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TÍTULO DEL PROYECTO / PROJECT TITLE: Control fino de la homeostasis del hierro en plantas por ubiquitinación: una vía de adaptación al cambio climático/ Fine tuning of iron homeostasis in plants by ubiquitination: an avenue to adapt to climate change (Ferro-Ubi-omics)
REFERENCIA / CODE NUMBER: TED2021-130539A-I00
FINANCIADO POR / FUNDED BY: MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y Unión Europea “NextGenerationEU”/PRTR
IPs / PIs: Jorge Rodríguez Celma
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RESUMEN
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La fuente principal de alimentación para la población es la agricultura. Se espera que el cambio climático reduzca el rendimiento agrícola mundial. Es más, ha quedado demostrado que especies cultivadas en condiciones de alto CO2 atmosférico ven reducido su contenido en micronutrientes, incluyendo el hierro (Fe). El cambio climático también generará con más frecuencia condiciones climáticas extremas, como inundaciones y sequías, que tienen un efecto dramático en la disponibilidad de metales para las plantas. Por tanto, además de las hambrunas provocadas por la disminución del rendimiento agrícola, el cambio climático aumentará las deficiencias y toxicidades por metales, actualmente ya muy comunes, causando problemas de malnutrición tanto en ganado como en humanos. Dentro de las deficiencias nutricionales, la deficiencia de hierro (anemia) es la más prevalente en el mundo, afectando a más de un 20% de la población mundial, y siendo especialmente prevalente en mujeres y niños. De hecho, la reducción de la prevalencia de anemia mundial en un 50% es ya uno de los seis objetivos nutricionales de la OMS para 2025. Para adaptarnos al cambio climático, las prácticas agrícolas deben rediseñarse para suministrar suficientes nutrientes a la población dentro de los límites ecológicos del planeta. La deficiencia de Fe es ya uno de los factores más limitantes de la práctica agrícola, causando pérdidas de rendimiento y de calidad severas. Entender cómo las plantas regulan con precisión el balance entre la adquisición de Fe y su toxicidad será necesario para encontrar nuevas variedades potencialmente mejor adaptadas a las condiciones de cambio climático. Las proteínas BTS/L son claves en la regulación fina de la homeostasis de hierro promoviendo la ubiquitinación y reciclado de proteínas específicas. Un análisis completo de los procesos de ubiquitinación en deficiencia de Fe no ha sido realizado hasta la fecha. Con esta propuesta pretendemos mejorar nuestra comprensión de los mecanismos de regulación postraduccional presentes en la respuesta a la deficiencia de Fe en plantas. Estudiaremos los patrones de ubiquitinación en la homeostasis del Fe de una forma holística, usando técnicas punteras de proteómica, estableciendo un marco para encontrar, confirmar y caracterizar el papel de proteínas diana de ubiquitinación en deficiencia de Fe.
El objetivo general es obtener una visión completa del rol del reciclaje de proteínas en la regulación de la respuesta a la deficiencia de Fe. Este proyecto nos proporcionará nuevas dianas para la eficiencia de hierro y la biofortificación, permitiéndonos superar los límites impuestos por la selección natural de cultivos.
Los objetivos específicos son:
– Identificar la mayoría de las proteínas diana de ubiquitinación en deficiencia de Fe
– Desarrollar un nuevo método para el estudio de las dianas de ubiquitinación de cualquier E3 ligasa en vivo.
– Evaluar la función en la homeostasis del Fe de las nuevas dianas de ubiquitinación encontradas
Esta propuesta contribuirá a la generación de conocimiento científico y al desarrollo de una nueva tecnología para estudiar cómo la regulación postraduccional por ubiquitinación permite a las plantas adaptarse a un suministro inadecuado de Fe.
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SUMMARY
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The main source of food for the population is agriculture. Climate change is expected to take a huge toll on agricultural crop yield. Moreover, it has been shown that staple crops when grown under increased atmospheric CO2 concentrations have lower concentrations of micronutrients, including iron (Fe). Climate change will also increase the occurrence of extreme climate conditions, such as drought and flooding, both of which have a dramatic effect in micronutrient availability for the plants, especially in the case of metals such as Fe. Therefore, in addition to agricultural yield loss leading to hunger, climate change will exacerbate metal deficiencies and toxicities, already very common worldwide, causing malnutrition in livestock as well as in humans, in what is called hidden hunger. Among micronutrient deficiencies in humans, Iron Deficiency Anaemia (IDA) is the world most widespread, with a global prevalence over 20% (WHO), even higher in women, pregnant women, and children. In fact, 50% of reduction of anaemia in women of reproductive age is already one of the six global nutrition WHO targets for 2025. In order to adapt to climate change, agricultural practices must be redesigned to meet human needs within the ecological limits of our planet. Iron deficiency is already one of the main constrains for agriculture causing severe losses of crop yield and quality. Understanding how plants finely regulate the balance between Fe acquisition and toxicity will be necessary to find new traits in landraces, which can potentially contribute to the adaptation to climate change conditions. BTS/L proteins are key players in the fine tuning of Fe acquisition to Fe supply by facilitating the ubiquitination and turn-over of specific proteins. Despite the importance of protein turnover, a comprehensive analysis of this layer of regulation in Fe homeostasis in plants is still lacking. With this proposal we intend to shed light into the post-translational regulation of Fe homeostasis. We will use a holistic approach to assess changes in the ubiquitination patterns related to Fe homeostasis and establish a framework to find, confirm and characterize the role of ubiquitinated targets in the Fe homeostasis in plants. The proposal includes the use of state-of-the-art -omics technologies and the development of a new tool in molecular biology to investigate the ubiquitination process in vivo.
The overall aim is to obtain a comprehensive overview of the role of protein turn-over in regulating the Fe deficiency response. This research will provide us with new targets for Fe efficiency and biofortification, allowing us to go beyond breeding capabilities.
The specific objectives are:
– To identify the majority of ubiquitinated proteins specific for the iron deficiency response
– To develop a new tool to study the targets of any given E3 ligase in vivo
– To evaluate the function of the new targets of ubiquitination found in the Fe homeostasis in plants
This proposal will contribute by generating new scientific knowledge and developing a new technology to study how post-translational regulation by ubiquitination allows plants to cope with an inadequate Fe supply. The list of genes involved in Fe homeostasis generated and the conservation of the Fe homeostasis processes among plant species will allow us to study them in the necessary depth in Arabidopsis, with the final goal in the long term of implementing the solutions based on nature found in crop species.
TÍTULO DEL PROYECTO / PROJECT TITLE: El metaboloma de la raíz: una vía para controlar el estrés por metales en los cultivos / The root metabolome: an avenue to control metal stress in crops (ROOTMET)
REFERENCIA / CODE NUMBER: PID2020-115856RB-I00
FINANCIADO POR / FUNDED BY: MCIN/AEI/ 10.13039/501100011033
IPs / PIs: 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.