Published February 25, 2021 | Version v1
Publication Open

A Wild Allele of Pyrroline-5-Carboxylate Synthase1 Leads to Proline Accumulation in Spikes and Leaves of Barley Contributing to Improved Performance Under Reduced Water Availability

Creators

  • 1. Forschungszentrum Jülich
  • 2. Council for Scientific and Industrial Research
  • 3. University of Bonn
  • 4. University of Giessen

Description

Water stress (WS) during spike development strongly affects final grain yield and grain quality in cereals. Proline, an osmoprotectant amino-acid, may contribute to alleviating the effects of cell and tissue dehydration. We studied five spring barley genotypes contrasting in their drought response, including two introgression lines, S42IL-143 and S42IL-141 , harboring a Pyrroline-5-carboxylate synthase1- P5cs1 allele originating from the wild barley accession ISR42-8 . We tested the hypothesis that barley genotypes harboring a wild allele at P5cs1 locus are comparatively more drought-tolerant at the reproductive stage by inducing proline accumulation in their immature spikes. At the booting stage, we subjected plants to well-watered and WS treatments until physiological maturity. Several morpho-physiological traits had significant genotype by treatment interaction and reduction under WS. Varying levels of genotypic proline accumulation and differences in WS tolerance were observed. Spike proline accumulation was higher than leaf proline accumulation for all genotypes under WS. Also, introgression lines carrying a wild allele at P5cs1 locus had a markedly higher spike and leaf proline content compared with the other genotypes. These introgression lines showed milder drought symptoms compared with elite genotypes, remained photosynthetically active under WS, and maintained their intrinsic water use efficiency. These combined responses contributed to the achievement of higher final seed productivity. Magnetic resonance imaging (MRI) of whole spikes at the soft dough stage showed an increase in seed abortion among the elite genotypes compared with the introgression lines 15 days after WS treatment. Our results suggest that proline accumulation at the reproductive stage contributes to the maintenance of grain formation under water shortage.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

يؤثر الإجهاد المائي (WS) أثناء نمو المسامير بشدة على محصول الحبوب النهائي وجودة الحبوب في الحبوب. قد يساهم البرولين، وهو حمض أميني واقي من السموم، في التخفيف من آثار جفاف الخلايا والأنسجة. درسنا خمسة أنماط وراثية ربيعية للشعير متناقضة في استجابتها للجفاف، بما في ذلك خطين للانطواء، S42IL -143 و S42IL -141، يأويان أليل بيرولين-5 -كربوكسيلات سينسيز 1 - P5cs1 ناشئ عن وصول الشعير البري ISR42 -8 . اختبرنا الفرضية القائلة بأن الأنماط الجينية للشعير التي تؤوي أليلًا بريًا في موضع P5cs1 أكثر تحملاً للجفاف نسبيًا في المرحلة الإنجابية من خلال إحداث تراكم البرولين في طفراتها غير الناضجة. في مرحلة التمهيد، أخضعنا النباتات لعلاجات جيدة الري و WS حتى النضج الفسيولوجي. كان للعديد من السمات المورفولوجية الفسيولوجية نمط وراثي كبير من خلال تفاعل العلاج وتقليله تحت WS. لوحظت مستويات متفاوتة من تراكم البرولين الوراثي والاختلافات في تحمل WS. كان تراكم البرولين المسماري أعلى من تراكم البرولين الورقي لجميع الأنماط الجينية تحت WS. أيضًا، كان لخطوط الانطواء التي تحمل أليلًا بريًا في موضع P5cs1 ارتفاع ملحوظ في محتوى البرولين الورقي مقارنة بالأنماط الجينية الأخرى. أظهرت خطوط الانطواء هذه أعراض جفاف أكثر اعتدالًا مقارنة بالأنماط الجينية للنخبة، وظلت نشطة من الناحية الضوئية تحت WS، وحافظت على كفاءتها الجوهرية في استخدام المياه. ساهمت هذه الاستجابات مجتمعة في تحقيق إنتاجية نهائية أعلى للبذور. أظهر التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) لمسامير كاملة في مرحلة العجين الناعم زيادة في إجهاض البذور بين الأنماط الجينية للنخبة مقارنة بخطوط الانطواء بعد 15 يومًا من علاج WS. تشير نتائجنا إلى أن تراكم البرولين في مرحلة التكاثر يساهم في الحفاظ على تكوين الحبوب في ظل نقص المياه.

Translated Description (French)

Le stress hydrique (WS) pendant le développement des pics affecte fortement le rendement céréalier final et la qualité des céréales. La proline, un acide aminé osmoprotecteur, peut contribuer à atténuer les effets de la déshydratation cellulaire et tissulaire. Nous avons étudié cinq génotypes d'orge de printemps contrastant dans leur réponse à la sécheresse, dont deux lignées d'introgression, S42IL-143 et S42IL-141, abritant un allèle Pyrroline-5-carboxylate synthase1- P5cs1 provenant de l'accession de l'orge sauvage ISR42-8 . Nous avons testé l'hypothèse selon laquelle les génotypes d'orge hébergeant un allèle sauvage au locus P5cs1 sont comparativement plus tolérants à la sécheresse au stade de la reproduction en induisant une accumulation de proline dans leurs épis immatures. Au stade du démarrage, nous avons soumis les plantes à des traitements bien arrosés et WS jusqu'à maturité physiologique. Plusieurs traits morpho-physiologiques avaient un génotype significatif par interaction et réduction du traitement sous WS. Des niveaux variables d'accumulation génotypique de proline et des différences de tolérance au WS ont été observés. L'accumulation de proline de pointe était plus élevée que l'accumulation de proline de feuille pour tous les génotypes sous WS. De plus, les lignées d'introgression portant un allèle sauvage au locus P5cs1 avaient une teneur en pics et en proline foliaire nettement plus élevée que les autres génotypes. Ces lignées d'introgression ont montré des symptômes de sécheresse plus légers par rapport aux génotypes d'élite, sont restées photosynthétiquement actives sous WS et ont maintenu leur efficacité intrinsèque d'utilisation de l'eau. Ces réponses combinées ont contribué à l'obtention d'une productivité finale des semences plus élevée. L'imagerie par résonance magnétique (IRM) de pics entiers au stade de la pâte molle a montré une augmentation de l'avortement des graines chez les génotypes d'élite par rapport aux lignées d'introgression 15 jours après le traitement WS. Nos résultats suggèrent que l'accumulation de proline au stade de la reproduction contribue au maintien de la formation des grains en cas de pénurie d'eau.

Translated Description (Spanish)

El estrés hídrico (WS) durante el desarrollo del pico afecta fuertemente el rendimiento final del grano y la calidad del grano en los cereales. La prolina, un aminoácido osmoprotector, puede contribuir a aliviar los efectos de la deshidratación celular y tisular. Estudiamos cinco genotipos de cebada de primavera que contrastan en su respuesta a la sequía, incluidas dos líneas de introgresión, S42IL-143 y S42IL-141 , que albergan un alelo de pirrolina-5-carboxilato sintasa1-P5cs1 que se origina en el acceso de cebada silvestre ISR42-8 . Probamos la hipótesis de que los genotipos de cebada que albergan un alelo salvaje en el locus P5cs1 son comparativamente más tolerantes a la sequía en la etapa reproductiva al inducir la acumulación de prolina en sus picos inmaduros. En la etapa de arranque, sometimos a las plantas a tratamientos bien regados y WS hasta la madurez fisiológica. Varios rasgos morfofisiológicos tuvieron un genotipo significativo por interacción y reducción del tratamiento bajo WS. Se observaron niveles variables de acumulación de prolina genotípica y diferencias en la tolerancia a WS. La acumulación de prolina de espiga fue mayor que la acumulación de prolina de hoja para todos los genotipos bajo WS. Además, las líneas de introgresión que llevaban un alelo salvaje en el locus P5cs1 tenían un contenido de prolina de espiga y hoja notablemente mayor en comparación con los otros genotipos. Estas líneas de introgresión mostraron síntomas de sequía más leves en comparación con los genotipos de élite, permanecieron fotosintéticamente activas bajo WS y mantuvieron su eficiencia intrínseca en el uso del agua. Estas respuestas combinadas contribuyeron al logro de una mayor productividad final de las semillas. La resonancia magnética (MRI) de picos completos en la etapa de masa blanda mostró un aumento en el aborto de semillas entre los genotipos de élite en comparación con las líneas de introgresión 15 días después del tratamiento con WS. Nuestros resultados sugieren que la acumulación de prolina en la etapa reproductiva contribuye al mantenimiento de la formación de granos bajo escasez de agua.

Files

pdf.pdf

Files (2.5 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:1290a7e6937efe03ef6fa751f3efe32e
2.5 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يؤدي الأليل البري من Pyrroline -5 - Carboxylate Synthase1 إلى تراكم البرولين في المسامير وأوراق الشعير مما يساهم في تحسين الأداء في ظل انخفاض توافر المياه
Translated title (French)
Un allèle sauvage de pyrroline-5-carboxylate synthase1 conduit à l'accumulation de proline dans les épis et les feuilles d'orge, ce qui contribue à améliorer les performances sous une disponibilité réduite en eau
Translated title (Spanish)
Un alelo salvaje de pirrolina-5-carboxilato sintasa1 conduce a la acumulación de prolina en espigas y hojas de cebada, lo que contribuye a mejorar el rendimiento con una menor disponibilidad de agua

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3132385374
DOI
10.3389/fpls.2021.633448

Is supplement to
https://openalex.org/W4306155328 (Other)
https://openalex.org/W3210463867 (Other)
https://openalex.org/W2900882586 (Other)
https://openalex.org/W2763273382 (Other)
https://openalex.org/W2064178424 (Other)
https://openalex.org/W2043480105 (Other)
https://openalex.org/W1994583891 (Other)
https://openalex.org/W1979637645 (Other)
https://openalex.org/W1548748806 (Other)
https://openalex.org/W1526883677 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Ghana

References

  • https://openalex.org/W1519139800
  • https://openalex.org/W1538954254
  • https://openalex.org/W1975413402
  • https://openalex.org/W1990039682
  • https://openalex.org/W1995360494
  • https://openalex.org/W1999649785
  • https://openalex.org/W2000184771
  • https://openalex.org/W2000208854
  • https://openalex.org/W2001311637
  • https://openalex.org/W2003744680
  • https://openalex.org/W2008312792
  • https://openalex.org/W2012046702
  • https://openalex.org/W2015457171
  • https://openalex.org/W2026379499
  • https://openalex.org/W2028823348
  • https://openalex.org/W2029762218
  • https://openalex.org/W2038630477
  • https://openalex.org/W2052845073
  • https://openalex.org/W2064078903
  • https://openalex.org/W2114681276
  • https://openalex.org/W2117158091
  • https://openalex.org/W2135572188
  • https://openalex.org/W2137250680
  • https://openalex.org/W2142728075
  • https://openalex.org/W2144231457
  • https://openalex.org/W2145746478
  • https://openalex.org/W2154232438
  • https://openalex.org/W2162604832
  • https://openalex.org/W2167848274
  • https://openalex.org/W2468932954
  • https://openalex.org/W2469993736
  • https://openalex.org/W2485520007
  • https://openalex.org/W2547303460
  • https://openalex.org/W2569376659
  • https://openalex.org/W2592646906
  • https://openalex.org/W2594186945
  • https://openalex.org/W2731951690
  • https://openalex.org/W2733556338
  • https://openalex.org/W2741990112
  • https://openalex.org/W2766964504
  • https://openalex.org/W2767127048
  • https://openalex.org/W2791960043
  • https://openalex.org/W2800921920
  • https://openalex.org/W2888011779
  • https://openalex.org/W2888749816
  • https://openalex.org/W2898649328
  • https://openalex.org/W2900359864
  • https://openalex.org/W2903238415
  • https://openalex.org/W2916058275
  • https://openalex.org/W2932418428
  • https://openalex.org/W2943634605
  • https://openalex.org/W2944888458
  • https://openalex.org/W2944963850
  • https://openalex.org/W2945693465
  • https://openalex.org/W2953594012
  • https://openalex.org/W2953623517
  • https://openalex.org/W2960832767
  • https://openalex.org/W2964214782
  • https://openalex.org/W2970152808
  • https://openalex.org/W2985266952
  • https://openalex.org/W2985654630
  • https://openalex.org/W2990235031
  • https://openalex.org/W2990656459
  • https://openalex.org/W3011001511
  • https://openalex.org/W3017035840
  • https://openalex.org/W3045966319