Med 72 arter identifierade för närvarande, Espeletia är ett växtsläkte som är endemiskt för paramo, en fuktig alpin biom unik för norra Anderna. Detta släkte, som bebor världens mest mångsidiga ekosystem på hög höjd, är ett enastående exempel på adaptiv framgång.

I en ny studie, Brasilianska forskare undersökte Espeletias mångfald och geografiska utbredning i paramo; resultaten, publicerad i augusti 2017 i Vetenskapliga rapporter , föreslår att forskare mer exakt kan rekonstruera hela artbildningsprocessen via metabolomik.

Metabolomics är ett studieområde som fokuserar på de kemiska ämnen som syntetiseras av en levande organism - en biprodukt av dess metabolism - som används för att kartlägga kemiska föreningar som är inneboende i en given art. För att göra det, en kombination av tekniker som involverar växtextrakt, geografiska data, och multivariat statistik krävs. Studier av detta slag är vanligtvis baserade på genomik, DNA-marköranalys eller morfologiska jämförelser.

Forskare vid University of Sao Paulos School of Pharmaceutical Sciences (FCFRP-USP) i Brasilien har använt metaboliskt fingeravtryck för första gången för att förklara Espeletias evolutionära historia och biogeografiska egenskaper.

"I grund och botten, vi tog den kemiska sammansättningen av arterna Espeletia och deras metabolom och fann ett samband med deras geografiska ursprung. Arter som finns på samma platser uppvisar liknande kemiska profiler. Samma länk hade redan hittats med hjälp av molekylära markörer men i en större geografisk skala. Detta visar att Andernas geografi inte bara avgjorde utvecklingen av denna växtgrupp, och möjligen av andra växtgrupper i regionen men också format den kemiska sammansättningen av dessa arter, sa Federico Padilla, en av artikelförfattarna.

Baserat på en studie som stöds av Sao Paulo Research Foundation (FAPESP) genom regelbundna forskningsanslag, artikeln bekräftar en hypotes om ursprunget och migrationsvägarna för Espeletia längs norra Anderna som föreslagits av forskare vid US National Museum of Natural History, en del av Smithsonian Institution, på 1990-talet, som hittills delvis stöddes av molekylära markörer.

Enligt denna hypotes, det ursprungliga beståndet av Espeletia diversifierades när den första populationen av släktet började expandera i två riktningar från den västra delen av Cordillera de Merida, det största massivet i Venezuela. En gren flyttade längs de venezuelanska Anderna, medan den andra rörde sig västerut och sydväst längs de colombianska Anderna och in i norra Ecuador.

"Historiskt sett, denna typ av analys har baserats på molekylära markörer. Dock, genetisk analys kan inte fastställa specifika biogeografiska trender med tillfredsställande precision i grupper som har utvecklats nyligen, såsom släktet Espeletia, för vilka den bara identifierar två grupper, de venezuelanska och colombianska arterna, sa Padilla.

Metaboliter datapunkt evolutionär anpassning

Smithsonian-hypotesen bekräftades av en analys av de sekundära metaboliterna (dvs. de kemiska föreningar som är involverade i växternas anpassningar till ekosystemet), som pekade på mönster av geografisk spridning och kemisk diversifiering i Andinska paramos.

"Varje typ av markör har fördelar och nackdelar, sa professor Fernando Batista da Costa, Padillas handledare och en medförfattare till artikeln publicerad i Vetenskapliga rapporter . "Till skillnad från djur, växter kan inte röra sig för att anpassa sig till den eller den miljön. Istället, de producerar ett stort antal kemiska föreningar som hjälper dem att anpassa sig till den plats där de växer."

Andernas robusta topografi gör paramo till en mycket fragmenterad biom, biologiskt och geografiskt jämförbar med en skärgård där "öar" av öppen gräsmarksvegetation är åtskilda av täta skogar eller djupa dalar som hindrar växtarter från att kommunicera med andra paramos.

Enligt artikeln, denna geografiska isolering är en särskilt inflytelserik faktor för arter med begränsad fröspridning och brist på långväga pollinatörer, som fallet är för Espeletia.

"Vi bevisar att deras isolering gynnade allopatrisk artbildning, vilket betyder att artbildning förekommer i separata regioner på grund av geografiska barriärer. Darwin föreslog denna typ av artbildning i sin evolutionsteori som ett resultat av sina observationer i Galapagos skärgård. Han såg där att olika öar hade olika arter och att dessa arter var släkt med varandra, " sa Batista da Costa.

Forskarnas analyser av de kemiska sammansättningarna visade att arter av Espeletia i olika paramos skiljer sig inte bara genetiskt och morfologiskt utan även kemiskt.

"I varje paramo, de flesta arter ackumulerar olika kemiska föreningar som möjligen kan vara kopplade till deras anpassning till det specifika geografiska området, " sade Padilla. "Vi demonstrerar, använda kemiska bevis, att allopatrisk artbildning förekom i dessa paramos och grupper av arter, som föreslogs på 1990-talet."

Tillämpning av metabolomik inom andra områden

Enligt forskarna, detta tillvägagångssätt kan användas för att studera praktiskt taget alla en växts metaboliter samtidigt.

"Inom klassisk fytokemi, vi studerade en växt i taget och identifierade vanligtvis några kemiska ämnen, " sade Padilla. "Med de nya teknikerna och utrustningen, som vätskekromatografin i kombination med masspektrometri som vi använde, vi kan nu sätta ihop 100 eller fler växtextrakt, analysera dem alla samtidigt, och få en datamatris som potentiellt representerar mer än 1, 000 kemiska föreningar."

Forskarna betonar att analoga modeller kan användas för att erhålla metaboliska fingeravtryck för andra växter i syfte att analysera deras biogeografiska och evolutionära historia. "Denna nya modell kan användas inom jordbruket, eller för medicinalväxter, eller till och med av polisen, till exempel, att identifiera ursprunget för marijuana som konsumeras i en viss region, sa Batista.