Published June 1, 2021 | Version v1
Publication Open

Comparative Metabolomic and Transcriptomic Studies Reveal Key Metabolism Pathways Contributing to Freezing Tolerance Under Cold Stress in Kiwifruit

Creators

  • 1. Huazhong Agricultural University
  • 2. Zhengzhou Fruit Research Institute
  • 3. Chinese Academy of Agricultural Sciences

Description

Cold stress poses a serious treat to cultivated kiwifruit since this plant generally has a weak ability to tolerate freezing tolerance temperatures. Surprisingly, however, the underlying mechanism of kiwifruit's freezing tolerance remains largely unexplored and unknown, especially regarding the key pathways involved in conferring this key tolerance trait. Here, we studied the metabolome and transcriptome profiles of the freezing-tolerant genotype KL ( Actinidia arguta ) and freezing-sensitive genotype RB ( A. arguta ), to identify the main pathways and important metabolites related to their freezing tolerance. A total of 565 metabolites were detected by a wide-targeting metabolomics method. Under (−25°C) cold stress, KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) pathway annotations showed that the flavonoid metabolic pathways were specifically upregulated in KL, which increased its ability to scavenge for reactive oxygen species (ROS). The transcriptome changes identified in KL were accompanied by the specific upregulation of a codeinone reductase gene, a chalcone isomerase gene, and an anthocyanin 5-aromatic acyltransferase gene. Nucleotides metabolism and phenolic acids metabolism pathways were specifically upregulated in RB, which indicated that RB had a higher energy metabolism and weaker dormancy ability. Since the LPCs (LysoPC), LPEs (LysoPE) and free fatty acids were accumulated simultaneously in both genotypes, these could serve as biomarkers of cold-induced frost damages. These key metabolism components evidently participated in the regulation of freezing tolerance of both kiwifruit genotypes. In conclusion, the results of this study demonstrated the inherent differences in the composition and activity of metabolites between KL and RB under cold stress conditions.

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

Translated Description (Arabic)

يشكل الإجهاد البارد علاجًا خطيرًا لفاكهة الكيوي المزروعة لأن هذا النبات يتمتع عمومًا بقدرة ضعيفة على تحمل درجات الحرارة المتجمدة. ومع ذلك، من المثير للدهشة أن الآلية الأساسية لتحمل تجميد فاكهة الكيوي لا تزال غير مستكشفة وغير معروفة إلى حد كبير، خاصة فيما يتعلق بالمسارات الرئيسية التي ينطوي عليها منح سمة التسامح الرئيسية هذه. هنا، درسنا ملامح الأيض والنسخ للنمط الجيني المتسامح مع التجميد KL ( Actinidia arguta ) والنمط الجيني الحساس للتجميد RB ( A. arguta )، لتحديد المسارات الرئيسية والمستقلبات المهمة المتعلقة بتسامحها مع التجميد. تم اكتشاف ما مجموعه 565 مستقلبًا بطريقة الأيض واسعة الاستهداف. تحت ضغط بارد (-25 درجة مئوية)، أظهرت شروح مسار KEGG (موسوعة كيوتو للجينات والجينوم) أن مسارات الأيض الفلافونويدية تم تنظيمها بشكل خاص في كوالالمبور، مما زاد من قدرتها على البحث عن أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS). كانت التغييرات في النسخ التي تم تحديدها في كوالالمبور مصحوبة بالتنظيم المسبق المحدد لجين اختزال الكوديينون، وجين إيزوميراز الكالكون، وجين أسيل ترانسفيراز أنثوسيانين 5 - أروماتي. تم تنظيم استقلاب النيوكليوتيدات ومسارات استقلاب الأحماض الفينولية على وجه التحديد في RB، مما يشير إلى أن RB لديه استقلاب طاقة أعلى وقدرة سكون أضعف. نظرًا لأن LPCs (LysoPC) و LPEs (LysoPE) والأحماض الدهنية الحرة قد تراكمت في وقت واحد في كلا النمطين الجينيين، فقد تكون هذه بمثابة مؤشرات حيوية لأضرار الصقيع الناجمة عن البرد. من الواضح أن مكونات الأيض الرئيسية هذه شاركت في تنظيم تحمل التجميد لكل من الأنماط الجينية لفاكهة الكيوي. في الختام، أظهرت نتائج هذه الدراسة الاختلافات المتأصلة في تكوين ونشاط المستقلبات بين KL و RB في ظل ظروف الإجهاد البارد.

Translated Description (French)

Le stress dû au froid constitue un régal sérieux pour les kiwis cultivés, car cette plante a généralement une faible capacité à tolérer les températures de tolérance au gel. Étonnamment, cependant, le mécanisme sous-jacent de la tolérance au gel du kiwi reste largement inexploré et inconnu, en particulier en ce qui concerne les voies clés impliquées dans la transmission de ce trait de tolérance clé. Ici, nous avons étudié les profils métabolomiques et transcriptomiques du génotype KL tolérant à la congélation ( Actinidia arguta ) et du génotype RB sensible à la congélation ( A. arguta ), afin d'identifier les principales voies et métabolites importants liés à leur tolérance à la congélation. Au total, 565 métabolites ont été détectés par une méthode métabolomique à large ciblage. Sous un stress dû au froid (−25 °C), les annotations de la voie KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) ont montré que les voies métaboliques des flavonoïdes étaient spécifiquement régulées à la hausse dans KL, ce qui a augmenté sa capacité à piéger les espèces réactives de l'oxygène (ROS). Les modifications du transcriptome identifiées dans KL étaient accompagnées de la régulation positive spécifique d'un gène de la codéinone réductase, d'un gène de la chalcone isomérase et d'un gène de l'anthocyanine 5-aromatique acyltransférase. Le métabolisme des nucléotides et les voies du métabolisme des acides phénoliques étaient spécifiquement régulés à la hausse dans RB, ce qui indiquait que RB avait un métabolisme énergétique plus élevé et une capacité de dormance plus faible. Étant donné que les LPC (LysoPC), les LPE (LysoPE) et les acides gras libres ont été accumulés simultanément dans les deux génotypes, ceux-ci pourraient servir de biomarqueurs des dommages causés par le gel induit par le froid. Ces composants clés du métabolisme ont évidemment participé à la régulation de la tolérance au gel des deux génotypes de kiwis. En conclusion, les résultats de cette étude ont démontré les différences inhérentes dans la composition et l'activité des métabolites entre KL et RB dans des conditions de stress froid.

Translated Description (Spanish)

El estrés por frío representa un gran placer para los kiwis cultivados, ya que esta planta generalmente tiene una capacidad débil para tolerar las temperaturas de tolerancia a la congelación. Sin embargo, sorprendentemente, el mecanismo subyacente de la tolerancia a la congelación del kiwi sigue siendo en gran parte inexplorado y desconocido, especialmente con respecto a las vías clave involucradas en la concesión de este rasgo clave de tolerancia. Aquí, estudiamos los perfiles de metaboloma y transcriptoma del genotipo tolerante a la congelación KL ( Actinidia arguta ) y el genotipo sensible a la congelación RB ( A. arguta ), para identificar las principales vías y metabolitos importantes relacionados con su tolerancia a la congelación. Se detectaron un total de 565 metabolitos mediante un método metabolómico de amplio alcance. Bajo estrés por frío (-25° C), las anotaciones de la vía KEGG (Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes) mostraron que las vías metabólicas de los flavonoides estaban específicamente reguladas al alza en KL, lo que aumentó su capacidad para buscar especies reactivas de oxígeno (ROS). Los cambios en el transcriptoma identificados en KL fueron acompañados por la regulación positiva específica de un gen de codeinona reductasa, un gen de chalcona isomerasa y un gen de antocianina 5-aromático aciltransferasa. El metabolismo de los nucleótidos y las vías metabólicas de los ácidos fenólicos se regularon específicamente en RB, lo que indicó que RB tenía un metabolismo energético más alto y una capacidad de latencia más débil. Dado que los LPC (LysoPC), los LPE (LysoPE) y los ácidos grasos libres se acumularon simultáneamente en ambos genotipos, estos podrían servir como biomarcadores de daños por heladas inducidos por el frío. Estos componentes clave del metabolismo participaron evidentemente en la regulación de la tolerancia a la congelación de ambos genotipos de kiwi. En conclusión, los resultados de este estudio demostraron las diferencias inherentes en la composición y actividad de los metabolitos entre KL y RB en condiciones de estrés por frío.

Files

pdf.pdf

Files (15.7 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
md5:63d5ff15d467cf778a1f42329ef3a355
15.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تكشف الدراسات الأيضية والنسخية المقارنة عن مسارات الأيض الرئيسية التي تساهم في تفاوت التجمد تحت الضغط البارد في فاكهة الكيوي
Translated title (French)
Des études comparatives métaboliques et transcriptomiques révèlent les principales voies métaboliques contribuant à la tolérance au gel sous stress dû au froid chez les kiwis
Translated title (Spanish)
Los estudios metabólicos y transcriptómicos comparativos revelan vías metabólicas clave que contribuyen a la tolerancia a la congelación bajo estrés por frío en el kiwi

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3170224070
DOI
10.3389/fpls.2021.628969

Is supplement to
https://openalex.org/W423371831 (Other)
https://openalex.org/W3101161779 (Other)
https://openalex.org/W2916376502 (Other)
https://openalex.org/W2777729175 (Other)
https://openalex.org/W2260452057 (Other)
https://openalex.org/W2093500216 (Other)
https://openalex.org/W2053588008 (Other)
https://openalex.org/W2011931881 (Other)
https://openalex.org/W1996644818 (Other)
https://openalex.org/W1965468642 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1900999496
  • https://openalex.org/W1975074760
  • https://openalex.org/W2067660931
  • https://openalex.org/W2084447570
  • https://openalex.org/W2086830226
  • https://openalex.org/W2105119939
  • https://openalex.org/W2125499142
  • https://openalex.org/W2129710170
  • https://openalex.org/W2139029752
  • https://openalex.org/W2144110952
  • https://openalex.org/W2150029852
  • https://openalex.org/W2155758352
  • https://openalex.org/W2345188686
  • https://openalex.org/W2407418249
  • https://openalex.org/W2575292405
  • https://openalex.org/W2591685010
  • https://openalex.org/W2766286252
  • https://openalex.org/W2777164039
  • https://openalex.org/W2794756164
  • https://openalex.org/W2804861472
  • https://openalex.org/W2883476926
  • https://openalex.org/W2896215125
  • https://openalex.org/W2896778664
  • https://openalex.org/W2901311844
  • https://openalex.org/W2901424817
  • https://openalex.org/W2902651633
  • https://openalex.org/W2906234532
  • https://openalex.org/W2907314967
  • https://openalex.org/W2933602535
  • https://openalex.org/W2939798497
  • https://openalex.org/W2943910268
  • https://openalex.org/W2958877791
  • https://openalex.org/W2961321000
  • https://openalex.org/W2967172802
  • https://openalex.org/W2972071265
  • https://openalex.org/W2976649711
  • https://openalex.org/W2979319867
  • https://openalex.org/W2982958340
  • https://openalex.org/W2991682377
  • https://openalex.org/W3002162165
  • https://openalex.org/W3002883306
  • https://openalex.org/W3004633849
  • https://openalex.org/W3006150331
  • https://openalex.org/W3015052320
  • https://openalex.org/W3016125171
  • https://openalex.org/W3027470270
  • https://openalex.org/W3035426608
  • https://openalex.org/W3047202782
  • https://openalex.org/W3111476686