Published August 6, 2019
| Version v1
Publication
Open
Genotypic Variation in the Root and Shoot Metabolite Profiles of Wheat (Triticum aestivum L.) Indicate Sustained, Preferential Carbon Allocation as a Potential Mechanism in Phosphorus Efficiency
- 1. Flinders University
- 2. Vietnam National University of Agriculture
- 3. University of Melbourne
Description
Changes in the levels of plant metabolites in response to nutrient deficiency is indicative of how plants utilize scarce resources. In this study, changes in the metabolite profile of roots and shoots of wheat genotypes differing in phosphorus use efficiency (PUE) was investigated. Under low P supply and at 28 days after sowing (DAS), the wheat breeding line, RAC875 (P efficient) produced 42% more shoot biomass than the wheat variety, and Wyalkatchem (P inefficient). Significant changes in the metabolite profile in leaves and roots were observed under low P supply and significant genotypic variation was evident. Under low P supply, an increase in raffinose and 1-kestose was evident in roots of both wheat genotypes, with RAC875 accumulating more when compared to Wyalkatchem. There was no significant increase in raffinose and 1-kestose in leaves when plants were grown under P deficiency. P deficiency had no significant impact on the levels of sucrose, maltose, glucose and fructose in both genotypes, and while phosphorylated sugars (glucose-6-P and fructose-6-P) remained unchanged in RAC875, in Wyalkatchem, glucose-6-P significantly decreased in roots, and fructose-6-P significantly decreased in both leaves and roots. Glycerol-3-P decreased twofold in roots of both wheat genotypes in response to low P. In roots, RAC875 exhibited significantly lower levels of fumarate, malate, maleate and itaconate than Wyalkatchem, while low P enhanced organic acid exudation in RAC875 but not in Wyalkatchem. RAC875 showed greater accumulation of aspartate, glutamine and β-alanine in leaves than Wyalkatchem under low P supply. Greater accumulation of raffinose and 1-kestose in roots and aspartate, glutamine and β-alanine in leaves appears to be associated with enhanced PUE in RAC875. Glucose-6-P and fructose-6-P are important for glycolysis, thus maintaining these metabolites would enable RAC875 to maintain carbohydrate metabolism and shoot biomass under P deficiency. The work presented here provides evidence that differences in metabolite profiles can be observed between wheat varieties that differ in PUE and key metabolic pathways are maintained in the efficient genotype to ensure carbon supply under P deficiency.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تشير التغيرات في مستويات المستقلبات النباتية استجابة لنقص المغذيات إلى كيفية استخدام النباتات للموارد النادرة. في هذه الدراسة، تم التحقيق في التغيرات في شكل المستقلب للجذور وبراعم الأنماط الجينية للقمح التي تختلف في كفاءة استخدام الفوسفور (PUE). تحت إمداد P منخفض وبعد 28 يومًا من البذر (DAS)، أنتج خط تكاثر القمح، RAC875 (كفاءة P) 42 ٪ من الكتلة الحيوية لإطلاق النار أكثر من صنف القمح، و Wyalkatchem (عدم كفاءة P). لوحظت تغيرات كبيرة في شكل المستقلب في الأوراق والجذور تحت إمداد P المنخفض وكان التباين الوراثي الكبير واضحًا. في ظل انخفاض إمدادات P، كانت الزيادة في الرافينوز و 1 - كيستوز واضحة في جذور كل من الأنماط الجينية للقمح، مع تراكم RAC875 أكثر بالمقارنة مع Wyalkatchem. لم تكن هناك زيادة كبيرة في الرافينوز و 1 - كيستوز في الأوراق عندما نمت النباتات تحت نقص P. لم يكن لنقص P تأثير كبير على مستويات السكروز والمالتوز والجلوكوز والفركتوز في كلا النمطين الجينيين، وبينما ظلت السكريات الفسفورية (الجلوكوز -6 - P والفركتوز -6 - P) دون تغيير في RAC875، في Wyalkatchem، انخفض الجلوكوز -6 - P بشكل ملحوظ في الجذور، وانخفض الفركتوز -6 - P بشكل ملحوظ في كل من الأوراق والجذور. انخفض الغليسيرول-3 - P شقين في جذور كل من الأنماط الجينية للقمح استجابةً لانخفاض P. في الجذور، أظهر RAC875 مستويات أقل بكثير من الفومارات والمالات والمالات و itaconate من Wyalkatchem، في حين أن انخفاض P عزز إفراز الحمض العضوي في RAC875 ولكن ليس في Wyalkatchem. أظهر RAC875 تراكمًا أكبر للأسبارتات والجلوتامين وبيتا ألانين في الأوراق مقارنة بـ Wyalkatchem تحت إمداد P منخفض. يبدو أن التراكم الأكبر للرافينوز و 1 - كيستوز في الجذور والأسبارتات والجلوتامين وبيتا ألانين في الأوراق يرتبط بـ PUE المعزز في RAC875. الجلوكوز-6 - P والفركتوز-6 - P مهمان لتحلل السكر، وبالتالي فإن الحفاظ على هذه المستقلبات سيمكن RAC875 من الحفاظ على استقلاب الكربوهيدرات وإطلاق الكتلة الحيوية تحت نقص P. يقدم العمل المقدم هنا دليلاً على أنه يمكن ملاحظة الاختلافات في ملامح المستقلب بين أصناف القمح التي تختلف في البولي يوريثان ويتم الحفاظ على المسارات الأيضية الرئيسية في النمط الجيني الفعال لضمان إمدادات الكربون تحت نقص البولي يوريثان.Translated Description (French)
Les changements dans les niveaux de métabolites végétaux en réponse à une carence en nutriments indiquent comment les plantes utilisent des ressources rares. Dans cette étude, les changements dans le profil métabolique des racines et des pousses de génotypes de blé différant par l'efficacité d'utilisation du phosphore (pue) ont été étudiés. Sous faible offre de P et à 28 jours après le semis (DAS), la lignée de sélection du blé, RAC875 (P efficient) a produit 42 % de biomasse de pousses en plus que la variété de blé, et Wyalkatchem (P inefficace). Des changements significatifs dans le profil des métabolites dans les feuilles et les racines ont été observés sous faible apport en phosphore et une variation génotypique significative était évidente. En cas de faible apport en phosphore, une augmentation du raffinose et du 1-kestose était évidente dans les racines des deux génotypes de blé, le RAC875 s'accumulant davantage par rapport au Wyalkatchem. Il n'y avait pas d'augmentation significative du raffinose et du 1-kestose dans les feuilles lorsque les plantes étaient cultivées sous carence en P. La carence en P n'a eu aucun impact significatif sur les niveaux de saccharose, de maltose, de glucose et de fructose dans les deux génotypes, et tandis que les sucres phosphorylés (glucose-6-P et fructose-6-P) sont restés inchangés dans RAC875, dans Wyalkatchem, le glucose-6-P a diminué de manière significative dans les racines et le fructose-6-P a diminué de manière significative dans les feuilles et les racines. Le glycérol-3-P a diminué de deux fois dans les racines des deux génotypes de blé en réponse à un faible P. Dans les racines, le RAC875 présentait des niveaux significativement plus faibles de fumarate, de malate, de maléate et d'itaconate que le Wyalkatchem, tandis qu'un faible P augmentait l'exsudation d'acide organique dans le RAC875 mais pas dans le Wyalkatchem. RAC875 a montré une plus grande accumulation d'aspartate, de glutamine et de β-alanine dans les feuilles que Wyalkatchem sous faible apport en P. Une plus grande accumulation de raffinose et de 1-kestose dans les racines et d'aspartate, de glutamine et de β-alanine dans les feuilles semble être associée à une augmentation du pue dans RAC875. Le glucose-6-P et le fructose-6-P sont importants pour la glycolyse, donc le maintien de ces métabolites permettrait au RAC875 de maintenir le métabolisme des glucides et de générer de la biomasse en cas de carence en P. Les travaux présentés ici fournissent la preuve que des différences dans les profils de métabolites peuvent être observées entre les variétés de blé qui diffèrent dans le pue et que les voies métaboliques clés sont maintenues dans le génotype efficace pour assurer l'approvisionnement en carbone en cas de carence en P.Translated Description (Spanish)
Los cambios en los niveles de metabolitos de las plantas en respuesta a la deficiencia de nutrientes son indicativos de cómo las plantas utilizan los recursos escasos. En este estudio, se investigaron los cambios en el perfil de metabolitos de raíces y brotes de genotipos de trigo que difieren en la eficiencia del uso de fósforo (PUE). Con un suministro bajo de P y a los 28 días después de la siembra (DAS), la línea de mejoramiento de trigo, RAC875 (P eficiente) produjo un 42% más de biomasa de brotes que la variedad de trigo, y Wyalkatchem (P ineficiente). Se observaron cambios significativos en el perfil de metabolitos en hojas y raíces con un suministro bajo de P y fue evidente una variación genotípica significativa. Bajo un suministro bajo de P, un aumento en rafinosa y 1-cestosa fue evidente en las raíces de ambos genotipos de trigo, con RAC875 acumulando más en comparación con Wyalkatchem. No hubo un aumento significativo de rafinosa y 1-cestosa en las hojas cuando las plantas se cultivaron bajo deficiencia de P. La deficiencia de P no tuvo un impacto significativo en los niveles de sacarosa, maltosa, glucosa y fructosa en ambos genotipos, y mientras que los azúcares fosforilados (glucosa-6-P y fructosa-6-P) se mantuvieron sin cambios en RAC875, en Wyalkatchem, la glucosa-6-P disminuyó significativamente en las raíces y la fructosa-6-P disminuyó significativamente tanto en las hojas como en las raíces. El glicerol-3-P disminuyó dos veces en las raíces de ambos genotipos de trigo en respuesta a la baja P. En las raíces, RAC875 exhibió niveles significativamente más bajos de fumarato, malato, maleato e itaconato que Wyalkatchem, mientras que la baja P mejoró la exudación de ácidos orgánicos en RAC875 pero no en Wyalkatchem. RAC875 mostró una mayor acumulación de aspartato, glutamina y β-alanina en las hojas que Wyalkatchem con un suministro bajo de P. Una mayor acumulación de rafinosa y 1-cestosa en las raíces y aspartato, glutamina y β-alanina en las hojas parece estar asociada con una mayor PUE en RAC875. La glucosa-6-P y la fructosa-6-P son importantes para la glucólisis, por lo que mantener estos metabolitos permitiría a RAC875 mantener el metabolismo de los carbohidratos y disparar biomasa bajo deficiencia de P. El trabajo presentado aquí proporciona evidencia de que se pueden observar diferencias en los perfiles de metabolitos entre las variedades de trigo que difieren en PUE y las vías metabólicas clave se mantienen en el genotipo eficiente para garantizar el suministro de carbono bajo la deficiencia de P.Files
pdf.pdf
Files
(2.8 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:9e83497a3b104cad46b94e38b049232b
|
2.8 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- يشير الاختلاف في النمط الجيني في ملامح مستقلب الجذر والطلق للقمح (Triticum aestivum L.) إلى تخصيص الكربون المستدام والتفضيلي كآلية محتملة في كفاءة الفوسفور
- Translated title (French)
- Variation génotypique des profils métaboliques racinaires et racinaires du blé (Triticum aestivum L.) Indiquer une allocation de carbone soutenue et préférentielle comme mécanisme potentiel d'efficacité du phosphore
- Translated title (Spanish)
- La variación genotípica en los perfiles de metabolitos de raíz y brote del trigo (Triticum aestivum L.) indica una asignación de carbono sostenida y preferencial como mecanismo potencial en la eficiencia del fósforo
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2958835540
- DOI
- 10.3389/fpls.2019.00995
References
- https://openalex.org/W113433743
- https://openalex.org/W136387438
- https://openalex.org/W1486635328
- https://openalex.org/W1534774202
- https://openalex.org/W1541320579
- https://openalex.org/W1594701860
- https://openalex.org/W1972295945
- https://openalex.org/W1976047243
- https://openalex.org/W1977380225
- https://openalex.org/W1978892165
- https://openalex.org/W1980916292
- https://openalex.org/W1987269072
- https://openalex.org/W1990151103
- https://openalex.org/W1996270252
- https://openalex.org/W2017957307
- https://openalex.org/W2025782188
- https://openalex.org/W2041063352
- https://openalex.org/W2046743812
- https://openalex.org/W2047077419
- https://openalex.org/W2052227112
- https://openalex.org/W2054279077
- https://openalex.org/W2071408059
- https://openalex.org/W2077155943
- https://openalex.org/W2080286133
- https://openalex.org/W2091142867
- https://openalex.org/W2100204779
- https://openalex.org/W2102751714
- https://openalex.org/W2103365373
- https://openalex.org/W2105378585
- https://openalex.org/W2107432864
- https://openalex.org/W2116310716
- https://openalex.org/W2126098636
- https://openalex.org/W2126377117
- https://openalex.org/W2128254495
- https://openalex.org/W2136360245
- https://openalex.org/W2138676161
- https://openalex.org/W2143996809
- https://openalex.org/W2146027032
- https://openalex.org/W2150090592
- https://openalex.org/W2152882395
- https://openalex.org/W2158752909
- https://openalex.org/W2158838293
- https://openalex.org/W2161280322
- https://openalex.org/W2162314707
- https://openalex.org/W2163698950
- https://openalex.org/W2163986764
- https://openalex.org/W2171091820
- https://openalex.org/W2177980206
- https://openalex.org/W2192759671
- https://openalex.org/W2219795105
- https://openalex.org/W2249595199
- https://openalex.org/W2301033953
- https://openalex.org/W2327465133
- https://openalex.org/W2511461810
- https://openalex.org/W2790181441
- https://openalex.org/W302732074
- https://openalex.org/W4237438543
- https://openalex.org/W4250925127
- https://openalex.org/W986910715