Las matemáticas de cómo las plantas luchan contra la escasez de polen a través de la autopolinización
Utilizando innovadores modelos ecoevolutivos, Kuangyi
A medida que los polinizadores se vuelven más raros, las plantas pueden recurrir a la autopolinización, una estrategia de supervivencia que tiene su propio conjunto mixto de consecuencias. Pero eso no es necesariamente un callejón sin salida para las plantas, según un nuevo estudio en The American Naturalist. El estudio de Kuangyi Xu sugiere que dada la disminución de la disponibilidad de polen, las plantas podrían salvarse. A través de sofisticados modelos ecoevolutivos, Xu descubre las condiciones bajo las cuales la autopolinización, impulsada por la adaptación inmediata o la evolución gradual, se convierte en el sustento de las poblaciones de plantas en apuros. Curiosamente, estas plantas no solo podrían asegurar su supervivencia, sino también eliminar activamente los errores genéticos dañinos de su ADN.
El trabajo de Xu descubre una intrigante paradoja vegetal. Mientras luchan con la escasez de polen debido a los cambios ambientales, una mayor autofertilización podría ser tanto una bendición como una maldición para su supervivencia. Los modelos presentados por Xu sugieren que la frecuencia de la autopolinización, la “tasa de autopolinización”, es un componente crucial en este acto de equilibrio.
Por un lado, el aumento de la autopolinización proporciona un seguro reproductivo instantáneo, una forma de continuidad de bricolaje para las especies de plantas. Sin embargo, por otro lado, podría revelar mutaciones recesivas dañinas que afectan la salud de las plantas y reducen las posibilidades de supervivencia. El uso de polen para la autopolinización también puede generar costos si el polen ha estado esperándote durante mucho tiempo y no ha aparecido ningún polinizador.
La investigación de Xu sugiere que la receta mágica para la supervivencia de las plantas es un nivel moderado de autofecundación, que puede lograrse mediante una adaptación instantánea o una evolución lenta. La necesidad de autopolinización aumenta con la gravedad de la deficiencia de polen.
Para agregar un nuevo giro a la historia, Xu postula que el principal beneficio de la autopolinización bajo una restricción leve de polen puede no ser la seguridad reproductiva, sino la eliminación de elementos genéticos dañinos. Con una severa restricción de polen, ambos beneficios entran en juego, lo que sugiere una estrategia de supervivencia maravillosamente compleja y diferenciada en el mundo de las plantas.
Además, Xu descubrió que las poblaciones de plantas más pequeñas requieren un aumento menor en la autopolinización para sobrevivir, lo que sugiere que el tamaño de una población de plantas juega un papel importante en la determinación de la tasa óptima de “autopolinización”. En un mundo cada vez más exigente para la reproducción de las plantas, podrían adoptar la autopolinización como una delicada estrategia de supervivencia.
La escasez de polen, a menudo causada por las actividades humanas y la disminución de las poblaciones de polinizadores, afecta gravemente la capacidad de reproducción de una planta. Cuando ocurren tales cambios, generalmente asumimos que la evolución favoreció los rasgos que mejoran el potencial de apareamiento de una planta y las posibilidades de supervivencia. Se han observado aumentos en las tasas de autofecundación en respuesta a varios cambios ambientales, como la perturbación humana, la fragmentación del hábitat y las condiciones climáticas extremas. Pero hay una trampa.
Si bien la autofertilización puede mejorar las posibilidades de supervivencia en un entorno exigente, también tiene un inconveniente: puede conducir a una depresión endogámica, en la que la salud de la descendencia se ve comprometida debido a la exposición a mutaciones recesivas dañinas. Si bien el egoísmo apoya la procreación inmediata, también puede debilitar a las generaciones futuras. Por lo tanto, equilibrar los beneficios de la autofertilización y los costos de la depresión endogámica es vital para la supervivencia.
Hay dos vías principales a través de las cuales las tasas de autofecundación pueden aumentar: el cambio evolutivo (adaptaciones genéticas a largo plazo) y la plasticidad fenotípica (respuesta inmediata al estrés ambiental). Ambos mecanismos tienen sus ventajas y desventajas y su impacto en la supervivencia de las poblaciones de plantas no se comprende completamente. La investigación de Xu está ayudando a llenar este vacío de conocimiento al comparar los efectos de ambos mecanismos en la supervivencia de las plantas bajo diferentes niveles de deficiencia de polen.
Usando modelos matemáticos y simulaciones por computadora, Xu proporciona información más profunda sobre cómo las poblaciones de plantas se adaptan a obstáculos como la disponibilidad reducida de polen. Uno de estos modelos genera una “probabilidad de supervivencia”, una estimación de la probabilidad de supervivencia de la población durante un período de tiempo determinado.
Las mutaciones deletéreas que son más recesivas causan más depresión endogámica, lo que resulta en más reducciones iniciales en la aptitud y toma más tiempo para eliminarse en poblaciones mixtas. Mientras tanto, las mutaciones dañinas de menor impacto se eliminan más lentamente, lo que conduce a una mayor disminución de la aptitud física bajo el desarrollo de una mayor tasa de autofecundación. En general, la adaptación inmediata a través de la plasticidad parece ser más beneficiosa para la supervivencia de la población que la evolución, pero a veces una combinación de las dos proporciona la mayor probabilidad de supervivencia.
El grado de plasticidad del sistema de apareamiento a menudo varía entre poblaciones (Koski y otros. 2019, Eckert y otros. 2011), pero se discute la evolución de la plasticidad del sistema de apareamiento a pesar de algunos estudios sobre algunos mecanismos específicos de plasticidad, como B. la autoeducación retrasada (resumen en Goodwillie y Weber (2018)), solo investigada de manera insuficiente. Los resultados actuales sugieren que para los estudios del desarrollo de la plasticidad es importante incluir interacciones entre la depresión endogámica, la carga genética y la dinámica estocástica de la limitación del polen.
2023
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Xu, K. (2023) “Salvación de la población a través de un aumento en la tasa de autopolinización bajo limitación de polen: plasticidad versus evolución” El naturalista estadounidense. Disponible en: https://doi.org/10.1086/725425.