Translacijska genomika in dinamično modeliranje za razumevanje odziva rastlin na stres

Eden izmed najpomembnejših izzivov za človeštvo v 21. stoletju bo proizvodnja zadostne količine kakovostne hrane za našo prehrano. V zadnjih desetletjih so podnebne spremembe povzročile povečanje intenzivnosti in števila abiotskih in biotskih stresnih dogodkov (vročina, suša, poplave in napadi patogenih organizmov), kar že povzroča regionalni izpad pridelka. Preprečevanje in blažitev negativnih učinkov spreminjajočega se okolja lahko dosežemo z izboljšanjem odpornosti kulturnih rastlin, za kar je potrebno celostno in poglobljeno razumevanje njihovega odziva na različne oblike fizikalnega in biološkega stresa. V rastlini zaznava stresa sproži zapleteno signalno omrežje, ki vključuje številne transkripcijske regulatorje, velike spremembe v aktivnosti genov ter sintezo in signalizacijo fitohormonov.  Osnovne raziskave na modelnih vrstah so pripeljale do boljšega molekularnega razumevanja mehanizmov signalizacije in regulacije v rastlinah. Znanje o odzivih na stres modelnih rastlinskih organizmov smo zbrali v enotno obsežno signalno omrežje, ki je raziskovalcem na voljo kot spletni vir. Vendar pa podobnega vpogleda ni pri večini rastlinskih vrst, ki jih uporabljamo v kmetijstvu. Položaj bi bilo mogoče izboljšati, če bi bilo mogoče prevesti znanje o delovanju genov iz modelnih na kulturne rastline. Takšno prevajanje se najpogosteje izvaja z določanjem ortolognih genov na podlagi podobnosti zaporedij DNK sekvenc. Žal ortologni geni med modelnimi in rastlinskimi vrstami ne opravljajo vedno povsem enake funkcije, zlasti pri odzivu na stres. Za večjo uporabnost prevajanja moramo namesto tega določiti ""funkcionalne ortologe"", ki imajo lahko le zmerno podobnost zaporedja, vendar skupno molekularno funkcijo. Prvi cilj projekta je ustvariti visokokakovosten, integrativen pristop, ki vključuje več algoritmov z različnimi predpostavkami, za prevajanje funkcij genov med modelnimi in kulturnimi rastlinami. To bo izboljšalo naše sedanje znanje o rastlinski signalizaciji tekom izpostavljenosti stresu in preneslo sedanje razpoložljivo znanje na kulturne rastline. Po drugi strani pa lahko tudi ob kakovostnem prenosu ortologije iz modelne v kulturno rastlino pričakujemo razlike med vrstami v dinamičnem odzivu genov na stres. Zato je drugi cilj tega projekta raziskati dinamične odzive na stres v pomembnem nizu vzorčnih rastlin: modelni vrsti Arabidopsis, ter dvema kulturnima rastlinama, paradižniku, za katerega je na voljo več informacij, in krompirju, ki je manj raziskan. To bomo izvedli z uporabo Boolovih omrežij in polkvantitativnega logičnega modeliranja, integriranega s časovnimi vrstami transkriptomskih podatkov, ki so na voljo v naši raziskovalni skupini. To bo omogočilo razumevanje, kako se odzivi med vrstami razlikujejo v različnih stresnih pogojih. Modeli nam bodo omogočili sistematično iskanje pomembnih molekularnih komponent odpornosti rastlin na stres, ki bodo v prihodnosti postale tarče za izboljšanje odpornosti rastlin in s tem povečanje kvalitete in količine pridelkov v spreminjajočem se svetu.