Un camino hacia cultivos tolerantes a la sal en un clima cambiante

La reacción de una planta al estrés se rige por la activación de genes, que producen copias de ARN conocidas como transcripciones. Estas transcripciones contienen las instrucciones para generar proteínas. Las proteínas, en particular las enzimas, catalizan reacciones bioquímicas para producir metabolitos. Las proteínas y los metabolitos resultantes ayudan a proteger a la planta del estrés salino.

Comprender la conexión entre los niveles de expresión de las transcripciones de los genes sensibles a la sal, la abundancia y actividad de los metabolitos y las proteínas, y la tasa de reacciones de los metabolitos (flujo) y los rasgos fenotípicos resultantes proporcionan información valiosa para identificar genes objetivo para mejorar la resiliencia a la salinización.

Esta idea no es fácil de obtener. Hay alrededor de 27,000 genes codificadores de proteínas que codifican alrededor de 35,000 proteínas y 8,000 metabolitos in Arabidopsis thaliana, una planta modelo ampliamente utilizada. Conectar estos genes, transcripciones, proteínas y metabolitos, y sus interacciones, parece imposible. Sin embargo, esto es posible gracias a los Modelos Metabólicos a Escala Genómica (MEG). Los MEG son una representación matemática del metabolismo de un organismo que incorpora datos de estudios genómicos. Estos modelos pueden predecir cómo los cambios genéticos o ambientales afectan el metabolismo de un organismo.

Lohani Esterhuizen, estudiante de posgrado de la Universidad de Nebraska-Lincoln, desarrolló el primer modelo que vincula genes y metabolitos en las raíces. El elemento AraRoot El modelo es capaz de capturar de forma exhaustiva la formación de biomasa y la respuesta al estrés del sistema de raíces de Arabidopsis.

“Nuestro modelo AraRoot representa el primer modelo metabólico a escala del genoma desarrollado específicamente para el Arabidopsis Sistema radicular. Esto marca un avance significativo en la comprensión de cómo las plantas responden al estrés salino, una preocupación creciente a medida que el aumento del nivel del mar y la sequía amenazan más de mil millones de hectáreas de tierras cultivables en todo el mundo. Las investigaciones previas sobre la tolerancia a la sal se basaban principalmente en enfoques como los estudios de asociación genómica. Sin embargo, no se había desarrollado un modelo integral del metabolismo radicular, en gran medida debido a la complejidad inherente de los tejidos radiculares, como la corteza y la endodermis, cuya función y estructura varían ampliamente, explica Lohani.

Estudios de asociación de todo el genoma (GWAS) examinan las correlaciones entre la presencia de variantes genéticas y rasgos específicos, identificando asociaciones sin evaluar directamente la función génica. Los GWAS se basan en variantes genéticas, incluyendo mutaciones, polimorfismos de un solo nucleótido (SNP) y otras diferencias genéticas, para identificar asociaciones con rasgos. Por el contrario, los modelos metabólicos a escala genómica se centran en la activación génica y las reacciones bioquímicas que ocurren, proporcionando información sobre cómo estas reacciones contribuyen a los fenotipos. Al comparar plantas con el mismo bagaje genético bajo diferentes tratamientos, por ejemplo, condiciones de crecimiento normales y condiciones de crecimiento inducidas por estrés, los investigadores pueden identificar genes de interés.

La construcción del modelo AraRoot implicó el mapeo de 2,682 reacciones metabólicas y 1,310 genes, una tarea que se volvió difícil debido a la escasez de datos específicos sobre raíces. Para superar esto, integramos información seleccionada de bases de datos como kegg y TAIRO en AraRoot y empleó herramientas computacionales como COBRApy y análisis de cuellos de botella metabólicos (MBA)”.

El uso de MBA Permitió a los autores identificar 158 genes cruciales para las vías metabólicas centrales bajo estrés salino. Esta información puede ayudar a los investigadores a centrar sus esfuerzos en los genes con mayor probabilidad de mejorar la tolerancia a ambientes con alto contenido salino.

Desarrollar AraRoot para comprender el efecto del estrés salino en Arabidopsis es solo el primer paso. Según Lohani, «Estos conocimientos proporcionan una base sólida para la ingeniería de cultivos tolerantes a la sal, como el arroz o el trigo, un paso esencial para asegurar la producción de alimentos en entornos salinos. Nuestro modelo también puede adaptarse para estudiar otros tipos de estrés, como la sequía, lo que abre las puertas a estudiantes universitarios para explorar cómo la biología computacional puede abordar los desafíos del mundo real».

LEE EL ARTÍCULO:

Lohani Esterhuizen, Nicholas Ampimah, Marna D Yandeau-Nelson, Basil J Nikolau, Erin E Sparks, Rajib Saha, AraRoot: un modelo metabólico integral a escala genómica para el sistema radicular de Arabidopsis. in silico Plants, 2025;, diaf003, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diaf003

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AraRoot está disponible gratuitamente en Página de GitHub de SSBio.

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Portada: Imagen del artículo Un estudio revela que el aumento del nivel del mar está arrasando con granjas en Maryland, Delaware y Virginia. Publicado en Maryland Today, que muestra maíz atrofiado con dificultades para crecer en una sección de un campo dañado por la intrusión de agua salada. Destaca a investigadores y colegas de la UMD que estudian el fenómeno vinculado al cambio climático en las zonas de Maryland, Delaware y Virginia de la península de Delmarva. Lea el artículo relacionado. La propagación y el costo de la intrusión de agua salada en el Atlántico Medio de EE. UU. por Mondal y colegas. Fotografía de Becky Epanchin-Niell.