A melhoria das culturas para aumentar a produtividade e mitigar os efeitos das mudanças climáticas é limitada pelo nosso conhecimento de como os genótipos afetam os fenótipos da planta inteira. A chave será vincular o genótipo aos fenótipos, não em termos abstratos e estatísticos, mas por meio de caminhos moleculares mensuráveis. Esse processo é desafiador, mas novos modelos computacionais podem nos ajudar a enfrentar esse desafio e fornecer novos insights.

O Dr. Yin Hoon Chew, atualmente pesquisador associado de pós-doutorado na Universidade de Birmingham, e seus colegas ampliaram um modelo existente para prever o crescimento da biomassa em nível de organismo a partir do genótipo com base em caminhos moleculares em um novo artigo publicado em in silico Plantas. Os autores usaram diversos dados metabólicos e fisiológicos para combinar e estender modelos matemáticos de expressão rítmica de genes, dependência de fotoperíodo, crescimento e metabolismo de amido dentro de um modelo de estrutura para o crescimento vegetativo de Arabidopsis thaliana.

O original Arabidopsis Modelo de estrutura versão 1 (FMv1) foi projetado para estudar os efeitos circadianos na fisiologia. Representa os componentes fisiológicos interativos do crescimento vegetativo em Arabidopsis thaliana até a floração, de forma simples e modular. Os autores estenderam este modelo para incluir:

• um submodelo de sinalização luminosa,
• mobilização de amido controlada pelo submodelo do relógio circadiano (em vez de uma taxa fixa),
• níveis de pools de malato e fumarato no submodelo de carbono, e
• RNAs adicionais, proteínas e complexos de proteínas dentro do relógio circadiano e em suas ligações com o fotoperiodismo.

De acordo com Chew, “o primeiro Arabidopsis O Modelo de Estrutura mostrou como o relógio circadiano afetou o número de folhas controlando o tempo de floração, sem qualquer efeito direto no tamanho ou massa da planta. Na verdade, o relógio controla muitos processos relacionados ao metabolismo das plantas. Esperávamos que o descontrole desses processos diários não afetasse apenas o tempo de desenvolvimento, mas também a biomassa da planta. Não ficou claro qual dos processos regulados por relógio teria mais efeito sobre a biomassa, e essa é uma questão que a modelagem pode abordar.”

O novo Arabidopsis O Framework Model versão 2 (FMv2) atualizou o particionamento simulado do carbono da fotossíntese diurna para armazenamento transitório como amido nas células foliares e o uso desses estoques para fornecer açúcares à noite. Ambas as versões do modelo variam a proporção de carbono armazenado, dependendo do fotoperíodo. O processo de 'crescimento primeiro' no FMv1 não correspondia evidências mais recentes, então o FMv2 tem uma estratégia mais cautelosa de 'armazenar primeiro' que se ajusta aos níveis de amido no final do dia das plantas em fotoperíodos. A saída rítmica do circuito do gene do relógio limita a rapidez com que os estoques de amido podem ser usados, para evitar a fome antes que a fotossíntese seja retomada ao amanhecer. A introdução desse controle no FMv2 correspondeu aos níveis de amido no final da noite.

FMv2 foi então testado para ver se poderia explicar o declínio de biomassa observado no prr7prr9 mutante de longo período, que tem um relógio de 28h. O modelo previu corretamente os maiores níveis de amido observados no prr7prr9 mutantes devido ao seu tempo circadiano atrasado. A simulação do contexto da planta inteira do Framework Model permitiu aos autores testar se essa alteração metabólica era suficiente para reduzir a biomassa dos mutantes em comparação com as plantas do tipo selvagem.

Trabalho prévio indicaram que o relógio afetou a biomassa alterando o uso de amido armazenado à noite. Um mutante leve de uso de amido, lsf1, demonstrou biomassa vegetal reduzida de acordo com a previsão do FMv2. Os resultados do FMv2 mostraram que o uso indevido de amido também poderia ser responsável pela maior parte do declínio da biomassa nos mutantes do relógio, mas sugeriram que outro processo regulado pelo relógio também estava envolvido. Os dados metabólicos dos autores mostraram que a mobilização de malato e fumarato foi mal regulada nos mutantes do relógio. Modelando tanto o amido quanto estes, os estoques secundários foram responsáveis ​​por todos os defeitos de biomassa. Curiosamente, nenhum defeito no nível de clorofila e nas taxas fotossintéticas foi observado em prr7prr9 plantas, embora já havia sido sugerido para afetar o crescimento de outros mutantes do relógio em Arabidopsis.

Chew conclui: “O sucesso do FMv2 mostra que podemos entender os efeitos sutis no nível da planta inteira, neste caso apenas alterando o tempo de expressão do gene. Por 'compreender' queremos dizer 'explicar e prever'. Damos as boas-vindas aos pesquisadores da Arabidopsis para adicionar aos dados abertos que compartilhamos e estender este modelo para estudar suas áreas de especialização. Nem todos os detalhes deste modelo serão transferidos para as espécies cultivadas, mas ele estende as 'provas de princípio' para informar a melhoria das culturas no nível molecular.”

LEIA O ARTIGO:

Yin Hoon Chew, Daniel D Seaton, Virginie Mengin, Anna Flis, Sam T Mugford, Gavin M George, Michael Moulin, Alastair Hume, Samuel C Zeeman, Teresa B Fitzpatrick, Alison M Smith, Mark Stitt, Andrew J Millar, The Arabidopsis Framework A versão 2 do modelo prevê os efeitos no nível do organismo da má regulação do gene do relógio circadiano, in silico Plants, Volume 4, Edição 2, 2022, diac010, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac010

Este artigo faz parte do in silico Planta Edição especial de Modelagem Integrativa e Multiescala.

A versão 2 do Framework Model está disponível em: https://fairdomhub.org/models/248. Os dados usados ​​para construir e testar o modelo são compartilhados em: https://fairdomhub.org/investigations/123. Além disso, uma versão online mais simples do FMv2 para não especialistas está disponível em: http://turnip.bio.ed.ac.uk/fm/