Descifran los mecanismos de las plantas para adaptarse al cambio climático aplicando técnicas de inteligencia artificial

Un equipo de investigación internacional liderado por la UPC ha utilizado técnicas avanzadas de 'machine learning' para identificar, por primera vez, los genes clave que permiten a las plantas responder simultáneamente a múltiples formas de estrés ambiental. La investigación, publicada en la revista Nature Communications, demuestra un nuevo enfoque para analizar el estrés multifactorial a escala genómica y abre la puerta al diseño de cultivos más resistentes al cambio climático.

¿Cuáles son los mecanismos internos que permiten a las plantas sobrevivir a condiciones ambientales adversas? Para responder a esta pregunta, un equipo de investigación internacional liderado por la Universitat Politècnica de Catalunya - BarcelonaTech (UPC) ha aplicado la inteligencia artificial (IA), más concretamente, machine learning, para realizar un estudio de las respuestas al estrés de forma multifactorial. La investigación, publicada en la revista Nature Communications, ha permitido comprender las resiliencias vegetales a fenómenos como la sequía, las temperaturas extremas y otras condiciones ambientales adversas causadas por el cambio climático.

El estudio está liderado por Raul Sánchez Muñoz, investigador postdoctoral Beatriz de Pinós en el Departamento de Ingeniería Agroalimentaria y Biotecnología de la UPC, y el profesor Isiah Zaplana Agut, del Departamento de Ingeniería de Sistemas, Automática e Informática Industrial de la Universidad, en colaboración con otros investigadores de la Ghent University, en Bélgica, y la Masaryk University, en la República Checa.

La innovación de la investigación radica en que, por primera vez, se ha combinado un metaanálisis exhaustivo con un algoritmo de aprendizaje automático no supervisado ("unsupervised machine learning") para analizar más de 500 transcriptomas —los conjuntos de todas las moléculas de ARN presentes en las células— de la planta modelo arabidopsis thaliana sometida a distintas condiciones de estrés.

Este análisis masivo e inteligente ha permitido identificar un 'núcleo de genes del estrés': un conjunto de genes clave implicados en la tolerancia de las plantas a diez condiciones ambientales adversas simultáneas, no solo individuales. Un elemento destacado que ha encontrado el equipo de investigación es el papel regulador del etileno, que actúa como factor crítico en esta resiliencia.

El etileno es una hormona vegetal que está presente en todas las etapas de desarrollo de las plantas, desde la germinación hasta la maduración del fruto. Ahora, esta investigación demuestra que también desempeña un rol central como integrador de la respuesta ante múltiples situaciones de estrés simultáneas: coordina y modula la activación de los genes clave que sostienen esta capacidad de resiliencia.

Tal y como explica el investigador Raul Sánchez, "la identificación de esta red génica y del papel del etileno abre la puerta al diseño de estrategias holísticas más eficientes para el desarrollo de nuevas variedades vegetales más adaptadas al cambio climático, tanto con ingeniería genética como con programas de mejora convencional".

El investigador Isiah Zaplana destaca que "comprender cómo las plantas adaptan su fisiología para superar condiciones de estrés severas y a menudo multifactoriales en la naturaleza es vital en el actual contexto de crisis climática".

Esta identificación de genes, que ha sido validada biológicamente por el equipo, abre una nueva vía para la biotecnología agrícola. Los genes identificados son potenciales targets biotecnológicos para el diseño y desarrollo de nuevos cultivos mejor preparados para soportar condiciones de sequía, temperaturas extremas y otras condiciones ambientales adversas causadas por el cambio climático. De esta forma, se establece un marco sólido para el avance de una agricultura más resiliente y sostenible.