L'élévation du niveau de la mer, la sécheresse et l'extraction excessive des eaux souterraines contribuent à la salinisation des sols. Le stress salin entrave la croissance des plantes, diminue l'absorption des nutriments et affecte considérablement réduit les rendements des culturesUn nouveau modèle végétal aidera les chercheurs à identifier les gènes permettant d’améliorer la tolérance afin de développer des plantes plus tolérantes au sel.

Image d'Ondrasek et al. montrant cinq plants de maïs de différentes hauteurs. À gauche, le plant sans exposition au sel est grand, tandis qu'à gauche, avec l'augmentation de l'exposition au sel, les plants rapetissent.
Du maïs cultivé sans exposition au sel à gauche jusqu'à une exposition progressivement plus élevée au stress salin à droite (de Ondrasek et al. 2022).

La réaction d'une plante au stress est régie par l'activation de gènes, produisant des copies d'ARN appelées transcrits. Ces transcrits contiennent les instructions pour la production de protéines. Les protéines, en particulier les enzymes, catalysent les réactions biochimiques pour produire des métabolites. Les protéines et métabolites ainsi produits contribuent à protéger la plante du stress salin.

Figure intitulée « Identification des gènes critiques pour la résistance au stress salin chez les plantes ». Elle comporte quatre étapes. Étape 1 : les plantes ont été cultivées dans des conditions normales et de stress. Étape 2 : l'abondance des biomolécules et leur activité ont été mesurées. Cette étape présente un organigramme avec des graphiques allant de l'ADN aux transcrits, des protéines aux métabolites. Un graphique illustre également le flux métabolique. Les mesures prises pour les transcrits correspondent à l'abondance, les protéines et les métabolites à l'abondance et à l'activité, et le flux métabolique correspond au taux de variation de l'abondance métabolique. Étape 3 : le modèle AraRoot a identifié les biomolécules essentielles à la réponse au stress salin, ainsi que les gènes qui leur sont associés. L'étape 4 : ces gènes peuvent être ciblés pour améliorer la réponse des cultures au stress salin.
Aperçu du pipeline de découverte de gènes activés sous stress salin.

La compréhension du lien entre les niveaux d’expression des transcrits des gènes sensibles au sel, l’abondance et l’activité des métabolites et des protéines, ainsi que le taux de réactions des métabolites (flux) et les traits phénotypiques qui en résultent, fournit des informations précieuses pour identifier les cibles génétiques afin d’améliorer la résilience à la salinisation.

Cette idée n'est pas facile à obtenir. Il y a environ 27,000 35,000 gènes codant pour des protéines codant environ XNUMX XNUMX protéines et 8,000 XNUMX métabolites in Arabidopsis thaliana, une plante modèle largement utilisée. Relier ces gènes, transcrits, protéines et métabolites, ainsi que leurs interactions, semble impossible. Pourtant, c'est possible grâce aux modèles métaboliques à l'échelle du génome (GEM). Les GEM sont une représentation mathématique du métabolisme d'un organisme, intégrant des données issues d'études génomiques. Ces modèles permettent de prédire l'impact des changements génétiques ou environnementaux sur le métabolisme d'un organisme.

Lohani Esterhuizen, étudiante diplômée de l'Université du Nebraska-Lincoln, a développé le premier modèle reliant les gènes et les métabolites dans les racines. Le AraRoot Le modèle est capable de capturer de manière exhaustive la formation de biomasse et la réponse au stress du système racinaire d'Arabidopsis.

« Notre modèle AraRoot représente le premier modèle métabolique à l'échelle du génome spécifiquement développé pour le Arabidopsis « Système racinaire. Cela marque une avancée significative dans la compréhension de la réaction des plantes au stress salin, une préoccupation croissante alors que l'élévation du niveau de la mer et la sécheresse menacent plus d'un milliard d'hectares de terres arables dans le monde. Les recherches antérieures sur la tolérance au sel reposaient principalement sur des approches telles que les études d'association pangénomique. Cependant, aucun modèle complet du métabolisme racinaire n'avait été développé, en grande partie en raison de la complexité inhérente des tissus racinaires, tels que le cortex et l'endoderme, dont la fonction et la structure varient considérablement », explique Lohani.

Études d'association pangénomique (GWAS) examinent les corrélations entre la présence de variants génétiques et des caractères spécifiques, identifiant des associations sans évaluer directement la fonction des gènes. Les GWAS s'appuient sur les variants génétiques, notamment les mutations, les polymorphismes nucléotidiques simples (SNP) et d'autres différences génétiques, pour identifier les associations avec les caractères. En revanche, les modèles métaboliques à l'échelle du génome se concentrent sur l'activation des gènes et les réactions biochimiques qui se produisent, fournissant des informations sur la façon dont ces réactions contribuent aux phénotypes. En comparant des plantes ayant le même patrimoine génétique sous différents traitements, par exemple des conditions de croissance normales et des conditions de croissance induites par le stress, les chercheurs peuvent identifier les gènes d'intérêt.

La construction du modèle AraRoot a nécessité la cartographie de 2,682 1,310 réactions métaboliques et de XNUMX XNUMX gènes, une tâche rendue complexe par la rareté des données spécifiques aux racines. Pour y parvenir, nous avons intégré des informations triées sur le volet provenant de bases de données telles que KEGG et TAÏR dans AraRoot et utilisé des outils informatiques tels que COBRApie et l’analyse des goulots d’étranglement métaboliques (MBA). »

L'utilisation de MBA Ces données ont permis aux auteurs d'identifier 158 gènes essentiels aux principales voies métaboliques en situation de stress salin. Ces informations peuvent aider les chercheurs à concentrer leurs efforts sur les gènes les plus susceptibles d'améliorer la tolérance aux environnements à forte teneur en sel.

Développer AraRoot pour comprendre l'effet du stress salin sur Arabidopsis n'est qu'une première étape. Selon Lohani, « Ces connaissances constituent une base solide pour la conception de cultures tolérantes au sel comme le riz ou le blé, une étape essentielle pour sécuriser la production alimentaire en milieu salin. Notre modèle peut également être adapté à l'étude d'autres stress comme la sécheresse, ouvrant ainsi la voie aux étudiants de premier cycle pour explorer comment la biologie computationnelle peut relever des défis concrets. »

LIRE L'ARTICLE:

Lohani Esterhuizen, Nicholas Ampimah, Marna D Yandeau-Nelson, Basil J Nikolau, Erin E Sparks, Rajib Saha, AraRoot – Un modèle métabolique complet à l'échelle du génome pour le système racinaire d'Arabidopsis, in silico Plants, 2025;, diaf003, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diaf003

AraRoot est disponible gratuitement sur le Page GitHub SSBio.

Couverture : Image de l'article Une étude révèle que l'élévation du niveau de la mer engloutit les fermes du Maryland, du Delaware et de Virginie Publié dans Maryland Today, cet article montre du maïs rabougri qui peine à pousser dans une section d'un champ endommagée par l'intrusion d'eau salée. Il met en lumière les chercheurs et collègues de l'UMD qui étudient ce phénomène lié au changement climatique dans les parties de la péninsule de Delmarva situées dans le Maryland, le Delaware et la Virginie. Lire l'article associé intitulé La propagation et le coût de l'intrusion d'eau salée dans la région médio-atlantique des États-Unis par Mondal et ses collègues. Photo de Becky Epanchin-Niell.