Computational approaches for the identification of biomarkers involved in relevant agricultural traits

Abstract

Aquesta tesi doctoral dissecciona els rols específics dels teixits dels brassinosteroids (BR) utilitzant tecnologies òmiques d'avantguarda i desenvolupant eines bioinformàtiques, contribuint així a una comprensió més matisada de la fisiologia vegetal i la genòmica. Tenint en compte els reptes creixents que planteja el canvi climàtic i la demanda d'agricultura sostenible, és crucial entendre com es modula el creixement i l'adaptació de les plantes a nivell cel·lular, incloent el paper dels BR. Aquesta tesi està dividida en tres capítols: El capítol 1 presenta TOTEM, una nova eina dissenyada per a l'anàlisi d'enriquiment de teixits amb resolució unicel·lular, i BRLab, una base de dades interactiva per extreure conjunts de dades òmiques disponibles i identificar biomarcadors potencials per a diferents trets agrícoles. El capítol 2 se centra en els papers específics de les cèl·lules dels BRs en el control del desenvolupament i l'adaptació de les arrels a Arabidopsis. La investigació va identificar gens i vies clau implicades en la regulació del creixement de les arrels i les respostes a l'estrès, amb un èmfasi particular en el factor de transcripció BRAVO i el receptor BRL3. El capítol 3 explora la regulació de la forma de la fruita mitjançant la interacció dels brassinosteroids, les OFPs i el citoesquelet cel·lular, demostrant el potencial dels BR i altres socis com a objectius per millorar els caràcters de qualitat dels cultius. Aquesta tesi avança en la nostra comprensió de la senyalització BR en el desenvolupament de les plantes i les respostes a l'estrès. Mitjançant la integració de dades òmiques d'alta resolució i el desenvolupament de noves eines bioinformàtiques, aquesta investigació proporciona un marc complet per estudiar la senyalització hormonal a nivell cel·lular. Els resultats no només contribueixen al coneixement fonamental de la biologia vegetal, sinó que també ofereixen aplicacions pràctiques en l'agricultura, especialment en el desenvolupament de cultius que puguin suportar els reptes que planteja el canvi climàtic i el mercat.

Esta tesis doctoral analiza las funciones específicas de tejidos de los brasinosteroides (BR) utilizando tecnologías ómicas de vanguardia y desarrollando herramientas bioinformáticas, contribuyendo así a una comprensión más amplia de la fisiología vegetal y la genómica. Dados los crecientes desafíos que plantea el cambio climático y la demanda de agricultura sostenible, es crucial comprender cómo se modula el crecimiento y la adaptación de las plantas a nivel celular, incluyendo el papel de los BRs. Esta tesis se divide en tres capítulos: El Capítulo 1 presenta TOTEM, una nueva herramienta diseñada para el análisis de enriquecimiento de tejidos con resolución unicelular, y BRLab, una base de datos interactiva para extraer conjuntos de datos ómicos disponibles e identificar biomarcadores potenciales para diversos rasgos agrícolas. El Capítulo 2 se centra en las funciones celulares específicas de las BR en el control del desarrollo y la adaptación de las raíces en Arabidopsis. La investigación identificó genes y vías clave implicados en la regulación del crecimiento de las raíces y las respuestas al estrés, con especial énfasis en el factor de transcripción BRAVO y el receptor BRL3. El Capítulo 3 explora la regulación de la forma del fruto mediante la interacción de brasinoesteroides, OFPs y citoesqueleto celular, lo que demuestra el potencial de los BR y otros socios como objetivos para mejorar las características de calidad de los cultivos. Esta tesis avanza en nuestra comprensión de la señalización de BR en el desarrollo de las plantas y las respuestas al estrés. Al integrar datos ómicos de alta resolución y desarrollar nuevas herramientas bioinformáticas, esta investigación proporciona un marco integral para estudiar la señalización hormonal a nivel celular. Los hallazgos no sólo contribuyen al conocimiento fundamental de la biología vegetal, sino que también ofrecen aplicaciones prácticas en la agricultura, particularmente en el desarrollo de cultivos que puedan resistir los desafíos planteados por el cambio climático y el mercado.

This PhD thesis dissertation dissects the tissue-specific roles of brassinosteroids (BRs) using cutting-edge omics technologies and developing bioinformatics tools, thereby contributing to a more nuanced understanding of plant physiology and genomics. Given the increasing challenges posed by climate change and the demand for sustainable agriculture, understanding how plant growth and adaptation is modulated at cellular level, including the role of BRs, is crucial. This thesis is divided into three chapters: Chapter 1 introduces TOTEM, a novel tool designed for tissue enrichment analysis with single-cell resolution, and BRLab, an interactive database to mine available omics datasets and identify potential biomarkers for diverse agricultural traits. Chapter 2 focuses on the cell-specific roles of BRs in controlling root development and adaptation in Arabidopsis. The research identified key genes and pathways involved in the regulation of root growth and stress responses, with a particular emphasis on the BRAVO transcription factor and BRL3 receptor. Chapter 3 explores the fruit shape regulation by the crosstalk of brassinosteroids, ovate family proteins and cell cytoskeleton, demonstrating the potential of BRs and other partners as targets for improving crop quality traits. This thesis advances our understanding of BR signaling in plant development and stress responses. By integrating high-resolution omics data and developing novel bioinformatics tools, this research provides a comprehensive framework for studying hormone signaling at the cellular level. The findings not only contribute to the fundamental knowledge of plant biology but also offer practical applications in agriculture, particularly in the development of crops that can withstand the challenges posed by climate change and the market.