La conexión del circuito de genes rítmicos con el metabolismo explica la lenta tasa de crecimiento de un mutante con un reloj lento

- Botánica

La conexión del circuito de genes rítmicos con el metabolismo explica la lenta tasa de crecimiento de un mutante con un reloj lento

porMary Lederman
Publicado en agosto 10, 2022

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Un modelo desarrollado para estudiar los efectos circadianos en la fisiología generalmente se vuelve más útil cuando el reloj regula los metabolitos.

La mejora de los cultivos para aumentar los rendimientos y mitigar los efectos del cambio climático está limitada por nuestro conocimiento de cómo los genotipos afectan los fenotipos de toda la planta. La clave será relacionar el genotipo con el fenotipo, no en términos estadísticos abstractos, sino a través de vías moleculares medibles. Este proceso es desafiante, pero los nuevos modelos computacionales pueden ayudarnos a superar este desafío y brindar nuevos conocimientos.

dr. Yin Hoon Chew, actualmente investigador asociado postdoctoral en la Universidad de Birmingham, y sus colegas, en un nuevo artículo publicado en , ampliaron un modelo existente para predecir el crecimiento de la biomasa a nivel de organismo utilizando el genotipo basado en vías de señalización molecular. en silico Planta. Los autores utilizaron diversos datos metabólicos y fisiológicos para combinar y extender modelos matemáticos de expresión génica rítmica, dependencia del fotoperíodo, crecimiento y metabolismo del almidón dentro de un marco de crecimiento vegetativo. Arabidopsis thaliana.

El original Arabidopsis Framework Model Version 1 (FMv1) se desarrolló para estudiar los efectos circadianos en la fisiología. Representa los componentes fisiológicos que interactúan del crecimiento vegetativo. Arabidopsis thaliana a la floración de forma sencilla y modular. Los autores ampliaron este modelo al:

un submodelo de señalización luminosa,
Movilización de fuerza controlada por el submodelo del reloj circadiano (en lugar de una tasa fija),
Niveles de depósitos de malato y fumarato en el submodelo de carbono y
ARN adicionales, proteínas y complejos de proteínas dentro del reloj circadiano y en sus conexiones con el fotoperiodismo.

Según Chew, “La primera Arabidopsis El modelo de esqueleto mostró cómo el reloj circadiano afecta el recuento de hojas al controlar el tiempo de floración sin afectar directamente el tamaño o la masa de la planta. De hecho, el reloj controla muchos procesos relacionados con el metabolismo de las plantas. Anticipamos que el momento inadecuado de estos procesos diarios afectaría no solo el tiempo de desarrollo sino también la biomasa de la planta. No estaba claro cuál de los procesos controlados por reloj tendría el mayor impacto en la biomasa, y esa es una pregunta que el modelado puede responder”.

El nuevo Arabidopsis Framework Model Version 2 (FMv2) actualizó la descomposición simulada del carbono de la fotosíntesis diurna en el almacenamiento temporal como almidón en las células de las hojas y el uso de este almacenamiento para proporcionar azúcares durante la noche. Ambas variantes del modelo varían la proporción de carbono almacenado en función del fotoperiodo. El proceso de ‘crecer primero’ en el FMv1 no fue consistente con hallazgos más recientes, por lo que el FMv2 tiene una estrategia más cautelosa de ‘almacenamiento primero’ que se ajusta a los niveles de fuerza de las plantas al final del día a través de los fotoperíodos. La salida rítmica del circuito del gen del reloj limita la rapidez con la que se pueden utilizar las reservas de almidón para evitar la inanición antes de que se reanude la fotosíntesis al amanecer. La introducción de este control en FMv2 correspondió a los valores de fuerza al final de la noche.

Un gráfico con fotoperíodo en el eje x y fuerza en el eje y. Las lecturas de fuerza al final del día son mucho más altas que al final de la noche. Para los valores de fuerza al final del día, los valores de FMv2 simulados concuerdan mejor con los datos medidos que los valores de FMv1. Para valores iniciales al final de la noche, los datos simulados son similares a los datos medidos. Sin embargo, los valores de FMv1 concuerdan mejor con los datos medidos que los valores de FMv2. — Valores de fuerza al final del día (ED, lleno) y al final de la noche (EN, abierto) después de 30 días bajo diferentes fotoperíodos (Sulpice et al. 2014) (triángulos), en comparación con FMv1 (cuadrados) , FMv2 (círculos).

Luego se probó FMv2 para ver si podía explicar la disminución observada en la biomasa. prr7prr9 Mutante a largo plazo que tiene un reloj de 28 horas. El modelo predijo correctamente los niveles más altos de fuerza observados en prr7prr9 Mutantes debido a su sincronización circadiana retrasada. Al simular el contexto de toda la planta del marco, los autores pudieron probar si este cambio metabólico es suficiente para reducir la biomasa de los mutantes en comparación con las plantas de tipo salvaje.

Dos gráficos con la hora del día en el eje x y la fuerza en el eje y. Se muestran tanto los datos de medición como los datos de simulación. En el panel izquierdo, los valores de tipo salvaje son más bajos que los valores de lsf1. Los gráficos de la derecha muestran valores prr7prr9. Se encuentran entre lsf1 y los valores de tipo salvaje. Para ambas parcelas, los datos de simulación son consistentes con los datos medidos, con niveles de fuerza que alcanzan su punto máximo alrededor del mediodía. — Datos (símbolos) y simulación (líneas) de fuerza para plantas WT (col, círculos, verde), lsf1 (triángulos, naranja) y prr7prr9 (cuadrados, azul).

El trabajo anterior mostró que el reloj afectaba a la biomasa al alterar el uso del almidón almacenado durante la noche. Un almidón suave que usa mutante, lsf1, mostró una biomasa vegetal reducida, consistente con la predicción de FMv2. Los resultados de FMv2 indicaron que el consumo de almidón a destiempo también podría ser responsable de la mayor parte de la disminución de la biomasa en los mutantes del reloj, pero sugirieron que también estaba involucrado otro proceso regulado por el reloj. Los datos de metabolitos de los autores indicaron que la movilización de malato y fumarato estaba desregulada en los mutantes de reloj. Al modelar tanto el almidón como estos, todos los defectos de la biomasa representaron el almacenamiento secundario. Curiosamente, no se observaron deficiencias en el contenido de clorofila y la tasa fotosintética. prr7prr9 Plantas, aunque anteriormente se sospechaba que afectaban el crecimiento de otros mutantes de reloj en Arabidopsis.

Dos gráficos con la hora del día en el eje x y malato + fumarato en el eje y. Se muestran tanto los datos de medición como los datos de simulación. En la figura de la izquierda, los valores de tipo salvaje son similares pero ligeramente inferiores a los valores de lsf1. Los datos de simulación concuerdan bien con los datos medidos. Los gráficos de la derecha muestran valores prr7prr9. Son más altos que lsf1 y valores de tipo salvaje. Los datos simulados concuerdan mejor con los datos medidos a las 12 horas, no tan bien a las 24 horas y demasiado altos en el tiempo 0. Para ambas parcelas, los niveles medidos de malato y fumarato alcanzan su punto máximo alrededor del mediodía. — Datos (símbolos) y simulación (líneas) de malato y fumarato para plantas WT (col, círculos, verde), lsf1 (triángulos, naranja) y prr7prr9 (cuadrados, azul).

Chew concluye: “El éxito de FMv2 muestra que podemos comprender los efectos sutiles a nivel de toda la planta, en este caso simplemente alterando el momento de la expresión génica”. Por “entender” queremos decir “explicar y predecir”. Invitamos a los investigadores de Arabidopsis a agregar a los datos abiertos que compartimos y ampliar este modelo para explorar sus áreas de especialización. No todos los detalles de este modelo se traducen en especies de cultivo, pero amplía las ‘pruebas de principio’ para informar la mejora de cultivos a nivel molecular”.

foto de tipo salvaje real, prr7prr9 y lsf1 Arabidopsis Mutantes, simulaciones de la biomasa de estas plantas y biomasa vegetal simulada.

LEER EL ARTÍCULO:

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 model versión 2 predice los efectos de la desregulación del gen del reloj circadiano a nivel de organismo, in silico Plants, Volume 4, Issue 2, 2022, diac010, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac010

Este artículo es parte del en silico Modelado integral y multiescala de plantas de edición especial.

La versión 2 del modelo de marco está disponible gratuitamente en: https://fairdomhub.org/models/248. Los datos utilizados para construir y probar el modelo se comparten en: https://fairdomhub.org/investigations/123. Además, una versión en línea más simple de FMv2 para no expertos está disponible en: http://turnip.bio.ed.ac.uk/fm/