Líneas de investigación

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LÍNEAS DE INVESTIGACIÓN

En este Objetivo exploraremos cómo las señales ambientales son percibidas por las plantas y hongos, llevando a cambios transcripcionales, metabólicos y fenotípicos. Nuestro primer interés busca entender cómo las plantas detectan y responden a las señales de nutrientes nitrogenados (RG, EV y LL). Determinaremos los mecanismos moleculares implicados en la modulación del crecimiento post-embrionario temprano de Arabidopsis thaliana por N, así como las respuestas durante la transición temprana desde plántula a la fase juvenil del desarrollo. La captación, el uso y la distribución eficaz de los recursos de N durante estas etapas son fundamentales para el establecimiento de la planta y el aumento en la tasa de crecimiento. Abordaremos el efecto de N en el contexto de otras señales ambientales (fotoperíodo, luz o temperatura) y analizaremos la interacción de estas señales con vías hormonales endógenas. Evidencia anterior de nuestro grupo destaca el papel del control postranscripcional en las respuestas de N. Exploraremos el papel de RNAs móviles controlados por N y su importancia en los procesos regulados por N en las plantas. Estos esfuerzos nos permitirán probar el papel de los mecanismos basados ??en RNA en las redes regulatorias de N de larga distancia y en los mecanismos de control fisiológico.

Identificaremos también GRN subyacentes al control de la fisiología fúngica por luz, tiempo (circadiano) y nutrientes (PC, LL, RG). Aunque continuaremos trabajo previo mapeando GRN controlados transcripcionalmente por el ritmo circadiano en Neurospora crassa, nos concentraremos en el hongo fitopatógeno Botrytis cinerea, problema agronómico importante en todo el mundo. Hemos demostrado que tanto la luz como la regulación circadiana modulan su virulencia. Aquí, identificaremos los mecanismos moleculares subyacentes a la interacción entre la luz y la homeostasis del hierro. También abordaremos el vínculo entre los componentes circadianos y el metabolismo del N, así como la regulación circadiana de factores de virulencia aún no identificados. Por otra parte, investigaremos el efecto de la luz/tiempo en la capacidad biocontroladora de Trichoderma atroviride. Esto implicará analizar el alcance de los mecanismos de control circadiano en este hongo beneficioso.

Finalmente, queremos entender el papel de la diversidad fenotípica en la adaptación a ambientes fríos (FC, LL, RG). Las levaduras son excelentes sistemas modelo para disectar las estrategias de adaptación a cambios de temperatura. Utilizaremos diversos aislados nativos de S. eubayanus (cepa parental del híbrido de levadura utilizado para producir cerveza lager) recientemente aisladas del sur de Chile. Estas cepas han sido aisladas desde diversos ambientes fríos, lo que representa una gran oportunidad para determinar las bases moleculares de la criotolerancia. Esto nos permitirá abordar también preguntas generales que vinculan la variabilidad fenotípica con la variación de la secuencia y la coevolución de los determinantes cis y trans. Además, el éxito en esta área permitirá estudios de procesos de hibridación relacionados con el vigor híbrido.

En el Objetivo 1 seguimos un enfoque convencional, probado e indefectible para nuestros sujetos biológicos de interés. Aquí, consideramos un escenario más ambicioso y realista en el que los organismos se enfrentan a cambios ambientales en presencia de especies benéficas o perjudiciales. Un modelo se centrará en Botrytis y Trichoderma, que tienen interacciones antagónicas. Examinaremos cómo diferentes señales ambientales (luz, N, tiempo o temperatura) modulan su interacción (resistencia vs biocontrol) y cómo los transcriptomas se reconfiguran al interactuar bajo diferentes condiciones ambientales. Además, compararemos el efecto de las señales ambientales cuando Botrytis interactúa con Arabidopsis versus el impacto de una señal dada en Arabidopsis o Botrytis por separado. Es importante destacar que examinaremos cómo estas señales ambientales modifican el resultado de la interacción y cómo el transcriptoma de ambos organismos cambia a medida que las señales abióticas y bióticas ocurren simultáneamente. Se llevará a cabo un enfoque similar para comprender a nivel fenotípico y molecular cómo la interacción beneficiosa entre T. atroviride y las raíces de Arabidopsis es modulada por el medioambiente. Nuestro objetivo es inferir GRN que puedan explicar la complejidad de las respuestas evocadas cuando las señales bióticas y abióticas coexisten. Basados ??en los datos fenotípicos y moleculares obtenidos, identificaremos genes candidatos que regulen el resultado de las interacciones planta-hongo y hongo-hongo. Estos genes serán probados en el Objetivo 3 y se comparará su comportamiento en presencia de Arabidopsis. Datos publicados han demostrado la existencia de una comunicación de RNA pequeños (sRNA) entre Botrytis y Arabidopsis. Exploraremos estas observaciones, tanto en el contexto de la variabilidad genética de Botrytis como en relación a los mecanismos de movilidad de RNA. También exploraremos una comunicación de dos vías mediante RNA en una interacción beneficiosa utilizando el sistema Arabidopsis – T. atroviride. De manera importante, analizaremos el papel de los sRNA en la interacción Botrytis-Trichoderma, para entender el efecto de sRNA sociales en la dinámica hongo-hongo. Tal información puede ayudar a diseñar nuevas estrategias de biocontrol proporcionando hongos beneficiosos y antagónicos con sRNAs personalizados.

La implementación de interruptores transcripcionales ortogonales ajustables permite la perturbación controlada de nodos transcripcionales de interés en plantas u hongos, permitiendo probar hipótesis y modelos derivados de los Objetivos 1 y 2. Además de los enfoques de genética reversa estándar, desarrollaremos nuevos controladores sintéticos que procesen información luminosa (interruptores optogenéticos) o compuestos moleculares (señal de nitrato, señales tipo quórum sensing), por ejemplo para el diseño de redes transcripcionales recableadas o la adición de circuitos sintéticos como bucles de retroalimentación positiva coherentes/incoherentes. Así, analizaremos el papel de bucles moleculares en la integración de cambios ambientales de una manera persistente (la memoria molecular) más allá de lo conocido para los ritmos circadianos. Como prueba de concepto, desarrollamos un circuito optogenético que permite a N. crassa comportarse como un «lienzo vivo”. Imágenes proyectadas sobre una capa de hongos provoca respuestas bioluminiscentes que recrean fielmente la imagen original. Al conectar este circuito optogenético con la red circadiana de Neurospora, el hongo reproduce en los días subsiguientes -circadianamente- la imagen «vista» originalmente, creando una memoria eidética (fotográfica) (ver Anexos). Este fenómeno puede producir nuevas evidencias sobre las respuestas en fase y la comunicación celular, permitiéndonos diseccionar los mecanismos que modulan la memoria transcripcional a perturbaciones ambientales discretas. Utilizando una estrategia similar, exploraremos si otros bucles transcripcionales naturales (o modificados) muestran memoria temporal comparable a estímulos discretos o repetidos (p.ej. en respuesta a tratamientos de nitrato transitorios o cambios de temperatura). Cómo estos bucles interactúan/se entrecruzan y activan vías de salida es fundamental para este Objetivo.

El IMBISS está comprometido en tener un impacto duradero en educación, desarrollo de capacidades y participación pública en ciencias biológicas. Aunque esto pueda parecer una actividad de extensión o de capacitación, consideramos que este es un objetivo definitorio de nuestro Instituto que contribuirá sustancialmente a impulsar nuestros objetivos de investigación 1 a 3. Planeamos crear una plataforma de tecnologías de código abierto para sistemas de plantas/hongos y biología sintética. Esto implica creación de software de código abierto, hardware y recursos wetware para la construcción y prueba eficiente de genes, nuevas herramientas para la visualización fluorescente en plantas y hongos, entre otros. El advenimiento de herramientas de fabricación personalizables como impresoras 3D y máquinas de corte láser, combinadas con software libre y microcontroladores fáciles de programar, permitirán la autoproducción de dispositivos científicos a bajo costo. Tenemos la intención de aprovechar y promover este ethos de “hazlo tú mismo” que ha dado lugar a una comunidad diversa que diseña, manipula y comparte una variedad de equipos de bajo costo en todo el mundo. Planeamos desarrollar herramientas para crear, p.ej. microscopios de código abierto para plantas y hongos combinando cámaras a color y óptica de bajo costo, electrónica de venta libre, microcontroladores de código abierto y diseño paramétrico de piezas impresas en 3D. Además, generaremos herramientas para la fabricación rápida de DNA y una librería abierta de componentes genéticos (p.ej. marcadores fluorescentes e inductores) para el estudio y la ingeniería de procesos biológicos de interés, como la señalización por nutrientes nitrogenados o la morfogénesis en el sistema vegetal Marchantia polymorpha. Estos recursos son clave y representan una plataforma integral para la investigación y la formación en biología de sistemas y sintética en plantas y hongos. Se debe destacar que estos recursos estarán compartidos y accesibles a través de repositorios en línea bajo licencias de código abierto, creative commons y OpenMTA. Finalmente, organizaremos talleres prácticos en todo el país que promoverán fabricación de hardware, programación, modelado paramétrico con impresoras 3D y fabricación de DNA, ayudando a equipar laboratorios de bajos ingresos y a desarrollar capacidades, capacitar capital humano y desarrollar una comunidad local centrada en las tecnologías de código abierto.

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