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TÍTULO DEL PROYECTO: El metaboloma de la raíz: una vía para controlar el estrés por metales en los cultivos
INVESTIGADORES PRINCIPALES: Ana Álvarez-Fernández, Javier Abadía

 

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RESUMEN

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Las deficiencias de metales esenciales para las plantas, incluyendo las de hierro (Fe) y zinc (Zn), se encuentran entre los principales estreses abióticos de los cultivos, y causan malnutrición de la población en grandes áreas del mundo. La absorción de nutrientes se lleva a cabo por las raíces, que detectan inmediatamente la falta de dichos metales esenciales. En la raíz, la producción y secreción de metabolitos con diversas funciones es una parte importante de las adaptaciones de las plantas al estrés. Una vez en la rizosfera, los metabolitos secretados pueden movilizar directamente formas poco solubles de metales (óxidos de Fe), así como atraer, repeler, inhibir o eliminar la biota existente. La metabolómica (estudio a gran escala de metabolitos dentro de organismos, tejidos o células) y su sub- campo exometabolómica (caracterización de metabolitos extracelulares) son herramientas prometedoras para descifrar redes metabólicas en plantas relacionadas con el estrés. Los objetivos del proyecto son: i) aumentar los conocimientos sobre las adaptaciones metabólicas de las raíces frente a los estreses de metales en cultivos, estudiando la forma en la que algunas especies responden a las deficiencias de Fe y Zn; ii) descifrar las funciones de una serie de metabolitos secretados por las raíces en la tolerancia al estrés metálico, estudiando la interacción entre los exudados y la pared celular de la raíz, los componentes del suelo y el microbioma de la raíz bajo estrés por Fe y Zn, y iii) establecer un marco basado en el conocimiento para suministrar metales a las plantas aprovechando la exudación por las raíces mediante aplicaciones exógenas de metabolitos para prevenir la deficiencia de Fe. Todos los datos -ómicos del proyecto serán FAIR, siendo accesibles tras la finalización del proyecto, lo que hará posible su re-análisis. Además, los resultados se diseminarán tanto en foros científicos como en audiencias más amplias durante todo el proyecto. Una mejor comprensión del metaboloma de las raíces de las plantas y de las adaptaciones al estrés por metales en los cultivos contribuiría no solo a resolver problemas agrícolas como las deficiencias y toxicidades de metales, sino también a mejorar el contenido de micronutrientes en los alimentos vegetales. Todo esto está en línea con los Retos Sociales 2 y 5 del Plan Estatal de Investigación 2017-2020 y el Cluster 5 del Pilar 2 del Programa Europeo Horizonte Europa 2021-2027. El reto de poder producir suficientes alimentos para alimentar a una población en aumento es cada vez mayor, y los conocimientos sobre el metaboloma de las raíces y su interacción con el medio ambiente será muy relevante en el futuro. Esta propuesta es continuación del proyecto AGL2016-75226-R, y mantiene la línea de investigación del grupo sobre el estudio de la homeostasis de metales en plantas a nivel de raíz. La novedad se basa en el enfoque holístico para conocer los cambios en los metabolitos de las plantas relacionados con la homeostasis de los metales, con el objeto de establecer un marco para explotar estas adaptaciones en la producción de cultivos. El Equipo de Investigación está integrado por tres científicos en plantilla del CSIC, y el Equipo de Trabajo está compuesto por tres científicos extranjeros (Francia, Alemania y Australia), un predoctoral y un graduado en funciones técnicas.

 

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SUMMARY

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Stresses induced by plant essential metals such as iron (Fe) and zinc (Zn) are some of the major abiotic constraints in crops, resulting in malnutrition in the human population in large areas of the world. Nutrient uptake is carried out by roots, which immediately sense any shortage of essential metals. The root production and secretion of an array of metabolites with diverse functions is a significant part of the plant adaptations to stress. Once in the rhizosphere, metabolites secreted by plants can directly mobilize scarcely soluble metal pools (such as Fe oxides), as well as attract, repel, inhibit or kill existing biota. Metabolomics (the large-scale study of metabolites within organisms, tissues or cells) and its sub-field exometabolomics (the characterization of extracellular metabolites) are promising tools for deciphering poorly known stress-related metabolic networks in plants. The objectives of the project are: i) to increase the knowledge on the root metabolic adaptations to metal stress in crops, studying how crop species respond to Fe and Zn deficiencies; ii) to decipher the roles of an array of metabolites secreted by roots in metal stress tolerance, studying the interplay between exudates and the root cell wall, soil components and the root microbiome under Fe and Zn stress, and iii) to establish a knowledge-based framework for exploiting root exudation to supply metals to plants, using exogenous applications of metabolites to prevent crop losses by Fe stress. The project will make all -omics data FAIR, so that they will remain alive beyond project completion, making re-analysis possible. Also, results will be delivered to scientific and broader audience forums during the whole project. A better understanding of the plant root metabolome and the adaptations to metal stress in crop species would contribute not only to solve agricultural problems such as metal deficiencies and toxicities, but also to improve the metal micronutrient content of plant foods. This is in line with the Societal Challenges 2 and 5 Spanish State Research Plan 2017-2020 and the Cluster 5 of Pillar 2 in the European Program Horizon Europe 2021-2027. The challenge of being able to produce enough food to feed an increasing population is growing, and the knowledge on the root metabolome and its interaction with the environment will be very relevant in the future. This proposal is a follow-up of the project AGL2016-75226-R, and continues the efforts of the group to study metal homeostasis in plants at the root level with an integrative focus. The novelty is based on the holistic approach to assess changes in plant metabolites related to metal homeostasis and establish a framework to exploit these adaptations in crop production. The Research Team includes three staff scientists from the CSIC, and the Work Team is composed of three scientists from foreign laboratories (France, Germany and Australia), a graduate student and another graduate working in a technical position.