Descripción
En los últimos años, hemos experimentado una creciente disponibilidad de análisis -ómicos, cada vez más robustos, para determinar cambios globales en la expresión génica a nivel de transcripción génica (transcriptómica), o mapeo de proteínas mejorados en cantidad y calidad (proteómica), incluso detección de cambios epigenéticos (epigenómica), entre otros. Esto ha hecho posible un aumento en los estudios que abordan este tipo de cambios que sufren las plantas cuando crecen en microgravedad, ya sea real (vuelos espaciales) o en condiciones de simulación en tierra. Los estudios transcriptómicos, utilizando técnicas de microarrays o, más recientemente, secuenciación masiva (RNAseq) son, con diferencia, los más frecuentes. Trabajamos para tener nuevos simuladores disponibles para la comunidad local en nuestro laboratorio en Madrid y coordinamos el acceso a las instalaciones terrestres de última generación de la Agencia Espacial Europea (ESA) gracias al proyecto GIA2.
Los estudios transcriptómicos han producido una gran cantidad de información sobre las respuestas de las plantas a la microgravedad y al ambiente del vuelo espacial. El procesamiento e interpretación de esta información no es trivial, por diferentes motivos. Los experimentos de vuelos espaciales son mucho menos frecuentes y están sujetos a muchas más restricciones que los experimentos realizados en laboratorios terrestres, y esto afecta tanto a la reproducibilidad de los experimentos como al procesamiento estadístico de los datos. Además, los genotipos, las condiciones de crecimiento, el hardware utilizado y los estadios de desarrollo de las muestras experimentales muestran una gran dispersión entre los diferentes experimentos, comprometiendo seriamente la armonización de los datos. En el proyecto denominado GeneLab, bajo el liderazgo de la NASA y la participación de laboratorios de diferentes países, se ha llevado a cabo un importante esfuerzo de intercambio y estandarización de datos. El proyecto está organizado en diferentes grupos de trabajo (AWG), uno de ellos dedicado específicamente a las plantas (Barker et al. 2020; Ray et al. 2018). La contribución europea a estos grupos de trabajo internacionales se coordina desde nuestro laboratorio a través del consorcio ISSOP y el Equipo Temático Space Omics financiado por la ESA.
Se han analizado diferentes genotipos, en su mayoría de la especie modelo Arabidopsis thaliana, e incluso diferentes ecotipos de esta especie en su respuesta a los vuelos espaciales a través del proyecto Seedling Growth en la Estación Espacial Internacional. No se apreciaron diferencias fenotípicas entre ellos tras germinar en el ambiente espacial, pero los resultados transcriptómicos mostraron diferencias muy significativas en el número y la identidad de los genes que mostraban una regulación alterada en comparación con los respectivos controles en tierra. Esto significaría que cada genotipo, ya sea mutante o ecotipo, utilizó una estrategia diferente -un conjunto diferente de genes- para adaptarse fisiológicamente al cambio ambiental (Manzano et al. 2020). Es muy difícil discriminar cuáles de los cambios encontrados son realmente adaptativos y cuáles son circunstanciales, innecesarios para la adaptación y, por lo tanto, prescindibles. Se ha localizado un "conjunto básico de funciones" afectadas, constituido, según los datos disponibles, por el sistema de genes de respuesta al choque térmico, las vías de estrés oxidativo, que implican la producción de Especies Reactivas de Oxígeno (ROS), y el complejo de remodelación de la pared celular. Aunque este conjunto esta todavía incompleto, las especificidades de cada genotipo, órgano (raíz o parte aérea) e incluso de cada tipo celular, en la respuesta adaptativa, debe tenerse en cuenta en la compleja tarea de completar esa respuesta esencial a la microgravedad. Una sutil respuesta general al estrés relacionada con la función mitocondrial es la respuesta común observada en los reinos vegetal y animal hasta ahora, generalmente observada en sinergia con la adaptación a entornos subóptimos como los observados en los experimentos de simulación de vuelos espaciales, con la gravedad de la Luna/Marte y microgravedad (da Silveira et al. 2020; Herranz et al. 2019; Herranz et al. 2010).
Establecer comparaciones cruzadas entre los datos transcriptómicos de diferentes experimentos de simulación y vuelos espaciales de plantas es obligado (Barker et al. 2023). Consorcios coordinados por el CSIC a nivel europeo (Deane et al. 2022; Rutter et al. 2020; Madrigal et al. 2020) apoyan la revisión de los metadatos de la base de datos GeneLab, proporcionando más información y criterios comunes para la explotación y comparación de los conjuntos de datos. También es necesario que la comunidad de vuelos espaciales sea consciente de las limitaciones de la investigación de los vuelos espaciales, especialmente en la preparación y el análisis de experimentos y controles de referencia en tierra (Manzano et al. 2020). Revisiones recientes (en The Biology of Spaceflight y Space Omics in Europe, compendios en Cell Press y The Future of the Science of Space Exploration: A European View en revistas del grupo Nature)* presentan a la comunidad científica las oportunidades actuales para la investigación de la biología espacial y discuten cómo dar a la investigación de la biología espacial la oportunidad de cumplir con estándares de buenas prácticas similares a los de otros estudios de biología vegetal. Nuestro objetivo es vincular nuestros esfuerzos con otros biólogos de plantas involucrados en los objetivos del medio ambiente sostenible y el desarrollo de sistemas de soporte vital.
Barker R, Lombardino J, Rasmussen K, Gilroy S (2020) Test of Arabidopsis Space Transcriptome: A Discovery Environment to Explore Multiple Plant Biology Spaceflight Experiments. Front Plant Sci 11 (147). doi:10.3389/fpls.2020.00147
Barker, R., Kruse, C.P.S., Johnson, C. et al. (2023) Meta-analysis of the space flight and microgravity response of the Arabidopsis plant transcriptome. npj Microgravity 9, 21 https://doi.org/10.1038/s41526-023-00247-6
da Silveira WA, Fazelinia H, Rosenthal SB, Laiakis EC, Kim MS, Meydan C, Kidane Y, Rathi KS, Smith SM, Stear B, Ying Y, Zhang Y, Foox J, Zanello S, Crucian B, Wang D, Nugent A, Costa HA, Zwart SR, Schrepfer S, Elworth RAL, Sapoval N, Treangen T, MacKay M, Gokhale NS, Horner SM, Singh LN, Wallace DC, Willey JS, Schisler JC, Meller R, McDonald JT, Fisch KM, Hardiman G, Taylor D, Mason CE, Costes SV, Beheshti A (2020) Comprehensive Multi-omics Analysis Reveals Mitochondrial Stress as a Central Biological Hub for Spaceflight Impact. Cell 183 (5):1185-1201 e1120. doi:10.1016/j.cell.2020.11.002
Deane CS, Space Omics Topical T, da Silveira WA, Herranz R (2022) Space omics research in Europe: Contributions, geographical distribution and ESA member state funding schemes. iScience 25 (3):103920. doi:10.1016/j.isci.2022.103920
Herranz R, Benguria A, Lavan DA, Lopez-Vidriero I, Gasset G, Javier Medina F, van Loon JJWA, Marco R (2010) Spaceflight-related suboptimal conditions can accentuate the altered gravity response of Drosophila transcriptome. Molecular Ecology 19 (19):4255-4264. doi:10.1111/j.1365-294X.2010.04795.x
Herranz R, Vandenbrink JP, Villacampa A, Manzano A, Poehlman WL, Feltus FA, Kiss JZ, Medina FJ (2019) RNAseq Analysis of the Response of Arabidopsis thaliana to Fractional Gravity Under Blue-Light Stimulation During Spaceflight. Frontiers in plant science 10:1529. doi:10.3389/fpls.2019.01529
Madrigal P, Gabel A, Villacampa A, Manzano A, Deane CS, Bezdan D, Carnero-Diaz E, Medina FJ, Hardiman G, Grosse I, Szewczyk N, Weging S, Giacomello S, Harridge S, Morris-Paterson T, Cahill T, Silveira WAd, Herranz R (2020) Revamping Space-omics in Europe. Cell Systems: https://doi.org/10.1016/j.cels.2020.1010.1006
Manzano A, Villacampa A, Sáez-Vasquez J, Kiss JZ, Medina FJ, Herranz R (2020) The importance of Earth reference controls in spaceflight -omics research: characterization of nucleolin mutants from the Seedling Growth experiments iScience 23 (11):101686. doi:10.1016/j.isci.2020.101686
Ray S, Gebre S, Fogle H, Berrios DC, Tran PB, Galazka JM, Costes SV (2018) GeneLab: Omics database for spaceflight experiments. Bioinformatics 35 (10):1753-1759. doi:10.1093/bioinformatics/bty884
Rutter L, Barker R, Bezdan D, Cope H, Costes SV, Degoricija L, Fisch KM, Gabitto MI, Gebre S, Giacomello S, Gilroy S, Green SJ, Mason CE, Reinsch SS, Szewczyk NJ, Taylor DM, Galazka JM, Herranz R, Muratani M (2020) A New Era for Space Life Science: International Standards for Space Omics Processing (ISSOP). Patterns:https://doi.org/10.1016/j.patter.2020.100148
(*) Publicaciones en abierto disponibles en los números monográficos de revistas del Grupo Cell en 2020 https://www.cell.com/c/the-biology-of-spaceflight y 2022 https://www.sciencedirect.com/journal/iscience/special-issue/10K54CFNC0X , así como del Grupo Nature en 2023 https://www.nature.com/collections/cfhdahhcde.
Space Omics Topical Team, funded by ESA (contract #4000131202/20/NL/PG/pt)
GIA2 Ground Based Facilities project, funded by ESA (contract #4000130341/20/NL/PG/pt)
Miembros
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