A comprehensive view of aluminum stress in Oryza sativa from a systems biology perspective
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Date
2024
Authors
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Publisher
Pontificia Universidad Javeriana Cali
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Abstract
El arroz es una de las especies vegetales más importantes para la alimentación humana y para el estudio de estreses abióticos como el inducido por aluminio. Este estrés genera problemas de rendimientos agronómicos en el cultivo de arroz al afectar el crecimiento radicular de las plantas en suelos ácidos. El arroz ha sido ampliamente estudiado en cuanto a la respuesta molecular ante el aluminio, esta respuesta es compleja ya que incluye diferentes aspectos como la detección del estresor, la activación de una señal de transducción en las células, para finalmente tener una respuesta de la planta. Recientemente, la biología de sistemas ha tomado relevancia para los estudios de estrés, ya que permite la integración de elementos que interactúan a diferentes niveles a través de la modelación matemática para capturar las propiedades emergentes de estas interacciones. Actualmente existe una falta de conocimiento, especialmente a nivel metabólico, sobre la respuesta molecular que se induce cuando el aluminio es absorbido por las raíces de la planta de arroz. Este vacío de información incluye el desconocimiento de receptores, señales de transducción, mecanismos moleculares y reacciones químicas específicas que inhiben el crecimiento radicular. Esta tesis ha estructurado un enfoque sistémico para caracterizar las respuestas moleculares desencadenadas en el arroz bajo condiciones de estrés por aluminio por medio de: (i) el diseño de un método computacional que implementa estrategias de genómica comparativa para obtener diferencias funcionales entre dos especies contrastantes, con el objetivo de identificar respuestas únicas en arroz, (ii) la implementación de una estrategia de aprendizaje de máquinas sobre el interactoma del arroz para predecir proteínas candidatas que podrían ser relevantes en la respuesta a aluminio, y (iii) el uso de una aproximación multicapa que permite modelar la respuesta molecular y metabólica del arroz ante condiciones aluminotóxicas. Los resultados obtenidos representan un avance en la perspectiva en que se estudia el estrés en arroz. Este trabajo de investigación identificó adaptaciones funcionales especificas a nivel de especie que están vinculadas con las respuestas fisiológicas del arroz el estrés por aluminio, de igual forma, se detractaron nuevas proteínas putativas, no descritas previamente en literatura, y finalmente, el desarrollo e implementación de enfoques computacionales que permiten modelar la respuesta molecular al aluminio a nivel regulatorio y metabólico. Los resultados obtenidos son consistentes con los reportados en literatura. Estos resultados podrían contribuir a la investigación del estrés vegetal mediante el uso de las herramientas generadas en este estudio.
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Rice is one of the most important plant species for human food and for the study of abiotic stresses such as aluminum stress. This stress generates important agronomic yield problems in rice cultivation by affecting the root growth of plants in acid soils. Rice has been extensively studied in terms of the molecular response to aluminum. This response is complex as it includes different aspects such as detecting the stressor, triggering a transduction signal in the cells, to finally having a physiological plant response. Recently, systems biology has become relevant for stress studies, as it allows the integration of interacting elements at different levels through mathematical modeling to capture emergent properties of these interactions. Currently, there is a lack of knowledge, especially at the metabolic level, regarding the molecular response, that is induced when aluminum is uptaken by rice roots. This information gap includes the lack of knowledge of receptors, transduction signals, molecular mechanisms and specific chemical reactions that inhibit root growth. This dissertation structured a systemic approach to characterize the molecular responses triggered in rice under aluminum stress conditions through: (i) the design of a computational method that implements comparative genomics strategies to obtain functional differences between two contrasting species, with the final goal of identifying unique responses in rice, (ii) The implementation of a machine learning strategy over rice interactome to predict candidate proteins that could be relevant in the response to aluminum stress, and (iii) The use of a multilayer approach that allows modeling the molecular and metabolic response of rice to aluminotoxic conditions. The obtained results represent an advance in the perspective that stress is studied in rice. This research work identified specific functional adaptations at the species level that are linked with rice physiological responses to aluminum stress, similarly, novel putative proteins, not previously described by the literature were detected, and finally, the development and implementation of computational approaches allow the modeling of the molecular response to aluminum at the regulatory and metabolic levels. The obtained results are consistent with those that have been reported in the literature. These results might contribute to plant stress research by the use of the tools generated in this study.