Published June 6, 2023 | Version v1
Publication Open

Genome-wide association analysis provides insights into the genetic basis of photosynthetic responses to low-temperature stress in spring barley

  • 1. Agricultural Research Center
  • 2. Kyushu University
  • 3. University of Alberta
  • 4. University of Saskatchewan

Description

Low-temperature stress (LTS) is among the major abiotic stresses affecting the geographical distribution and productivity of the most important crops. Understanding the genetic basis of photosynthetic variation under cold stress is necessary for developing more climate-resilient barley cultivars. To that end, we investigated the ability of chlorophyll fluorescence parameters (FVFM, and FVF0) to respond to changes in the maximum quantum yield of Photosystem II photochemistry as an indicator of photosynthetic energy. A panel of 96 barley spring cultivars from different breeding zones of Canada was evaluated for chlorophyll fluorescence-related traits under cold acclimation and freeze shock stresses at different times. Genome-wide association studies (GWAS) were performed using a mixed linear model (MLM). We identified three major and putative genomic regions harboring 52 significant quantitative trait nucleotides (QTNs) on chromosomes 1H, 3H, and 6H for low-temperature tolerance. Functional annotation indicated several QTNs were either within the known or close to genes that play important roles in the photosynthetic metabolites such as abscisic acid (ABA) signaling, hydrolase activity, protein kinase, and transduction of environmental signal transduction at the posttranslational modification levels. These outcomes revealed that barley plants modified their gene expression profile in response to decreasing temperatures resulting in physiological and biochemical modifications. Cold tolerance could influence a long-term adaption of barley in many parts of the world. Since the degree and frequency of LTS vary considerably among production sites. Hence, these results could shed light on potential approaches for improving barley productivity under low-temperature stress.

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

Translated Description (Arabic)

الإجهاد في درجات الحرارة المنخفضة (LTS) هو من بين الضغوط اللاأحيائية الرئيسية التي تؤثر على التوزيع الجغرافي وإنتاجية أهم المحاصيل. يعد فهم الأساس الجيني لاختلاف التمثيل الضوئي تحت الضغط البارد ضروريًا لتطوير أصناف شعير أكثر مقاومة للمناخ. ولتحقيق هذه الغاية، قمنا بالتحقيق في قدرة معلمات تألق الكلوروفيل (FVFM، و FVF0) على الاستجابة للتغيرات في أقصى عائد كمي للكيمياء الضوئية للنظام الضوئي الثاني كمؤشر لطاقة التمثيل الضوئي. تم تقييم لوحة من 96 من أصناف نبع الشعير من مناطق تكاثر مختلفة في كندا للسمات المتعلقة بالكلوروفيل الفلوري تحت التأقلم البارد وتجميد ضغوط الصدمة في أوقات مختلفة. تم إجراء دراسات الارتباط على مستوى الجينوم (GWAS) باستخدام نموذج خطي مختلط (MLM). حددنا ثلاث مناطق جينومية رئيسية ومفترضة تحتوي على 52 نيوكليوتيدًا كميًا مهمًا (QTNs) على الكروموسومات 1H و 3H و 6H لتحمل درجات الحرارة المنخفضة. أشار التعليق التوضيحي الوظيفي إلى أن العديد من QTNs كانت إما داخل الجينات المعروفة أو قريبة منها والتي تلعب أدوارًا مهمة في مستقلبات التمثيل الضوئي مثل إشارات حمض الأبسيسيك (ABA)، ونشاط إنزيم الهيدرولاز، وكيناز البروتين، ونقل نقل الإشارة البيئية على مستويات التعديل ما بعد الترجمة. كشفت هذه النتائج أن نباتات الشعير عدلت ملف التعبير الجيني الخاص بها استجابة لانخفاض درجات الحرارة مما أدى إلى تعديلات فسيولوجية وكيميائية حيوية. يمكن أن يؤثر تحمل البرد على تكيف الشعير على المدى الطويل في أجزاء كثيرة من العالم. نظرًا لأن درجة وتواتر LTS تختلف اختلافًا كبيرًا بين مواقع الإنتاج. وبالتالي، يمكن أن تلقي هذه النتائج الضوء على الأساليب المحتملة لتحسين إنتاجية الشعير تحت ضغط درجات الحرارة المنخفضة.

Translated Description (French)

Le stress à basse température (LTS) est l'un des principaux stress abiotiques affectant la distribution géographique et la productivité des cultures les plus importantes. Il est nécessaire de comprendre la base génétique de la variation photosynthétique sous stress dû au froid pour développer des cultivars d'orge plus résistants au climat. À cette fin, nous avons étudié la capacité des paramètres de fluorescence de la chlorophylle (FVFM et FVF0) à répondre aux changements du rendement quantique maximal de la photochimie du photosystème II en tant qu'indicateur de l'énergie photosynthétique. Un panel de 96 cultivars de printemps d'orge provenant de différentes zones de reproduction du Canada a été évalué pour les traits liés à la fluorescence de la chlorophylle sous l'acclimatation au froid et les chocs de gel à différents moments. Les études d'association à l'échelle du génome (GWAS) ont été réalisées à l'aide d'un modèle linéaire mixte (MLM). Nous avons identifié trois régions génomiques majeures et putatives hébergeant 52 nucléotides de caractères quantitatifs significatifs (QTN) sur les chromosomes 1H, 3H et 6H pour la tolérance aux basses températures. L'annotation fonctionnelle a indiqué que plusieurs QTN se trouvaient dans les gènes connus ou proches des gènes qui jouent un rôle important dans les métabolites photosynthétiques tels que la signalisation de l'acide abscissique (ABA), l'activité de l'hydrolase, la protéine kinase et la transduction de la transduction du signal environnemental aux niveaux de modification post-traductionnelle. Ces résultats ont révélé que les plants d'orge modifiaient leur profil d'expression génique en réponse à la baisse des températures entraînant des modifications physiologiques et biochimiques. La tolérance au froid pourrait influencer une adaptation à long terme de l'orge dans de nombreuses régions du monde. Étant donné que le degré et la fréquence des LTS varient considérablement d'un site de production à l'autre. Par conséquent, ces résultats pourraient faire la lumière sur les approches potentielles pour améliorer la productivité de l'orge sous stress à basse température.

Translated Description (Spanish)

El estrés por bajas temperaturas (LTS) se encuentra entre los principales estreses abióticos que afectan la distribución geográfica y la productividad de los cultivos más importantes. Comprender la base genética de la variación fotosintética bajo estrés por frío es necesario para desarrollar cultivares de cebada más resistentes al clima. Con ese fin, investigamos la capacidad de los parámetros de fluorescencia de la clorofila (FVFM y FVF0) para responder a los cambios en el rendimiento cuántico máximo de la fotoquímica del fotosistema II como indicador de la energía fotosintética. Se evaluó un panel de 96 cultivares de primavera de cebada de diferentes zonas de reproducción de Canadá para determinar los rasgos relacionados con la fluorescencia de la clorofila bajo aclimatación al frío y tensiones de choque por congelación en diferentes momentos. Los estudios de asociación de todo el genoma (GWAS) se realizaron utilizando un modelo lineal mixto (MLM). Identificamos tres regiones genómicas principales y putativas que albergan 52 nucleótidos de rasgos cuantitativos significativos (QTN) en los cromosomas 1H, 3H y 6H para la tolerancia a baja temperatura. La anotación funcional indicó que varios QTN estaban dentro de los genes conocidos o cerca de los genes que desempeñan funciones importantes en los metabolitos fotosintéticos, como la señalización del ácido abscísico (ABA), la actividad hidrolasa, la proteína quinasa y la transducción de la transducción de señales ambientales en los niveles de modificación postraduccional. Estos resultados revelaron que las plantas de cebada modificaron su perfil de expresión génica en respuesta a la disminución de las temperaturas, lo que resultó en modificaciones fisiológicas y bioquímicas. La tolerancia al frío podría influir en una adaptación a largo plazo de la cebada en muchas partes del mundo. Dado que el grado y la frecuencia de LTS varían considerablemente entre los sitios de producción. Por lo tanto, estos resultados podrían arrojar luz sobre posibles enfoques para mejorar la productividad de la cebada bajo estrés por bajas temperaturas.

Files

pdf.pdf

Files (7.8 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:f4061590e68fc319e87cb7252aaed774
7.8 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
يوفر تحليل الارتباط على مستوى الجينوم رؤى حول الأساس الجيني لاستجابات التمثيل الضوئي لإجهاد درجات الحرارة المنخفضة في الشعير الربيعي
Translated title (French)
L'analyse d'association à l'échelle du génome fournit des informations sur la base génétique des réponses photosynthétiques au stress à basse température chez l'orge de printemps
Translated title (Spanish)
El análisis de la asociación de todo el genoma proporciona información sobre la base genética de las respuestas fotosintéticas al estrés por bajas temperaturas en la cebada de primavera

Identifiers

Other
https://openalex.org/W4379536478
DOI
10.3389/fpls.2023.1159016

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Egypt

References

  • https://openalex.org/W101626815
  • https://openalex.org/W1511141012
  • https://openalex.org/W1539528380
  • https://openalex.org/W1964252058
  • https://openalex.org/W1965073686
  • https://openalex.org/W1965108621
  • https://openalex.org/W1967703956
  • https://openalex.org/W1974927837
  • https://openalex.org/W1982342280
  • https://openalex.org/W1983870100
  • https://openalex.org/W1984641966
  • https://openalex.org/W1985055403
  • https://openalex.org/W1987780245
  • https://openalex.org/W1989021758
  • https://openalex.org/W1990597672
  • https://openalex.org/W1993461834
  • https://openalex.org/W1994614361
  • https://openalex.org/W1995156838
  • https://openalex.org/W1997301069
  • https://openalex.org/W1997320920
  • https://openalex.org/W2003199010
  • https://openalex.org/W2008313499
  • https://openalex.org/W2013666970
  • https://openalex.org/W2020669622
  • https://openalex.org/W2023545748
  • https://openalex.org/W2027115078
  • https://openalex.org/W2027670030
  • https://openalex.org/W2028327017
  • https://openalex.org/W2028467829
  • https://openalex.org/W2031782217
  • https://openalex.org/W2035949543
  • https://openalex.org/W2041027703
  • https://openalex.org/W2053220059
  • https://openalex.org/W2056014639
  • https://openalex.org/W2056425137
  • https://openalex.org/W2057641474
  • https://openalex.org/W2059089928
  • https://openalex.org/W2063721412
  • https://openalex.org/W2068626659
  • https://openalex.org/W2073134059
  • https://openalex.org/W2073787968
  • https://openalex.org/W2079902777
  • https://openalex.org/W2091994550
  • https://openalex.org/W2097511106
  • https://openalex.org/W2098511560
  • https://openalex.org/W2100852196
  • https://openalex.org/W2102779262
  • https://openalex.org/W2103868502
  • https://openalex.org/W2110404186
  • https://openalex.org/W2111190594
  • https://openalex.org/W2112441454
  • https://openalex.org/W2118140755
  • https://openalex.org/W2118722022
  • https://openalex.org/W2119283450
  • https://openalex.org/W2119500943
  • https://openalex.org/W2119854546
  • https://openalex.org/W2121225479
  • https://openalex.org/W2121735421
  • https://openalex.org/W2125089329
  • https://openalex.org/W2137068170
  • https://openalex.org/W2138519450
  • https://openalex.org/W2139852857
  • https://openalex.org/W2144245323
  • https://openalex.org/W2156390491
  • https://openalex.org/W2158917022
  • https://openalex.org/W2160437934
  • https://openalex.org/W2161620511
  • https://openalex.org/W2163039945
  • https://openalex.org/W2165690236
  • https://openalex.org/W2166283754
  • https://openalex.org/W2167340933
  • https://openalex.org/W2258330444
  • https://openalex.org/W2275687046
  • https://openalex.org/W2324493491
  • https://openalex.org/W2338523672
  • https://openalex.org/W2522253280
  • https://openalex.org/W2522997747
  • https://openalex.org/W2593680513
  • https://openalex.org/W2610080502
  • https://openalex.org/W2752113132
  • https://openalex.org/W2799331809
  • https://openalex.org/W2806535130
  • https://openalex.org/W2886430848
  • https://openalex.org/W2901148595
  • https://openalex.org/W2905102681
  • https://openalex.org/W2912513382
  • https://openalex.org/W2913180669
  • https://openalex.org/W2976660043
  • https://openalex.org/W2986344855
  • https://openalex.org/W2990308093
  • https://openalex.org/W3003937758
  • https://openalex.org/W3083440988
  • https://openalex.org/W3084494233
  • https://openalex.org/W3110395203
  • https://openalex.org/W3119458361
  • https://openalex.org/W3201197837
  • https://openalex.org/W4200110760
  • https://openalex.org/W4205968699
  • https://openalex.org/W4206088141
  • https://openalex.org/W4211137895
  • https://openalex.org/W4234535654
  • https://openalex.org/W4245900184
  • https://openalex.org/W4255689608
  • https://openalex.org/W4283209450
  • https://openalex.org/W4283580843
  • https://openalex.org/W4291007291
  • https://openalex.org/W4295846792
  • https://openalex.org/W4313825710
  • https://openalex.org/W4323567137
  • https://openalex.org/W72116247