Con 72 specie attualmente identificate, Espeletia è un genere di piante endemico del paramo, un umido bioma alpino unico delle Ande settentrionali. Questo genere, che abita l'ecosistema d'alta quota più diversificato del mondo, è un eccezionale esempio di successo adattivo.

In un nuovo studio, Scienziati brasiliani hanno studiato la diversità e la distribuzione geografica di Espeletia nel paramo; i risultati, pubblicato ad agosto 2017 in Rapporti scientifici , suggeriscono che i ricercatori potrebbero ricostituire in modo più accurato l'intero processo di speciazione tramite la metabolomica.

La metabolomica è un'area di studio incentrata sulle sostanze chimiche sintetizzate da un organismo vivente, un sottoprodotto del suo metabolismo, utilizzato per mappare i composti chimici inerenti a una determinata specie. Per farlo, una combinazione di tecniche che coinvolgono estratti vegetali, dati geografici, ed è richiesta la statistica multivariata. Gli studi di questo tipo si basano solitamente sulla genomica, Analisi dei marcatori del DNA o confronti morfologici.

I ricercatori della Scuola di Scienze Farmaceutiche dell'Università di San Paolo (FCFRP-USP) in Brasile hanno utilizzato per la prima volta il fingerprinting metabolico per spiegare le storie evolutive e le caratteristiche biogeografiche di Espeletia.

"Fondamentalmente, abbiamo preso le composizioni chimiche delle specie di Espeletia e il loro metaboloma e abbiamo trovato una correlazione con le loro origini geografiche. Le specie presenti negli stessi luoghi mostrano profili chimici simili. Lo stesso collegamento era già stato trovato utilizzando marcatori molecolari ma su scala geografica più ampia. Ciò dimostra che la geografia delle Ande non solo ha determinato l'evoluzione di questo gruppo di piante, e forse di altri gruppi di piante nella regione, ma ha anche modellato le composizioni chimiche di queste specie, " disse Federico Padilla, uno degli autori dell'articolo.

Sulla base di uno studio sostenuto dalla Sao Paulo Research Foundation (FAPESP) attraverso regolari borse di ricerca, l'articolo conferma un'ipotesi sull'origine e le rotte migratorie di Espeletia lungo le Ande settentrionali proposta dai ricercatori del National Museum of Natural History degli Stati Uniti, parte della Smithsonian Institution, negli anni '90, che finora era parzialmente supportato da marcatori molecolari.

Secondo questa ipotesi, il ceppo originario di Espeletia si diversificò quando la prima popolazione del genere iniziò ad espandersi in due direzioni dalla parte occidentale della Cordillera de Merida, il più grande massiccio del Venezuela. Un ramo si spostò lungo le Ande venezuelane, mentre l'altro si spostò a ovest e sud-ovest lungo le Ande colombiane e nel nord dell'Ecuador.

"Storicamente, questo tipo di analisi è stata basata su marcatori molecolari. Però, l'analisi genetica non è in grado di determinare tendenze biogeografiche specifiche con precisione soddisfacente in gruppi che si sono evoluti di recente, come il genere Espeletia, per cui si limita a identificare due gruppi, le specie venezuelana e colombiana, " ha detto Padilla.

Adattamento evolutivo del punto di dati dei metaboliti

L'ipotesi Smithsonian è stata confermata da un'analisi dei metaboliti secondari (cioè, i composti chimici coinvolti negli adattamenti delle piante all'ecosistema), che indicava modelli di distribuzione geografica e diversificazione chimica nei paramos andini.

"Ogni tipo di marcatore ha vantaggi e svantaggi, " ha affermato il professor Fernando Batista da Costa , Supervisore di Padilla e coautore dell'articolo pubblicato su Rapporti scientifici . "A differenza degli animali, le piante non possono muoversi per adattarsi a questo o quell'ambiente. Anziché, producono una vasta gamma di composti chimici che li aiutano ad adattarsi al luogo in cui crescono".

L'aspra topografia delle Ande rende il paramo un bioma altamente frammentato, biologicamente e geograficamente paragonabile a un arcipelago in cui le "isole" di vegetazione prativa aperta sono separate da fitte foreste o profonde vallate che impediscono alle specie vegetali di comunicare con altri paramos.

Secondo l'articolo, questo isolamento geografico è un fattore particolarmente influente per le specie con una dispersione dei semi limitata e una mancanza di impollinatori a lunga distanza, come nel caso di Espeletia.

"Dimostriamo che il loro isolamento ha favorito la speciazione allopatrica, significa speciazione che si verifica in regioni separate a causa di barriere geografiche. Darwin propose questo tipo di speciazione nella sua teoria evolutiva come risultato delle sue osservazioni nell'arcipelago delle Galapagos. Vide lì che isole diverse avevano specie diverse e che queste specie erano imparentate tra loro, " Disse Batista da Costa.

Le analisi delle composizioni chimiche dei ricercatori hanno mostrato che le specie di Espeletia in diversi paramos differiscono non solo geneticamente e morfologicamente, ma anche chimicamente.

"In ogni paramo, la maggior parte delle specie accumula diversi composti chimici che possono essere collegati al loro adattamento a quella particolare area geografica, " Padilla ha detto. " Noi dimostriamo, utilizzando prove chimiche, che la speciazione allopatrica si verificava in questi paramos e gruppi di specie, come era stato proposto negli anni '90".

Applicazione della metabolomica in altre aree

Secondo i ricercatori, questo approccio può essere utilizzato per studiare praticamente tutti i metaboliti di una pianta contemporaneamente.

"Nella fitochimica classica, studiavamo una pianta alla volta e di solito identificavamo poche sostanze chimiche, "Ha detto Padilla. "Con le nuove tecniche e attrezzature, come la cromatografia liquida accoppiata alla spettrometria di massa che abbiamo usato, ora possiamo assemblare 100 o più estratti di piante, analizzarli tutti contemporaneamente, e ottenere una matrice di dati che rappresenta potenzialmente più di 1, 000 composti chimici."

I ricercatori sottolineano che modelli analoghi possono essere utilizzati per ottenere impronte metaboliche per altre piante con l'obiettivo di analizzare le loro storie biogeografiche ed evolutive. "Questo nuovo modello può essere utilizzato in agricoltura, o per piante medicinali, o anche dalla polizia, Per esempio, identificare l'origine della marijuana consumata in una particolare regione, " disse Batista.