Revelan cómo impacta el ambiente en las infecciones víricas de las plantas
Un equipo de investigación del Instituto de Biología Evolutiva (IBE) ha desarrollado un modelo matemático que combina por primera vez ecología y evolución para explicar el impacto del ambiente en las infecciones víricas en las plantas.
En el estudio, el equipo ha validado las predicciones del modelo contra una extensa base de datos que incluye el efecto de once virus en diferentes ecosistemas del clima mediterráneo durante tres años.
La investigación, publicada en la revista Nature Ecology and Evolution, arroja luz para entender los efectos que el cambio climático y el calentamiento global pueden tener en la propagación de infecciones y epidemias en los vegetales.
Un equipo de investigación liderado por el Instituto de Biología Evolutiva (IBE, un centro mixto del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC) y de la Universidad Pompeu Fabra (UPF)) en Barcelona, y con la participación del Centro de Biotecnología y Genómica de Plantas (CBGP) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), ha identificado como influyen el hábitat y la estacionalidad en las infecciones por virus de las plantas. El estudio, que publica la revista Nature Ecology and Evolution, presenta un nuevo modelo matemático capaz de explicar la evolución de las interacciones virus-planta de los ecosistemas mediterráneos teniendo en cuenta las fluctuaciones ambientales en cada caso. La investigación podría ser clave para prever y mitigar el impacto del cambio climático y el calentamiento global en la propagación de las infecciones víricas de las plantas en el futuro.
Un ecosistema es un sistema biológico formado por una comunidad de organismos vivos y el entorno en que viven. En esta nueva era de globalización, los ecosistemas de todo el planeta están cada vez más interconectados. Las plantas y los virus de todo el mundo viajan y, por tanto, aumentan sus tasas de difusión. Un ejemplo son las especies invasoras que se pueden encontrar en todo el mundo (como el agave), los virus que viajan junto con ellas y también las nuevas oportunidades para que los virus locales infecten más especies de plantas.
Los estudios realizados hasta ahora sobre las interacciones entre virus y plantas han considerado principalmente que los efectos ambientales actúan de manera uniforme sobre todas las especies. A pesar de que la homogeneidad puede ser una aproximación razonable para algunos hábitats - por ejemplo, los ambientes acuáticos -, en general las interacciones entre especies dentro de una comunidad están sometidas a un ambiente heterogéneo.
Ahora, un equipo de investigación liderado por el investigador principal del IBE Sergi Valverde ha estudiado la incidencia de diferentes virus en especies vegetales incluyendo la información sobre la estacionalidad o el hábitat de las plantas a la hora de analizar el impacto de la infección.
Un trabajo cooperativo teórico y experimental
Para comprender los efectos ambientales sobre las infecciones por virus de los vegetales, Blai Vidiella, Raúl Montañez y Sergi Valverde, del IBE en Barcelona, colaboraron con el grupo de virólogos de plantas dirigido por Fernando García-Arenal, del CBGP. El equipo de virólogos muestreó zonas de cultivo durante tres años, estudiando la incidencia de hasta once virus y sus interacciones con el medio en diferentes ecosistemas típicos del clima mediterráneo. El resultado fue un rico conjunto de datos con información temporal y espacial detallada. Después, el equipo de Barcelona utilizó redes matemáticas para analizar los datos y extraer un modelo de patrones de interacción entre especies.
"Cada vez más, si queremos abordar desafíos como el que supone el cambio climático, necesitamos hacer un esfuerzo colectivo para encontrar un idioma común entre disciplinas", comenta Vidiella, investigador pre-doctoral en el grupo Sistemas Complejos del IBE.
Un nuevo modelo matemático que integra ecología y evolución
El equipo del IBE, liderado por Valverde, ha desarrollado un nuevo marco teórico que incluye todos los aspectos que pueden influir en la evolución de las infecciones de las plantas. La nueva herramienta computacional permite integrar información de las infecciones de los virus en las plantas, así como el efecto del ambiente en estas infecciones. "De alguna manera, hasta ahora no teníamos herramientas de análisis para integrar todos los parámetros que juegan un papel en las infecciones de los vegetales. Veíamos las sombras, pero no la estructura compleja que hay detrás de estas interacciones huésped-patógeno", comenta Valverde, responsable del laboratorio de Evolución de la Tecnología.
El modelo, que ha sido validado con la gran base de datos del estudio, incorpora el efecto heterogéneo del medio ambiente observado en las diversas interacciones analizadas. En el futuro, un mayor esfuerzo a la hora de recopilar datos de muestreo podría ser clave para entender cómo evolucionan las interacciones virus-planta en función del hábitat y a lo largo del tiempo. "La adaptación de las especies al medio es muy selectiva, pues buena parte de las especies son especialistas. De hecho pocas veces un mismo virus infecta la misma planta en diferentes hábitats", comenta Valverde. "Cuando dejamos la información ecológica de lado, nos estamos dejando la mitad de la historia de la evolución", añade.
En el futuro, el equipo de investigación quiere incorporar otros ecosistemas del planeta a su modelo. "Definitivamente queremos ampliar nuestro marco teórico a otros sistemas. Esto es relevante para comprender cómo las variaciones climáticas, como las que conllevan el cambio climático y el calentamiento global, pueden afectar las tasas de infección y acelerar la propagación de los virus y las enfermedades asociadas en todo el planeta ", afirma Valverde.
Cambio climático: un reto para la salud de las plantas
Esta investigación podría ayudar a entender mejor el efecto del cambio climático en las infecciones víricas de los cultivos. De acuerdo con el estudio, descifrar cómo funciona el equilibrio entre la información genómica de las especies y su plasticidad a la hora de co-evolucionar en su hábitat con otras variables puede ser clave para predecir y mitigar algunos de los efectos del cambio climático en los ecosistemas, como la propagación de infecciones. "Este trabajo es un primer paso para poder identificar los determinantes ambientales que favorecen la propagación de infecciones y epidemias en las plantas", comenta Valverde. "Sólo integrando el impacto de la ecología a la evolución de las infecciones de las plantas podremos anticipar y afrontar los retos que el cambio climático impondrá a la salud de nuestros cultivos", concluye.
Este estudio ha recibido la financiación del Ministerio de Economía y Competitividad, subvención FIS2016-77447-R MINEICO / AEI / FEDER y la Unión Europea (Sergi Valverde), y de la subvención RTI2018-094302-B-I00, Plan Estatal de I+D+i, del Ministerio de Economía y Competitividad de España (a Fernando García-Arenal).
Artículo referenciado: Valverde S. et.al. 'Coexistence of nestedness and modularity in host–pathogen infection networks'; Nature Ecology and Evolution;