"As plantas, sejam elas enormes ou microscópicas, são a base de toda a vida, incluindo nós mesmos." Esta foi a introdução de David Attenborough ao The Green Planet, a mais recente série de história natural da BBC.
Nos últimos 500 milhões de anos, as plantas se entrelaçaram em todos os aspectos de nossas vidas. As plantas sustentam todas as outras formas de vida na Terra hoje. Eles fornecem o oxigênio que as pessoas respiram, além de limpar o ar e resfriar a temperatura da Terra. Mas sem água, as plantas não sobreviveriam. Originalmente encontrado em ambientes aquáticos, estima-se que existam cerca de 500.000 espécies de plantas terrestres que surgiram de um único ancestral que flutuava na água.

Em nosso artigo recente, publicado em New Phytologist , investigamos, no nível genético, como as plantas aprenderam a usar e manipular a água - desde as primeiras plantas minúsculas semelhantes a musgos a viver em terra no período cambriano (cerca de 500 milhões de anos atrás) até as árvores gigantes que formam florestas complexas ecossistemas de hoje.

Como as plantas evoluíram

Ao comparar mais de 500 genomas (o DNA de um organismo), nossos resultados mostram que diferentes partes da anatomia das plantas envolvidas no transporte de água – poros (estômatos), tecido vascular, raízes – estavam ligadas a diferentes métodos de evolução gênica. Isso é importante porque nos diz como e por que as plantas evoluíram em momentos distintos de sua história.

A relação das plantas com a água mudou drasticamente nos últimos 500 milhões de anos. Os ancestrais das plantas terrestres tinham uma capacidade muito limitada de regular a água, mas os descendentes das plantas terrestres se adaptaram a viver em ambientes mais secos. Quando as plantas colonizaram a terra pela primeira vez, elas precisavam de uma nova maneira de acessar nutrientes e água sem serem imersas nelas. O próximo desafio foi aumentar em tamanho e estatura. Eventualmente, as plantas evoluíram para viver em ambientes áridos, como desertos. A evolução desses genes foi crucial para permitir que as plantas sobrevivessem, mas como eles ajudaram as plantas a se adaptarem e depois prosperarem em terra?

Estômatos, os poros minúsculos na superfície das folhas e caules, abrem para permitir a absorção de dióxido de carbono e fecham para minimizar a perda de água. Nosso estudo descobriu que os genes envolvidos no desenvolvimento dos estômatos estavam nas primeiras plantas terrestres. Isso indica que as primeiras plantas terrestres tinham as ferramentas genéticas para construir estômatos, uma adaptação fundamental para a vida na terra.

A velocidade com que os estômatos respondem varia entre as espécies. Por exemplo, os estômatos de uma margarida fecham mais rapidamente do que os de uma samambaia. Nosso estudo sugere que os estômatos das primeiras plantas terrestres se fecharam, mas essa capacidade acelerou com o tempo graças à duplicação de genes à medida que as espécies se reproduziam. A duplicação de genes leva a duas cópias de um gene, permitindo que uma delas realize sua função original e a outra evolua uma nova função. Com esses novos genes, os estômatos de plantas que crescem a partir de sementes (em vez de se reproduzirem por meio de esporos) foram capazes de fechar e abrir mais rapidamente, permitindo que fossem mais adaptáveis ​​às condições ambientais.

Velhos genes e novos truques

Vascular tissue is a plant's plumbing system, enabling it to transport water internally and grow in size and stature. If you have ever seen the rings of a chopped tree, this is the remnants of the growth of vascular tissue.

We found that rather than evolving by new genes, vascular tissue emerged through a process of genetic tinkering. Here, old genes were repurposed to gain new functions. This shows that evolution does not always occur with new genes but that old genes can learn new tricks.

Before the move to land, plants were found in freshwater and marine habitats, such as the algal group Spirogyra . They floated and absorbed the water around them. The evolution of roots enabled plants to access water from deeper in the soil as well as providing anchorage. We found that a few key new genes emerged in the ancestor of plants that live on land and plants with seeds, corresponding to the development of root hairs and roots. This shows the importance of a complex rooting system, allowing ancient plants to access previously unavailable water.

The development of these features at every major step in the history of plants highlights the importance of water as a driver of plant evolution. Our analyses shed new light on the genetic basis of the greening of the planet, highlighting the different methods of gene evolution in the diversification of the plant kingdom.

Planting for the future

As well as helping us make sense of the past, this work is important for the future. By understanding how plants have evolved, we can begin to understand the limiting factors for their growth. If researchers can identify the function of these key genes, they can begin to improve water use and drought resilience in crop species. This has particular importance for food security.

Plants may also hold the key to solving some of the most pressing questions facing humanity, such as reducing our reliance on chemical fertilizers, improving the sustainability of our food and reducing our greenhouse gas emissions.

By identifying the mechanisms controlling plant growth, researchers can begin to develop more resilient, efficient crop species. These crops would require less space, water and nutrients and would be more sustainable and reliable. With nature in decline, it is vital to find ways to live more harmoniously in our green planet.