Identificación de genes implicados en la regulación de la producción de biomasa en condiciones de cambio climático

Abstract

[ES] En el contexto actual de cambio climático, asegurar un desarrollo social sostenible y respetuoso con el medio ambiente es un reto fundamental para la humanidad. La biomasa vegetal juega un papel clave en este sentido ya que (i) es sumidero de una grandísima cantidad de CO2 atmosférico, (ii) constituye la materia prima para la fabricación de materiales reciclables, (iii) es fuente de una gran cantidad de energía renovable y (iv) es la base de la cadena alimentaria. Este proyecto, por tanto, aborda la problemática de asegurar la producción de suficiente biomasa vegetal en condiciones de cambio climático. Así, planteamos que, entender los mecanismos genéticos que han utilizado las plantas durante la evolución para adaptar sus capacidades de crecimiento y desarrollo al clima actual, puede ayudar a identificar genes y circuitos genéticos clave para iniciar nuevas aproximaciones biotecnológicas encaminadas a asegurar que nuestros cultivos y especies forestales generen suficiente biomasa en condiciones climáticas comprometidas. En este marco contextual, los objetivos básicos de este proyecto son: en primer lugar identificar variación genética natural que, durante la evolución, ha sido clave para adaptar la capacidad de formación de biomasa a la sequía: un efecto directo del cambio climático. Uno de los efectos más claros de la sequía es la disminución del número de raíces laterales desarrolladas. Por tanto, para alcanzar este objetivo planteamos utilizar una aproximación de Genome-Wide Association Studies (GWAS) utilizando datos de variación natural en la capacidad de producción de raíces laterales en sequía en poblaciones naturales (accesiones) de Arabidopsis thaliana. Los datos se obtendrán como el ratio entre el numero de raíces laterales desarrolladas en sequía y en condiciones normales (mock) en plántulas de 10 días cultivadas in-vitro. Nuestros datos preliminares -obtenidos mediante este ratio- utilizando 20 accesiones, indican la existencia de una marcada variación natural en este parámetro, por lo que se espera, una vez fenotipadas las 175 accesiones de nuestra colección, identificar regiones genómicas estadísticamente asociadas a dicha variación mediante GWAS.

El segundo objetivo es validar experimentalmente la utilidad de los genes identificados por GWAS para generar mayor cantidad de biomasa en condiciones de sequía.

En caso de identificar regiones genómicas estadísticamente asociadas a la capacidad de generación de raíces laterales en condiciones de sequía, evaluaremos los genes contenidos en dichas regiones y se utilizarán análisis de expresión génica para seleccionar aquéllos con más posibilidades de ser reguladores de la producción de raíces laterales en sequía. La variación genética natural identificada en estos genes será caracterizada funcionalmente utilizando técnicas de biología molecular, genética y bioinformática.

[EN] In the current context of climate change, ensuring sustainable social development that is respectful of the environment is a fundamental challenge for humanity. Plant biomass plays a key role in this sense since (i) it is a sink for a huge amount of atmospheric CO2, (ii) it is the raw material for the manufacture of recyclable materials, (iii) it is a source of a large amount of energy renewable and (iv) is the base of the food chain. This project, therefore, addresses the problem of ensuring the production of sufficient plant biomass under climate change conditions. Thus, we propose that understanding the genetic mechanisms that plants have used during evolution to adapt their growth and development capacities to the current climate can help to identify key genes and genetic circuits to initiate new biotechnological approaches aimed at ensuring that our crops and forest species generate sufficient biomass in compromised climatic conditions. In this contextual framework, the basic objectives of this project are:

First of all, identify natural genetic variation that, during evolution, has been key to adapting the biomass formation capacity to drought: a direct effect of climate change.

One of the clearest effects of drought is the decrease in the number of developed lateral roots. Therefore, to achieve this objective we propose to use a Genome-Wide Association Studies (GWAS) approach using data of natural variation in the production capacity of lateral roots in drought in natural populations (accessions) of Arabidopsis thaliana. The data will be obtained as the ratio between the number of lateral roots developed in drought and in normal conditions (mock) in 10-day-old seedlings grown in-vitro. Our preliminary data -obtained using this ratio- using 20 accessions, indicate the existence of a marked natural variation in this parameter, so it is expected, once the 175 accessions in our collection have been phenotyped, to identify genomic regions statistically associated with said variation using GWAS.

The second goal is to experimentally validate the utility of the genes identified by GWAS to generate a greater amount of biomass under drought conditions.

In case of identifying genomic regions statistically associated with the ability to generate lateral roots under drought conditions, we will evaluate the genes contained in these regions and use gene expression analysis to select those with the most possibilities of being regulators of lateral root production. in drought. The natural genetic variation identified in these genes will be functionally characterized using molecular biology, genetics and bioinformatics techniques.