• Brassinosteroids are plant hormones which are critical for plant growth and response to water-scarcity.
• By modifiying a specific protein in this pathway, CRAG researchers obtained plants that showed increased tolerance to drought stress and without penalizing growth.
• The results of this study can help develop a climate-resilient agriculture.

A team of researchers from the Centre for Research in Agricultural Genomics (CRAG) has made an exciting breakthrough that could significantly improve drought resistance in crops. By studying sorghum, a cereal widely grown in semi-arid regions, the researchers have identified a molecular mechanism that enables the plant to thrive under water-scarce conditions. This discovery could pave the way for developing more resilient crops to help secure global food supplies in the face of increasing climate crisis.

Sorghum is a vital crop for millions of people living in regions prone to drought, such as Saharan regions of Africa, Southeast Asia, and Central America. While sorghum is naturally more drought-resistant than other cereals, extreme droughts still cause considerable reductions in yield. To address this issue, the CRAG-led research team has focused on understanding how plants respond to drought at a molecular level, identifying key genes that could be modified to boost drought resilience.

The research, led by Ana I. Caño-Delgado, CSIC researcher at CRAG, and published in the Plant Biotechnology Journal, focuses on the plant steroid hormones called brassinosteroids and their receptor BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE 1 (BRI1). Brassinosteroids are critical for plant growth, but their role in drought adaptation has remained unclear. The team has now discovered that by modifying in the BRI1 receptor of sorghum (known as SbBRI1), sorghum plants can significantly improve their drought tolerance.

Understanding the response of plants to drought

The team’s study reveals that the SbBRI1 receptor plays a dual role. Under normal conditions, it regulates lignin biosynthesis through a downstream protein called SbBES1. Lignin is a critical component in cell wall formation, but it also requires significant energy and resources. However, during drought conditions, this process changes. The SbBES1 protein becomes less active, and the plant switches to a different metabolic pathway that activates flavonoid production.

Flavonoids are compounds that protect plants from environmental stressors such as UV light and drought. The shift in metabolic activity enables the plant to conserve energy, improve photosynthesis efficiency, and protect itself from the harsh conditions brought on by drought. “This adaptive shift is a very exciting finding, it shows how plants can reallocate their resources to survive under stress”, Ana I. Caño-Delgado says.

In their experiments, researchers generated mutant sorghum plants with a loss-of-function mutation in the SbBRI1 gene, to produce inactive BRI1 receptors. These mutant plants were tested under controlled drought conditions, and the results were remarkable. Compared to their non-mutated counterparts, the mutant plants displayed significantly improved water retention and photosynthetic efficiency, showing that BRI1 protein enchances the susceptibility to drought in sorghum.

When analysing these Sbbri1 mutant plants more in depth, researchers found that they were defective in a specific molecular route: the phenylpropanoid pathway, leading to reduced levels of lignin precursors and accumulation of flavone.

“One of the most striking findings was how well these plants maintained photosynthesis during severe drought”, says Juan Fontanet-Manzaneque, the first author of the study. “Normally, drought causes a decrease in photosynthesis, which leads to stunted growth and lower yields. But these mutants kept functioning at a higher level, which could mean better yields under drought conditions”.

Potential impact on global agriculture

This discovery is more than just a scientific breakthrough; it holds tremendous potential for improving food security in regions vulnerable to climate change. As droughts become more frequent and severe, the ability to grow crops that are more resilient to these conditions will be crucial for maintaining stable food supplies.

Sorghum is already a staple crop in many dry regions, and by leveraging this knowledge, breeders could develop new varieties that are even more drought-tolerant. This research could also extend beyond sorghum. The BRI1 receptor exists in many plants, including maize, wheat, and rice, which are even more vulnerable to drought. “Undertanding the brassinosteroid signaling in sorghum is key to develop climate-resilient agriculture” Ana I. Caño-Delgado explains.

Reference article

Juan B. Fontanet-Manzaneque, Natalie Laibach, Iván Herrero-García, Veredas Coleto-Alcudia, David Blasco-Escámez, Chen Zhang, Luis Orduña, Saleh Alseekh, Sara Miller, Nanna Bjarnholt, Alisdair R. Fernie, José Tomás Matus, Ana I. Caño-Delgado. Untargeted mutagenesis of brassinosteroid receptor SbBRI1 confers drought tolerance by altering phenylpropanoid metabolism in Sorghum bicolor. Plant Biotechnology Journal, https://doi.org/10.1111/pbi.14461

About the authors and funding of the study

A.I.C.-D has received funding from the European Research Council (ERC) under the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (grant agreement 683163). J.B.F.-M., I.H.G and D.B.-E. were funded by ERC-2015-CoG-683163 granted to A.I.C.-D. J.B.F.-M. has received funding from the Ministry of Science, Innovation and Universities of Spain Grant PID2020-118218RB. N.L. has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No: 945043 and was additionally supported by grant CEX2019-000902-S funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033. I.H.G. is funded by FPU19/04332 grant from the Spanish Ministry of Universities. V.C.-A. is recipient of grant PRE2019-088780 funded by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and by ‘ESF Investing in your future’. L.O. was supported by FPI scholarship (PRE2019-088044), provided by MCIN/AEI/10.13039/501100011033 and FSE ‘invierte en tu futuro’. J.T.M. acknowledges the Grant PID2021- 128865NB-100, provided by MCI-N/AEI/10.13039/501100011033/ and FEDER ‘Una manera de hacer Europa’. C.Z. is supported by China Scholarship Council (CSC; no.: 201906300087). S.A. and A.R.F. acknowledge the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme, project PlantaSYST (SGA-CSA No: 739582 under FPA No: 664620) and the BG05M2OP001-1.003-001-C01 project, financed by the European Regional Development Fund through the Bulgarian ‘Science and Education for Smart Growth’ Operational Programme. S.M. and N.B. acknowledge the support from VILLUM FONDEN, Denmark, Grant No: 19151, awarded to N.B., and the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under the Marie Skłodowska-Curie grant agreement No: 801199, awarded to S.M.

Identificat un mecanisme genètic clau que millora la tolerància a la sequera en el sorgo

Un nou estudi revela com la modificació d'una proteïna en el sorgo ajuda a crear una major tolerància de la planta a la sequera sense afectar el seu creixement.

• Els brasinosteroides són hormones vegetals que són fonamentals per al creixement de les plantes i la seva resposta a l' escassetat d'aigua.
• En modificar una proteïna específica en aquesta via, els investigadors del CRAG han obtingut plantes que mostren una major tolerància a l'estrès per sequera i sense penalitzar el creixement.
• Els resultats d'aquest estudi poden ajudar a desenvolupar una agricultura més resilient al clima.

Un equip d'investigació del Centre de Recerca en Agrigenòmica (CRAG) ha aconseguit un gran avanç que podria millorar significativament la resistència a la sequera en els cultius. Mitjançant l'estudi del sorgo, un cereal àmpliament cultivat en regions semiàrides, els investigadors han identificat un mecanisme molecular que permet a la planta prosperar en condicions d'escassetat d'aigua. Aquest descobriment podria contribuir al desenvolupament de cultius més resistents que ajudin a assegurar el subministrament mundial d'aliments davant la creixent crisi climàtica.

El sorgo és un cultiu vital per a milions de persones que viuen en regions propenses a la sequera, com les regions saharianes de l'Àfrica, el sud-est asiàtic i Amèrica Central. Si bé el sorgo és naturalment més resistent a la sequera que altres cereals, les sequeres extremes continuen causant reduccions considerables en el rendiment. Per abordar aquest problema, l'equip de recerca liderat pel CRAG s'ha centrat a comprendre com responen les plantes a la sequera a nivell molecular, identificant gens clau que podrien modificar-se per augmentar la resiliència a la sequera.

La investigació, liderada per Ana I. Caño-Delgado, investigadora CSIC al CRAG, i publicada a la revista Plant Biotechnology Journal, se centra en les hormones esteroides vegetals anomenades brasinosteroides i el seu receptor BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE 1 (BRI1). Els brasinosteroides són fonamentals per al creixement de les plantes, però el seu paper en l'adaptació a la sequera segueix sense estar del tot clar. L'equip ha descobert ara que en modificar el receptor BRI1 del sorgo (conegut com a SbBRI1), les plantes de sorgo poden millorar significativament la seva tolerància a la sequera.

Comprendre la resposta de les plantes a la sequera

L'estudi de l'equip del CRAG revela que el receptor SbBRI1 exerceix una doble funció. En condicions normals, regula la biosíntesi de lignina a través d' una proteïna anomenada SbBES1. La lignina és un component crític en la formació de la paret cel·lular, però també requereix una quantitat significativa d'energia i recursos. No obstant això, durant condicions de sequera, aquest procés canvia. La proteïna SbBES1 es torna menys activa i la planta canvia a una via metabòlica diferent que activa la producció de flavonoides.

Els flavonoides són compostos que protegeixen les plantes de factors estressants ambientals com la llum ultraviolada i la sequera. El canvi en l'activitat metabòlica permet a la planta conservar energia, millorar l'eficiència de la fotosíntesi i protegir-se de les dures condicions provocades per la sequera. "Aquest canvi adaptatiu és una troballa molt emocionant, mostra com les plantes poden reassignar els seus recursos per sobreviure sota estrès", Ana I. Caño-Delgado diu.

En els seus experiments, els investigadors van generar plantes de sorgo mutants amb una mutació de pèrdua de funció en el gen SbBRI1, per produir receptors BRI1 inactius. Aquestes plantes mutants es van provar en condicions de sequera controlada i els resultats van ser notables. En comparació amb les equivalents no mutades, les plantes mutants van mostrar una retenció d'aigua i una eficiència fotosintètica significativament millorades, cosa que demostra que la proteïna BRI1 augmenta la susceptibilitat a la sequera en el sorgo.

En analitzar més en profunditat aquestes plantes mutants de Sbbri1, els investigadors van descobrir que eren defectuoses en una ruta molecular específica: la via dels fenilpropanoides, cosa que condueix a nivells reduïts de precursors de lignina i acumulació de flavona.

"Una de les troballes més sorprenents va ser com de bé aquestes plantes van mantenir la fotosíntesi durant una sequera severa", diu Juan Fontanet-Manzaneque, primer autor de l'estudi. “Normalment, la sequera provoca una disminució de la fotosíntesi, cosa que condueix a un retard en el creixement i menors rendiments. Però aquests mutants seguien funcionant a un nivell més alt, cosa que podria significar millors rendiments en condicions de sequera".

Impacte potencial en l'agricultura mundial

Aquest descobriment és més que un avenç científic; té un enorme potencial per millorar la seguretat alimentària en regions vulnerables al canvi climàtic. A mesura que les sequeres es tornen més freqüents i severes, la capacitat de cultivar cultius que siguin més resistents a aquestes condicions serà crucial per mantenir un subministrament estable d'aliments.

El sorgo ja és un cultiu bàsic en moltes regions àrides i, en aprofitar aquest coneixement, els milloradors podrien desenvolupar noves varietats que siguin encara més tolerants a la sequera. Aquesta recerca també podria estendre's més enllà del sorgo. El receptor BRI1 existeix en moltes plantes, com el blat de moro, el blat i l'arròs, que són encara més vulnerables a la sequera. "Entendre la senyalització de brasinosteroides en el sorgo és clau per a desenvolupar una agricultura més resistent al clima", Ana I. Caño-Delgado explica.

Article de referència:

Juan B. Fontanet-Manzaneque, Natalie Laibach, Iván Herrero-García, Veredas Coleto-Alcudia, David Blasco-Escámez, Chen Zhang, Luis Orduña, Saleh Alseekh, Sara Miller, Nanna Bjarnholt, Alisdair R. Fernie, José Tomás Matus, Ana I. Caño-Delgado. Untargeted mutagenesis of brassinosteroid receptor SbBRI1 confers drought tolerance by altering phenylpropanoid metabolism in Sorghum bicolor. Plant Biotechnology Journal, https://doi.org/10.1111/pbi.14461

Sobre els autors i el finançament de l'estudi:

A.I.C.-D ha rebut finançament del Consell Europeu de Recerca (ERC) en el marc del programa de recerca i innovació Horizon 2020 de la Unió Europea (acord de subvenció 683163). J.B.F.-M., I.H.G i D.B.-E. van ser finançats per ERC-2015-CoG-683163 atorgats a A.I.C.-D. J.B.F.-M. ha rebut finançament del Ministeri de Ciència, Innovació i Universitats d' Espanya Subvenció PID2020-118218RB. N.L. ha rebut finançament del programa de recerca i innovació Horizon 2020 de la Unió Europea en virtut de l'acord de subvenció Marie Skłodowska-Curie nº 945043 i ha comptat amb el suport addicional de la subvenció CEX2019-000902-S finançada per MCIN/AEI/10.13039/501100011033. L'I.H.G. està finançat per la beca FPU19/04332 del Ministeri d'Universitats. V.C.-A. és beneficiària de la subvenció PRE2019-088780 finançada per MCIN/AEI/10.13039/501100011033 i per «ESF Investing in your future». L.O. va comptar amb el suport de la beca FPI (PRE2019-088044), atorgada per MCIN/AEI/10.13039/501100011033 i 'ESF Investing in your future'. J.T.M. reconeix la subvenció PID2021- 128865NB-100, atorgada per MCIN/AEI/10.13039/501100011033/ i FEDER 'Una manera de fer Europa'. C.Z. compta amb el suport del Consell de Beques de la Xina (CSC; no.: 201906300087). S.A. i A.R.F. reconeixen el programa de recerca i innovació Horitzó 2020 de la Unió Europea, el projecte PlantaSYST (SGA-CSA Nº: 739582 sota el nº FPA: 664620) i el projecte BG05M2OP001-1.003-001-C01, finançat pel Fons Europeu de Desenvolupament Regional a través del Programa Operatiu Búlgar "Ciència i Educació per al Creixement Intel·ligent". S.M. i N.B. agraeixen el suport de VILLUM FONDEN, Dinamarca, la subvenció nº 19151, concedida a N.B., i el programa de recerca i innovació Horizon 2020 de la Unió Europea en el marc de l'acord de subvenció Marie Skłodowska-Curie nº 801199, concedit a S.M.

Identificado un mecanismo genético clave que mejora la tolerancia a la sequía en el sorgo

Un nuevo estudio revela como la modificación de una proteína en el Sorgo ayuda a crear una mayor tolerancia de la planta a la sequía sin afectar a su crecimiento.

• Los brasinosteroides son hormonas vegetales que son fundamentales para el crecimiento de las plantas y su respuesta a la escasez de agua.
• Al modificar una proteína específica en esta vía, los investigadores del CRAG obtuvieron plantas que mostraron una mayor tolerancia al estrés por sequía y sin penalizar el crecimiento.
• Los resultados de este estudio pueden ayudar a desarrollar una agricultura más resiliente al clima.

Un equipo de investigación del CRAG ha logrado un gran avance que podría mejorar significativamente la resistencia a la sequía en los cultivos. Mediante el estudio del sorgo, un cereal ampliamente cultivado en regiones semiáridas, los investigadores han identificado un mecanismo molecular que permite a la planta prosperar en condiciones de escasez de agua. Este descubrimiento podría allanar el camino para el desarrollo de cultivos más resistentes que ayuden a asegurar el suministro mundial de alimentos ante la creciente crisis climática.

El sorgo es un cultivo vital para millones de personas que viven en regiones propensas a la sequía, como las regiones saharianas de África, el sudeste asiático y América Central. Si bien el sorgo es naturalmente más resistente a la sequía que otros cereales, las sequías extremas siguen causando reducciones considerables en el rendimiento. Para abordar este problema, el equipo de investigación liderado por el CRAG se ha centrado en comprender cómo responden las plantas a la sequía a nivel molecular, identificando genes clave que podrían modificarse para aumentar la resiliencia a la sequía.

La investigación, liderada por Ana I. Caño-Delgado, investigadora CSIC en el CRAG, y publicada en la revista Plant Biotechnology Journal, se centra en las hormonas esteroides vegetales llamadas brasinosteroides y su receptor BRASSINOSTEROID-INSENSITIVE 1 (BRI1). Los brasinosteroides son fundamentales para el crecimiento de las plantas, pero su papel en la adaptación a la sequía sigue sin estar claro. El equipo ha descubierto ahora que al modificar el receptor BRI1 del sorgo (conocido como SbBRI1), las plantas de sorgo pueden mejorar significativamente su tolerancia a la sequía.

Comprender la respuesta de las plantas a la sequía

El estudio del equipo del CRAG revela que el receptor SbBRI1 desempeña una doble función. En condiciones normales, regula la biosíntesis de lignina a través de una proteína llamada SbBES1. La lignina es un componente crítico en la formación de la pared celular, pero también requiere una cantidad significativa de energía y recursos. Sin embargo, durante condiciones de sequía, este proceso cambia. La proteína SbBES1 se vuelve menos activa y la planta cambia a una vía metabólica diferente que activa la producción de flavonoides.

Los flavonoides son compuestos que protegen a las plantas de factores estresantes ambientales como la luz ultravioleta y la sequía. El cambio en la actividad metabólica permite a la planta conservar energía, mejorar la eficiencia de la fotosíntesis y protegerse de las duras condiciones provocadas por la sequía. "Este cambio adaptativo es un hallazgo muy emocionante, muestra cómo las plantas pueden reasignar sus recursos para sobrevivir bajo estrés", Ana I. Caño-Delgado dice.

En sus experimentos, los investigadores generaron plantas de sorgo mutantes con una mutación de pérdida de función en el gen SbBRI1, para producir receptores BRI1 inactivos. Estas plantas mutantes se probaron en condiciones de sequía controlada y los resultados fueron notables. En comparación con sus equivalentes no mutadas, las plantas mutantes mostraron una retención de agua y una eficiencia fotosintética significativamente mejoradas, lo que demuestra que la proteína BRI1 aumenta la susceptibilidad a la sequía en el sorgo.

Al analizar más en profundidad estas plantas mutantes de Sbbri1, los investigadores descubrieron que eran defectuosas en una ruta molecular específica: la vía de los fenilpropanoides, lo que conduce a niveles reducidos de precursores de lignina y acumulación de flavona.

"Uno de los hallazgos más sorprendentes fue como de bien estas plantas mantuvieron la fotosíntesis durante una sequía severa", dice Juan Fontanet-Manzaneque, primer autor del estudio. “Normalmente, la sequía provoca una disminución de la fotosíntesis, lo que conduce a un retraso en el crecimiento y menores rendimientos. Pero estos mutantes seguían funcionando a un nivel más alto, lo que podría significar mejores rendimientos en condiciones de sequía".

Impacto potencial en la agricultura mundial

Este descubrimiento es más que un avance científico; tiene un enorme potencial para mejorar la seguridad alimentaria en regiones vulnerables al cambio climático. A medida que las sequías se vuelven más frecuentes y severas, la capacidad de cultivar cultivos que sean más resistentes a estas condiciones será crucial para mantener un suministro estable de alimentos.

El sorgo ya es un cultivo básico en muchas regiones áridas y, al aprovechar este conocimiento, los mejoradores podrían desarrollar nuevas variedades que sean aún más tolerantes a la sequía. Esta investigación también podría extenderse más allá del sorgo. El receptor BRI1 existe en muchas plantas, como el maíz, el trigo y el arroz, que son aún más vulnerables a la sequía. "La comprensión de la señalización de brasinosteroides en el sorgo es clave para desarrollar una agricultura más resistente al clima", Ana I. Caño-Delgado explica.

Artículo de referencia

Juan B. Fontanet-Manzaneque, Natalie Laibach, Iván Herrero-García, Veredas Coleto-Alcudia, David Blasco-Escámez, Chen Zhang, Luis Orduña, Saleh Alseekh, Sara Miller, Nanna Bjarnholt, Alisdair R. Fernie, José Tomás Matus, Ana I. Caño-Delgado. Untargeted mutagenesis of brassinosteroid receptor SbBRI1 confers drought tolerance by altering phenylpropanoid metabolism in Sorghum bicolor. Plant Biotechnology Journal, https://doi.org/10.1111/pbi.14461

Sobre los autores y la financiación del estudio

A.I.C.-D ha recibido financiación del Consejo Europeo de Investigación (ERC) en el marco del programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea (acuerdo de subvención 683163). J.B.F.-M., I.H.G y D.B.-E. fueron financiados por ERC-2015-CoG-683163 otorgados a A.I.C.-D. J.B.F.-M. ha recibido financiación del Ministerio de Ciencia, Innovación y Universidades de España Subvención PID2020-118218RB. N.L. ha recibido financiación del programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea en virtud del acuerdo de subvención Marie Skłodowska-Curie n.º 945043 y ha contado con el apoyo adicional de la subvención CEX2019-000902-S financiada por MCIN/AEI/10.13039/501100011033. El I.H.G. está financiado por la beca FPU19/04332 del Ministerio de Universidades. V.C.-A. es beneficiaria de la subvención PRE2019-088780 financiada por MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y por «ESF Investing in your future». L.O. contó con el apoyo de la beca FPI (PRE2019-088044), otorgada por MCIN/AEI/10.13039/501100011033 y ‘ESF Investing in your future’. J.T.M. reconoce la subvención PID2021- 128865NB-100, otorgada por MCIN/AEI/10.13039/501100011033/ y FEDER 'Una manera de hacer Europa'. C.Z. cuenta con el apoyo del Consejo de Becas de China (CSC; no.: 201906300087). S.A. y A.R.F. reconocen el programa de investigación e innovación Horizonte 2020 de la Unión Europea, el proyecto PlantaSYST (SGA-CSA Nº: 739582 bajo el nº FPA: 664620) y el proyecto BG05M2OP001-1.003-001-C01, financiado por el Fondo Europeo de Desarrollo Regional a través del Programa Operativo Búlgaro "Ciencia y Educación para el Crecimiento Inteligente". S.M. y N.B. agradecen el apoyo de VILLUM FONDEN, Dinamarca, la subvención n.º 19151, concedida a N.B., y el programa de investigación e innovación Horizon 2020 de la Unión Europea en el marco del acuerdo de subvención Marie Skłodowska-Curie n.º 801199, concedido a S.M.