Met 72 soorten die momenteel zijn geïdentificeerd, Espeletia is een plantengeslacht dat endemisch is voor de paramo, een vochtig alpenbioom dat uniek is voor de noordelijke Andes. Dit geslacht, die het meest diverse ecosysteem op grote hoogte ter wereld bewoont, is een uitstekend voorbeeld van adaptief succes.

In een nieuwe studie, Braziliaanse wetenschappers onderzochten de diversiteit en geografische spreiding van Espeletia in de paramo; de resultaten, gepubliceerd in augustus 2017 in Wetenschappelijke rapporten , suggereren dat onderzoekers het hele soortvormingsproces nauwkeuriger kunnen reconstrueren via metabolomics.

Metabolomics is een studiegebied dat zich richt op de chemische stoffen die worden gesynthetiseerd door een levend organisme - een bijproduct van zijn metabolisme - dat wordt gebruikt om chemische verbindingen die inherent zijn aan een bepaalde soort in kaart te brengen. Om dat te kunnen doen, een combinatie van technieken met plantenextracten, geografische gegevens, en multivariate statistieken zijn vereist. Dergelijke studies zijn meestal gebaseerd op genomics, DNA-markeranalyse of morfologische vergelijkingen.

Onderzoekers van de School of Pharmaceutical Sciences van de Universiteit van Sao Paulo (FCFRP-USP) in Brazilië hebben voor het eerst metabolische vingerafdrukken gebruikt om de evolutionaire geschiedenis en biogeografische kenmerken van Espeletia te verklaren.

"In principe, we namen de chemische samenstellingen van de soort Espeletia en hun metaboloom en vonden een correlatie met hun geografische oorsprong. Soorten die op dezelfde locaties aanwezig zijn, vertonen vergelijkbare chemische profielen. Dezelfde link was al gevonden met behulp van moleculaire markers, maar op een grotere geografische schaal. Dit toont aan dat de geografie van de Andes niet alleen de evolutie van deze plantengroep heeft bepaald, en mogelijk van andere plantengroepen in de regio, maar vormden ook de chemische samenstelling van deze soorten, " zei Federico Padilla, een van de auteurs van het artikel.

Gebaseerd op een studie ondersteund door de Sao Paulo Research Foundation (FAPESP) door middel van een reguliere onderzoeksbeurs, het artikel bevestigt een hypothese over de oorsprong en migratieroutes van Espeletia langs de noordelijke Andes, voorgesteld door onderzoekers van het Amerikaanse National Museum of Natural History, onderdeel van het Smithsonian Institution, in de jaren 1990, die tot nu toe gedeeltelijk werd ondersteund door moleculaire markers.

Volgens deze hypothese is de oorspronkelijke populatie Espeletia diversifieerde toen de eerste populatie van het geslacht zich in twee richtingen begon uit te breiden vanuit het westelijke deel van de Cordillera de Merida, het grootste massief van Venezuela. Een tak verplaatste zich langs de Venezolaanse Andes, terwijl de andere naar het westen en zuidwesten trok langs de Colombiaanse Andes en naar het noorden van Ecuador.

"Historisch, dit soort analyse is gebaseerd op moleculaire merkers. Echter, genetische analyse is niet in staat om specifieke biogeografische trends met bevredigende precisie te bepalen in groepen die recentelijk zijn geëvolueerd, zoals het geslacht Espeltia, waarvoor het slechts twee groepen identificeert, de Venezolaanse en Colombiaanse soorten, ' zei Padilla.

Metabolieten datapunt evolutionaire aanpassing

De Smithsoniaanse hypothese werd bevestigd door een analyse van de secundaire metabolieten (d.w.z. de chemische verbindingen die betrokken zijn bij de aanpassingen van planten aan het ecosysteem), die wees op patronen van geografische spreiding en chemische diversificatie in de Andes-paramos.

"Elk type marker heeft voor- en nadelen, " zei professor Fernando Batista da Costa, Padilla's supervisor en co-auteur van het artikel gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten . "In tegenstelling tot dieren, planten kunnen niet bewegen om zich aan deze of gene omgeving aan te passen. In plaats daarvan, ze produceren een breed scala aan chemische verbindingen die hen helpen zich aan te passen aan de plaats waar ze groeien."

De ruige topografie van de Andes maakt de paramo tot een zeer gefragmenteerd bioom, biologisch en geografisch vergelijkbaar met een archipel waarin "eilanden" van open graslandvegetatie worden gescheiden door dichte bossen of diepe valleien die voorkomen dat plantensoorten met andere paramo's communiceren.

Volgens het artikel, deze geografische isolatie is een bijzonder invloedrijke factor voor soorten met beperkte zaadverspreiding en een gebrek aan langeafstandsbestuivers, zoals het geval is voor Espeltia.

"We bewijzen dat hun isolement allopatrische soortvorming bevorderde, wat betekent dat soortvorming plaatsvindt in afzonderlijke regio's vanwege geografische barrières. Darwin stelde dit soort soortvorming voor in zijn evolutietheorie als resultaat van zijn waarnemingen in de Galapagos-archipel. Hij zag daar dat verschillende eilanden verschillende soorten hadden en dat deze soorten aan elkaar verwant waren, ' zei Batista da Costa.

De analyses van de chemische samenstellingen door de onderzoekers toonden aan dat Espeletia-soorten in verschillende paramos niet alleen genetisch en morfologisch van elkaar verschillen, maar ook chemisch.

"In elke paramo, de meeste soorten accumuleren verschillende chemische verbindingen die mogelijk verband houden met hun aanpassing aan dat specifieke geografische gebied, " zei Padilla. "We demonstreren, met behulp van chemisch bewijs, dat allopatrische soortvorming plaatsvond in deze paramo's en groepen soorten, zoals in de jaren 1990 was voorgesteld."

Toepassing van metabolomics op andere gebieden

Volgens de onderzoekers is deze benadering kan worden gebruikt om praktisch alle metabolieten van een plant tegelijkertijd te bestuderen.

"In de klassieke fytochemie, we bestudeerden één plant tegelijk en identificeerden meestal een paar chemische stoffen, "Zei Padilla. "Met de nieuwe technieken en apparatuur, zoals de vloeistofchromatografie in combinatie met massaspectrometrie die we gebruikten, we kunnen nu 100 of meer plantenextracten samenstellen, analyseer ze allemaal tegelijk, en verkrijg een datamatrix die mogelijk meer dan 1 vertegenwoordigt 000 chemische verbindingen."

De onderzoekers benadrukken dat analoge modellen kunnen worden gebruikt om metabolische vingerafdrukken van andere planten te verkrijgen met als doel hun biogeografische en evolutionaire geschiedenis te analyseren. "Dit nieuwe model kan worden gebruikt in de landbouw, of voor geneeskrachtige planten, of zelfs door de politie, bijvoorbeeld, om de oorsprong te identificeren van marihuana die in een bepaalde regio wordt geconsumeerd, ' zei Batista.