Published September 10, 2020 | Version v1
Publication Open

Root Exudates Metabolic Profiling Suggests Distinct Defense Mechanisms Between Resistant and Susceptible Tobacco Cultivars Against Black Shank Disease

Creators

  • 1. Tobacco Research Institute
  • 2. Chinese Academy of Agricultural Sciences
  • 3. China Tobacco
  • 4. Qingdao Academy of Agricultural Sciences

Description

There is increasing evidence that root exudates play important roles in plant disease resistance. Black shank, caused by Phytophthora nicotianae, is a destructive soil-borne disease in tobacco (Nicotiana tabacum L.). The aim of the present study was to investigate the activity and composition of the root exudates from resistant and susceptible tobacco cultivars. The root exudates of the resistant cultivar Gexin 3 showed inhibitory activity against P. nicotianae, while the exudates of susceptible cultivar Xiaohuangjin 1025 stimulated the colony growth but had no effect on spore germination. Metabolic profiling using liquid chromatography/electrospray ionization-quadrupole-time-of-flight mass spectrometry depicted differing metabolic patterns of root exudates between Gexin 3 and Xiaohuangjin 1025. The activity and composition of root exudates was altered by P. nicotianae inoculation. Multivariate analysis showed that root exudates (including organic acids, alkaloids, fatty acids, and esters) were different between the two varieties. The defense substances in root exudates, such as tartaric acid, ferulic acid, and lauric acid, may represent a pre-infection prevention strategy for tobacco. Phenylpropanoids as well as inducers of salicylic acid, fatty acids, 6-hydroxyhexanoic acid, and hydrojasmonate may be involved in tobacco defense responses. Compared to the susceptible cultivar, the roots of the resistant cultivar exhibited high enzyme activities of phenylalanine ammonia-lyase, cinnamate-4-hydroxylase and 4-coumarate-CoA ligase, which may prompt the synthesis and secretion of phenylpropanoids. Our results indicated that the root exudates not only provide a pre-infection prevention strategy by exuding antimicrobial substances, but also increase tobacco disease resistance by eliciting plant defense responses. In addition, some defense compounds as well as compounds that play a role in inducing plant defense responses, showed potential for disease control application. This study provides an insight into possible disease resistance mechanisms of root exudates, and attempts the beneficial utilization of these secondary metabolites of plants.

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

Translated Description (Arabic)

هناك أدلة متزايدة على أن الإفرازات الجذرية تلعب أدوارًا مهمة في مقاومة الأمراض النباتية. الساق السوداء، التي تسببها Phytophthora nicotianae، هو مرض مدمر ينقله التربة في التبغ (Nicotiana tabacum L.). كان الهدف من هذه الدراسة هو التحقيق في نشاط وتكوين إفرازات الجذر من أصناف التبغ المقاومة والمعرضة للإصابة. أظهرت الإفرازات الجذرية للصنف المقاوم Gexin 3 نشاطًا مثبطًا ضد P. nicotianae، في حين أن إفرازات الصنف الحساس Xiaohuangjin 1025 حفزت نمو المستعمرة ولكن لم يكن لها أي تأثير على إنبات الأبواغ. التنميط الأيضي باستخدام الكروماتوغرافيا السائلة/التأين بالرش الكهربائي - الطيف الكتلي الرباعي زمن الطيران يصور أنماطًا استقلابية مختلفة من إفرازات الجذر بين جيكسين 3 وشياوهوانغجين 1025. تم تغيير نشاط وتكوين إفرازات الجذر عن طريق تلقيح P. nicotianae. أظهر التحليل متعدد المتغيرات أن إفرازات الجذر (بما في ذلك الأحماض العضوية والقلويدات والأحماض الدهنية والإسترات) كانت مختلفة بين الصنفين. قد تمثل المواد الدفاعية في إفرازات الجذر، مثل حمض الطرطريك وحمض الفيروليك وحمض اللوريك، استراتيجية للوقاية من الإصابة السابقة للتبغ. قد تشارك مركبات الفينيل بروبانويد وكذلك محفزات حمض الساليسيليك والأحماض الدهنية وحمض 6 -هيدروكسي هكسانويك وهيدروجسمونات في استجابات الدفاع عن التبغ. بالمقارنة مع الصنف المعرض، أظهرت جذور الصنف المقاوم أنشطة إنزيمية عالية من فينيل ألانين الأمونيا- لياز، سينامات-4 -هيدروكسيلاز و 4 -كومارات- CoA ليغاز، والتي قد تدفع إلى تخليق وإفراز فينيل بروبانويدس. أشارت نتائجنا إلى أن الإفرازات الجذرية لا توفر فقط استراتيجية للوقاية قبل العدوى من خلال إفراز المواد المضادة للميكروبات، ولكنها تزيد أيضًا من مقاومة أمراض التبغ من خلال استنباط استجابات دفاعية للنباتات. بالإضافة إلى ذلك، أظهرت بعض المركبات الدفاعية وكذلك المركبات التي تلعب دورًا في تحفيز استجابات الدفاع عن النبات، إمكانية تطبيق مكافحة الأمراض. تقدم هذه الدراسة نظرة ثاقبة على الآليات المحتملة لمقاومة الأمراض في إفرازات الجذور، وتحاول الاستفادة من هذه المستقلبات الثانوية للنباتات.

Translated Description (French)

Il existe de plus en plus de preuves que les exsudats racinaires jouent un rôle important dans la résistance aux maladies des plantes. La tige noire, causée par Phytophthora nicotianae, est une maladie destructrice transmise par le sol dans le tabac (Nicotiana tabacum L.). L'objectif de la présente étude était d'étudier l'activité et la composition des exsudats racinaires de cultivars de tabac résistants et sensibles. Les exsudats racinaires du cultivar résistant Gexin 3 ont montré une activité inhibitrice contre P. nicotianae, tandis que les exsudats du cultivar sensible Xiaohuangjin 1025 ont stimulé la croissance de la colonie mais n'ont eu aucun effet sur la germination des spores. Le profilage métabolique à l'aide de la chromatographie liquide/ionisation par électronébulisation-quadrupole - spectrométrie de masse à temps de vol a décrit différents modèles métaboliques d'exsudats racinaires entre Gexin 3 et Xiaohuangjin 1025. L'activité et la composition des exsudats racinaires ont été altérées par l'inoculation de P. nicotianae. L'analyse multivariée a montré que les exsudats racinaires (y compris les acides organiques, les alcaloïdes, les acides gras et les esters) étaient différents entre les deux variétés. Les substances de défense dans les exsudats racinaires, telles que l'acide tartrique, l'acide férulique et l'acide laurique, peuvent représenter une stratégie de prévention pré-infection pour le tabac. Les phénylpropanoïdes ainsi que les inducteurs de l'acide salicylique, des acides gras, de l'acide 6-hydroxyhexanoïque et de l'hydrojasmonate peuvent être impliqués dans les réponses de défense du tabac. Par rapport au cultivar sensible, les racines du cultivar résistant présentaient des activités enzymatiques élevées de la phénylalanine ammonia-lyase, de la cinnamate-4-hydroxylase et de la 4-coumarate-CoA ligase, ce qui peut provoquer la synthèse et la sécrétion de phénylpropanoïdes. Nos résultats ont indiqué que les exsudats racinaires fournissent non seulement une stratégie de prévention pré-infectieuse en exsudant des substances antimicrobiennes, mais augmentent également la résistance aux maladies du tabac en provoquant des réponses de défense des plantes. En outre, certains composés de défense ainsi que des composés qui jouent un rôle dans l'induction des réponses de défense des plantes, ont montré un potentiel d'application pour le contrôle des maladies. Cette étude fournit un aperçu des mécanismes possibles de résistance aux maladies des exsudats racinaires et tente l'utilisation bénéfique de ces métabolites secondaires des plantes.

Translated Description (Spanish)

Cada vez hay más pruebas de que los exudados radiculares desempeñan un papel importante en la resistencia a las enfermedades de las plantas. El tallo negro, causado por Phytophthora nicotianae, es una enfermedad destructiva transmitida por el suelo en el tabaco (Nicotiana tabacum L.). El objetivo del presente estudio fue investigar la actividad y composición de los exudados radiculares de cultivares de tabaco resistentes y susceptibles. Los exudados radiculares del cultivar resistente Gexin 3 mostraron actividad inhibidora contra P. nicotianae, mientras que los exudados del cultivar susceptible Xiaohuangjin 1025 estimularon el crecimiento de la colonia pero no tuvieron ningún efecto sobre la germinación de las esporas. El perfil metabólico mediante cromatografía líquida/ionización por electropulverización-espectrometría de masas de cuadrupolo-tiempo de vuelo representó diferentes patrones metabólicos de exudados radiculares entre Gexin 3 y Xiaohuangjin 1025. La actividad y composición de los exudados radiculares se vio alterada por la inoculación de P. nicotianae. El análisis multivariante mostró que los exudados de raíz (incluidos ácidos orgánicos, alcaloides, ácidos grasos y ésteres) eran diferentes entre las dos variedades. Las sustancias de defensa en los exudados radiculares, como el ácido tartárico, el ácido ferúlico y el ácido láurico, pueden representar una estrategia de prevención previa a la infección para el tabaco. Los fenilpropanoides, así como los inductores del ácido salicílico, los ácidos grasos, el ácido 6-hidroxihexanoico y el hidrojasmonato pueden estar involucrados en las respuestas de defensa del tabaco. En comparación con el cultivar susceptible, las raíces del cultivar resistente exhibieron altas actividades enzimáticas de fenilalanina amoníaco-liasa, cinamato-4-hidroxilasa y 4-cumarato-CoA ligasa, lo que puede provocar la síntesis y secreción de fenilpropanoides. Nuestros resultados indicaron que los exudados radiculares no solo proporcionan una estrategia de prevención previa a la infección al exudar sustancias antimicrobianas, sino que también aumentan la resistencia a las enfermedades del tabaco al provocar respuestas de defensa de las plantas. Además, algunos compuestos de defensa, así como compuestos que desempeñan un papel en la inducción de respuestas de defensa de las plantas, mostraron potencial para la aplicación de control de enfermedades. Este estudio proporciona una visión de los posibles mecanismos de resistencia a las enfermedades de los exudados radiculares e intenta la utilización beneficiosa de estos metabolitos secundarios de las plantas.

Files

pdf.pdf

Files (1.7 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
md5:5f3dabe0a7c3096d90a2eb2bbf35635e
1.7 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
تشير التنميط الأيضي لإفرازات الجذر إلى آليات دفاع متميزة بين مستنبتات التبغ المقاومة والمعرضة للإصابة ضد مرض الساق السوداء
Translated title (French)
Le profil métabolique des exsudats racinaires suggère des mécanismes de défense distincts entre les cultivars de tabac résistants et sensibles contre la maladie de la tige noire
Translated title (Spanish)
El perfil metabólico de los exudados radiculares sugiere distintos mecanismos de defensa entre los cultivares de tabaco resistentes y susceptibles contra la enfermedad del tallo negro

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3086144879
DOI
10.3389/fpls.2020.559775

Is supplement to
https://openalex.org/W4366583166 (Other)
https://openalex.org/W3215405849 (Other)
https://openalex.org/W3032034920 (Other)
https://openalex.org/W2387460723 (Other)
https://openalex.org/W2347634775 (Other)
https://openalex.org/W2061521456 (Other)
https://openalex.org/W1994146878 (Other)
https://openalex.org/W1967262040 (Other)
https://openalex.org/W1875532927 (Other)
https://openalex.org/W105954529 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
China

References

  • https://openalex.org/W1276843958
  • https://openalex.org/W128116462
  • https://openalex.org/W1508340541
  • https://openalex.org/W1515076106
  • https://openalex.org/W1551509096
  • https://openalex.org/W1565014916
  • https://openalex.org/W1583941769
  • https://openalex.org/W1586128746
  • https://openalex.org/W1597363428
  • https://openalex.org/W1964063026
  • https://openalex.org/W1965510986
  • https://openalex.org/W1967203905
  • https://openalex.org/W1980744384
  • https://openalex.org/W2001756501
  • https://openalex.org/W2010854320
  • https://openalex.org/W2014813400
  • https://openalex.org/W2039258058
  • https://openalex.org/W2044845433
  • https://openalex.org/W2045014532
  • https://openalex.org/W2051029879
  • https://openalex.org/W2060301482
  • https://openalex.org/W2066465361
  • https://openalex.org/W2066920735
  • https://openalex.org/W2089671338
  • https://openalex.org/W2095287912
  • https://openalex.org/W2095389399
  • https://openalex.org/W2103440516
  • https://openalex.org/W2115457761
  • https://openalex.org/W2121381623
  • https://openalex.org/W2138143679
  • https://openalex.org/W2146094291
  • https://openalex.org/W2155977698
  • https://openalex.org/W2162106173
  • https://openalex.org/W2162649746
  • https://openalex.org/W2252993452
  • https://openalex.org/W2296610545
  • https://openalex.org/W2311583272
  • https://openalex.org/W2313409935
  • https://openalex.org/W2323002050
  • https://openalex.org/W2338498168
  • https://openalex.org/W2396766738
  • https://openalex.org/W2420410706
  • https://openalex.org/W2613999185
  • https://openalex.org/W2767049283
  • https://openalex.org/W2769466944
  • https://openalex.org/W2793135468
  • https://openalex.org/W2796475592
  • https://openalex.org/W2899764402
  • https://openalex.org/W2915138805
  • https://openalex.org/W2964072580
  • https://openalex.org/W3036319615
  • https://openalex.org/W3142659030