Um caminho para culturas tolerantes ao sal em um clima em mudança

A reação de uma planta ao estresse é governada pela ativação de genes, produzindo cópias de RNA conhecidas como transcritos. Esses transcritos contêm as instruções para a geração de proteínas. Proteínas, particularmente enzimas, catalisam reações bioquímicas para produzir metabólitos. As proteínas e os metabólitos resultantes ajudam a proteger a planta do estresse salino.

Entender a conexão entre os níveis de expressão de transcrições de genes responsivos ao sal, a abundância e atividade de metabólitos e proteínas, e a taxa de reações metabólicas (fluxo) e as características fenotípicas resultantes fornecem insights valiosos para identificar alvos genéticos para aumentar a resiliência à salinização.

Essa percepção não é fácil de obter. Existem cerca de 27,000 genes codificadores de proteínas que codificam cerca de 35,000 proteínas e 8,000 metabólitos in Arabidopsis thaliana, uma planta modelo amplamente utilizada. Conectar esses genes, transcrições, proteínas e metabólitos, e suas interações, parece impossível. No entanto, isso é possível com o uso de Modelos Metabólicos em Escala Genômica (MEGs). Os MEGs são uma representação matemática do metabolismo de um organismo, incorporando dados de estudos genômicos. Esses modelos podem prever como mudanças genéticas ou ambientais afetam o metabolismo de um organismo.

Lohani Esterhuizen, uma estudante de pós-graduação da Universidade de Nebraska-Lincoln, desenvolveu o primeiro modelo que liga genes e metabólitos nas raízes. A AraRoot O modelo é capaz de capturar de forma abrangente a formação de biomassa e a resposta ao estresse do sistema radicular de Arabidopsis.

“Nosso modelo AraRoot representa o primeiro modelo metabólico em escala genômica desenvolvido especificamente para o Arabidopsis sistema radicular. Isso marca um avanço significativo na compreensão de como as plantas respondem ao estresse salino — uma preocupação crescente, visto que a elevação do nível do mar e a seca ameaçam mais de um bilhão de hectares de terras aráveis ​​em todo o mundo. Pesquisas anteriores sobre tolerância ao sal baseavam-se principalmente em abordagens como estudos de associação genômica ampla. No entanto, um modelo abrangente do metabolismo radicular não havia sido desenvolvido, em grande parte devido à complexidade inerente dos tecidos radiculares — como o córtex e a endoderme —, que variam amplamente em função e estrutura", explica Lohani.

Estudos de associação em todo o genoma (GWAS) examinam correlações entre a presença de variantes genéticas e características específicas, identificando associações sem avaliar diretamente a função genética. Os GWAS baseiam-se em variantes genéticas, incluindo mutações, polimorfismos de nucleotídeo único (SNPs) e outras diferenças genéticas, para identificar associações com características. Em contraste, os modelos metabólicos em escala genômica focam na ativação gênica e nas reações bioquímicas que ocorrem, fornecendo insights sobre como essas reações contribuem para os fenótipos. Ao comparar plantas com a mesma base genética sob diferentes tratamentos, por exemplo, condições normais de crescimento e condições de crescimento induzidas por estresse, os pesquisadores podem identificar genes de interesse.

A construção do modelo AraRoot envolveu o mapeamento de 2,682 reações metabólicas e 1,310 genes, uma tarefa que se tornou desafiadora devido à escassez de dados específicos da raiz. Para superar isso, integramos informações selecionadas de bancos de dados como BARRI e TAIR no AraRoot e empregou ferramentas computacionais como COBRApy e análise de gargalos metabólicos (MBA).”

O uso de MBA permitiu aos autores identificar 158 genes cruciais para as principais vias metabólicas sob estresse salino. Essas informações podem ajudar os pesquisadores a concentrar seus esforços em genes com maior probabilidade de levar à melhora da tolerância a ambientes com alto teor de sal.

O desenvolvimento do AraRoot para compreender o efeito do estresse salino em Arabidopsis é apenas o primeiro passo. De acordo com Lohani, “Esses insights fornecem uma base sólida para a engenharia de culturas tolerantes ao sal, como arroz ou trigo — um passo essencial para garantir a produção de alimentos em ambientes salinos. Nosso modelo também pode ser adaptado para estudar outros estresses, como a seca, abrindo portas para que alunos de graduação explorem como a biologia computacional pode enfrentar desafios do mundo real.”

LEIA O ARTIGO:

Lohani Esterhuizen, Nicholas Ampimah, Marna D Yandeau-Nelson, Basil J Nikolau, Erin E Sparks, Rajib Saha, AraRoot – Um modelo metabólico abrangente em escala genômica para o sistema radicular de Arabidopsis, in silico Plants, 2025;, diaf003, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diaf003

---

AraRoot está disponível gratuitamente no Página do SSBio no GitHub.

---

Capa: Imagem do artigo Estudo descobre que a elevação do nível do mar está consumindo fazendas em Maryland, Delaware e Virgínia Publicado no Maryland Today, que mostra milho atrofiado com dificuldades para crescer em uma parte de um campo danificado pela intrusão de água salgada. O artigo destaca pesquisadores e colegas da UMD que estudam o fenômeno ligado às mudanças climáticas nas porções de Maryland, Delaware e Virgínia da Península de Delmarva. Leia o artigo associado intitulado A propagação e o custo da intrusão de água salgada no Atlântico Médio dos EUA por Mondal e colegas. Foto de Becky Epanchin-Niell.