Waterhemp puede reducir drásticamente los rendimientos de maíz y soya, como se ve a la derecha en un campo de maíz en el condado de Essex. Crédito: Julia Kreiner, Universidad de Columbia Británica
Una nueva investigación ha descubierto que la agricultura está provocando rápidos cambios evolutivos no solo en las granjas sino también en las especies silvestres de las áreas adyacentes.
Un equipo internacional de investigadores del Universidad de Columbia Britanica ha descubierto cómo la expansión de la agricultura moderna ha transformado una planta nativa de América del Norte, el cáñamo de agua común, en una mala hierba agrícola perjudicial.
El estudio, publicado en Ciencias, comparó 187 muestras de cáñamo de agua de granjas contemporáneas y humedales adyacentes con más de 100 muestras históricas que datan de 1820 y que estaban almacenadas en museos de América del Norte. Al analizar la composición genética de la planta durante los últimos dos siglos, los investigadores pudieron observar la evolución en acción en diferentes entornos, al igual que el estudio de restos humanos y neandertales antiguos puede revelar información clave sobre la historia humana.
Un espécimen de herbario de cáñamo acuático de 155 años de edad del herbario del Jardín Botánico de Missouri. Crédito: Julia Kreiner, Universidad de Columbia Británica
"Las variantes genéticas que ayudan a que la planta funcione bien en los entornos agrícolas modernos han aumentado a altas frecuencias notablemente rápido desde la intensificación agrícola en la década de 1960", dijo la primera autora, la Dra. Julia Kreiner, investigadora postdoctoral en el Departamento de Botánica de la UBC.
Los investigadores descubrieron cientos de genes en el genoma de la maleza que ayudan a su éxito en las granjas, con mutaciones en genes relacionados con la tolerancia a la sequía, el crecimiento rápido y la resistencia a los herbicidas que aparecen con frecuencia. “Los tipos de cambios que estamos imponiendo en los entornos agrícolas son tan fuertes que tienen consecuencias en los hábitats vecinos que normalmente pensaríamos que son naturales”, dijo el Dr. Kreiner.
La autora principal, la Dra. Julia Kreiner, realiza extracciones de ADN de muestras históricas de herbario en el antiguo laboratorio de ADN en Tubinga, Alemania. Crédito: Julia Kreiner, Universidad de Columbia Británica
Los hallazgos podrían informar los esfuerzos de conservación para preservar áreas naturales en paisajes dominados por la agricultura. Reducir el flujo de genes fuera de los sitios agrícolas y elegir poblaciones naturales más aisladas para su protección podría ayudar a limitar la influencia evolutiva de las granjas.
El cáñamo de agua común es originario de América del Norte y no siempre fue una planta problemática. Sin embargo, en los últimos años, la mala hierba se ha vuelto casi imposible de erradicar de las granjas gracias a las adaptaciones genéticas, incluida la resistencia a los herbicidas.
"Si bien el cáñamo de agua generalmente crece cerca de lagos y arroyos, los cambios genéticos que estamos viendo permiten que la planta sobreviva en tierras más secas y crezca rápidamente para superar a los cultivos", dijo la coautora, la Dra. Sarah Otto, profesora de la Universidad de Killam. de la Columbia Británica. "El cáñamo acuático básicamente ha evolucionado para convertirse más en una maleza dada la fuerza con la que ha sido seleccionada para prosperar junto con las actividades agrícolas humanas".
Waterhemp que ocurre en hábitats naturales, la fusión arenosa de un lago en el sur de Illinois. Crédito: Julia Kreiner, Universidad de Columbia Británica
En particular, cinco de las siete mutaciones resistentes a herbicidas encontradas en las muestras actuales estaban ausentes en las muestras históricas. “Las granjas modernas imponen un fuerte filtro que determina qué especies de plantas y mutaciones pueden persistir a lo largo del tiempo”, dijo el Dr. Kreiner. "Al secuenciar los genes de la planta, los herbicidas se destacaron como uno de los filtros agrícolas más fuertes que determinan qué plantas sobreviven y cuáles mueren".
Waterhemp que lleva cualquiera de las siete mutaciones resistentes a los herbicidas ha producido un promedio de 1.2 veces más descendientes supervivientes por año desde 1960 en comparación con las plantas que no tienen las mutaciones.
También se descubrieron mutaciones resistentes a los herbicidas en hábitats naturales, aunque con menor frecuencia, lo que plantea dudas sobre los costos de estas adaptaciones para la vida vegetal en entornos no agrícolas. “En ausencia de aplicaciones de herbicidas, ser resistente puede ser costoso para una planta, por lo que los cambios que ocurren en las granjas están afectando la aptitud de la planta en la naturaleza”, dijo el Dr. Kreiner.
Las prácticas agrícolas también se han remodelado donde se encuentran variantes genéticas particulares en todo el paisaje. Durante los últimos 60 años, una variedad maleza del sudoeste ha progresado cada vez más hacia el este en América del Norte, propagando sus genes a las poblaciones locales como resultado de su ventaja competitiva en los contextos agrícolas.
“Estos resultados resaltan el enorme potencial del estudio de genomas históricos para comprender la adaptación de las plantas en escalas de tiempo cortas”, dice el Dr. Stephen Wright, coautor y profesor de Ecología y Biología Evolutiva en la Universidad de Toronto. "Ampliar esta investigación a través de escalas y especies ampliará nuestra comprensión de cómo la agricultura y el cambio climático están impulsando la rápida evolución de las plantas".
"Comprender el destino de estas variantes y cómo afectan a las plantas en poblaciones 'salvajes' no agrícolas es un próximo paso importante para nuestro trabajo", según el profesor John Stinchcombe de la Universidad de Toronto, coautor del estudio.
Referencia: “Adaptación rápida de malezas y expansión del rango en respuesta a la agricultura durante los últimos dos siglos” por Julia M. Kreiner, Sergio M. Latorre, Hernán A. Burbano, John R. Stinchcombe, Sarah P. Otto, Detlef Weigel y Stephen I Wright, 8 de diciembre de 2022, Ciencias.
DOI: 10.1126/ciencia.abo7293
