Integrated omics approaches for understanding and improving aluminum tolerance in popcorn: from mechanistic insights to breeding

Abstract

Aluminum (Al) toxicity is one of the main limiting factors for agricultural productivity in tropical and subtropical regions, directly affecting plant morphology, physiology and metabolism. In acidic soils, soluble Al3+ impairs root growth, reduces nutrient uptake and triggers oxidative stress, with serious consequences for food crops such as maize (Zea mays L.). The first chapter, an integrative review, discusses advances in the understanding of Al tolerance in cereals, focusing on maize, rice, wheat, barley, sorghum and, especially, popcorn. The review details the two main tolerance mechanisms: (i) exclusion via exudation of organic acids and phenols, and (ii) internal tolerance based on vacuolar sequestration, cell wall modification and activation of the antioxidant system. The analysis addresses the roles of genes such as MATE, ALMT, STOP1, WRKY and ABC transporters, as well as the contribution of omics approaches, such as genomics, transcriptomics, proteomics, metabolomics and epigenomics, for the identification of regulatory pathways, functional targets and molecular markers. The study highlights that multi-omics integration has revealed coordinated responses between tissues at the molecular level, becoming the basis for the application of modern tools such as marker-assisted selection, genomic prediction and gene editing. The second chapter, of an experimental nature, describes an integrated proteomics and metabolomics approach in a popcorn inbred line previously selected for its tolerance to Al. Seedlings were subjected for 72 h to nutrient solutions with and without Al, and root and leaf tissues were analyzed by LC- MS/MS and GC×GC/TOF-MS. A total of 423 differentially accumulated proteins and 68 differentially accumulated metabolites were identified, with most of the changes occurring in the roots. The tolerance response included the induction of enzymes of the citric acid cycle, citrate synthase, biosynthetic pathways of phenolics, malate and glutathione, in addition to the activation of antioxidant systems. In the leaves, adjustments in energy metabolism, selenium pathways and redox signaling were observed. The integrated analysis revealed functional convergence between proteins and metabolites, highlighting key strategies such as exudation of organic acids, detoxification of reactive oxygen species and structural reinforcement. Together, these studies significantly expand the understanding of the molecular mechanisms of Al tolerance in popcorn, providing promising biomarkers for genetic improvement programs. They demonstrate the power of integrative biology to transform molecular data into practical applications, driving the development of more resilient cultivars adapted to environments with high soil acidity. Keywords: proteomic; metabolomic; Al tolerance mechanisms; antioxidant metabolism; TCA cycleA toxidez por alumínio (Al) é um dos principais fatores limitantes à produtividade agrícola em regiões tropicais e subtropicais, afetando diretamente a morfologia, fisiologia e metabolismo das plantas. Em solos ácidos, o Al3+ solúvel compromete o crescimento radicular, reduz a absorção de nutrientes e desencadeia estresse oxidativo, com sérias consequências para culturas de base alimentar como o milho (Zea mays L.). O primeiro capítulo, uma revisão integrativa, discute os avanços no entendimento da tolerância ao Al em cereais, com foco em milho, arroz, trigo, cevada, sorgo e, especialmente, no milho-pipoca. A revisão detalha os dois principais mecanismos de tolerância: (i) exclusão via exsudação de ácidos orgânicos e fenóis, e (ii) tolerância interna baseada em sequestro vacuolar, modificação da parede celular e ativação do sistema antioxidante. A análise aborda os papéis de genes como MATE, ALMT, STOP1, WRKY e transportadores ABC, assim como a contribuição das abordagens ômicas, como a genômica, transcriptômica, proteômica, metabolômica e epigenômica, para a identificação de vias regulatórias, alvos funcionais e marcadores moleculares. O estudo ressalta que a integração multi-ômica tem revelado respostas coordenadas entre tecidos em níveis moleculares, tornando-se base para a aplicação de ferramentas modernas como seleção assistida por marcadores, predição genômica e edição gênica. O segundo capítulo, de natureza experimental, descreve uma abordagem integrada de proteômica e metabolômica em uma linhagem de milho-pipoca previamente selecionada por sua tolerância ao Al. Plântulas foram submetidas por 72 horas a soluções nutritivas com e sem Al, e tecidos radiculares e foliares foram analisados por LC-MS/MS e GC×GC/TOF-MS. Foram identificadas 423 proteínas diferencialmente acumuladas e 68 metabólitos diferencialmente acumulados, com a maioria das alterações ocorrendo nas raízes. A resposta à tolerância incluiu a indução de enzimas do ciclo do ácido cítrico (TCA), citrato sintase, vias de biossíntese de compostos fenólicos, malato e glutationa, além da ativação de sistemas antioxidantes. Nas folhas, observaram-se ajustes no metabolismo energético, rotas do selênio e sinalização redox. A análise integrada revelou convergência funcional entre proteínas e metabólitos, destacando estratégias-chave como exsudação de ácidos orgânicos,detoxificação de espécies reativas de oxigênio e reforço estrutural. Conjuntamente, esses estudos ampliam significativamente a compreensão dos mecanismos moleculares de tolerância ao Al em milho-pipoca, fornecendo biomarcadores promissores para programas de melhoramento genético. Eles demonstram o poder da biologia integrativa para transformar dados moleculares em aplicações práticas, impulsionando o desenvolvimento de cultivares mais resilientes e adaptadas a ambientes com alta acidez do solo. Palavras-chave: proteômica; metabolômica; mecanismos de tolerância ao Al; metabolismo antioxidante; ciclo do TCA