomos extras sobrecarregam crescimento e reprodução. Os investigadores descobriram que, embora os poliplóides por si só fossem mais propensos a naturalizar-se do que os diplóides, o maior sucesso de naturalização foi para as espécies que incluíam indivíduos diplóides e poliplóides. Eles sugerem que esta combinação diplóide-poliplóide maximiza a variabilidade, proporcionando maior potencial genético para adaptação a novos ambientes.

O papel fundamental da genética nas invasões de plantas

Esta pesquisa revela que dois fatores genéticos fundamentais – tamanho do genoma e ploidia – desempenham papéis vitais, mas contrastantes, permitindo que as plantas se tornem invasoras bem-sucedidas. Seus efeitos mudam dependendo do estágio da invasão. Genomas pequenos auxiliam na naturalização, permitindo rápida adaptação a novos ambientes. No entanto, genomas grandes e alta ploidia aumentam a propagação invasiva, fornecendo características como crescimento e reprodução vigorosos. Estas novas descobertas ajudam a explicar porque é que algumas espécies de plantas se tornam invasoras problemáticas em regiões fora da sua área de distribuição nativa. As descobertas também mostram a natureza dependente do contexto das invasões biológicas, com a influência das características das espécies e da genética mudando entre as fases da invasão. 

O estudo demonstra poderosamente o valor de acumular enormes conjuntos de dados globais para identificar tendências gerais. A compilação de dados sobre mais de 11,000 espécies de plantas foi crucial para desvendar as nuances relações entre o tamanho do genoma, ploidia e sucesso invasivo. Esse dados grandes abordagem aponta o caminho para uma melhor compreensão e previsão da biologia da invasão.

LEIA O ARTIGO
Pyšek, P., Lučanová, M., Dawson, W., Essl, F., Kreft, H., Leitch, IJ, Lenzner, B., Meyerson, LA, Pergl, J., van Kleunen, M., Weigelt , P., Winter, M. e Guo, W.-Y. (2023) “Small genome size and variation in ploidy levels support the naturalization of vascular plants but constrain their invasive spread" New Phytologist, 239(6), pp. 2389–2403. Disponível em: https://doi.org/10.1111/nph.19135.