Published May 16, 2023
| Version v1
Publication
Open
Widely untargeted metabolomic profiling unearths metabolites and pathways involved in leaf senescence and N remobilization in spring-cultivated wheat under different N regimes
Creators
- 1. Council for Scientific and Industrial Research
- 2. Gansu Agricultural University
- 3. University for Development Studies
Description
Progression of leaf senescence consists of both degenerative and nutrient recycling processes in crops including wheat. However, the levels of metabolites in flag leaves in spring-cultivated wheat, as well as biosynthetic pathways involved under different nitrogen fertilization regimes, are largely unknown. Therefore, the present study employed a widely untargeted metabolomic profiling strategy to identify metabolites and biosynthetic pathways that could be used in a wheat improvement program aimed at manipulating the rate and onset of senescence by handling spring wheat ( Dingxi 38 ) flag leaves sampled from no-, low-, and high-nitrogen (N) conditions (designated Groups 1, 2, and 3, respectively) across three sampling times: anthesis, grain filling, and end grain filling stages. Through ultrahigh-performance liquid chromatography–tandem mass spectrometry, a total of 826 metabolites comprising 107 flavonoids, 51 phenol lipids, 37 fatty acyls, 37 organooxygen compounds, 31 steroids and steroid derivatives, 18 phenols, and several unknown compounds were detected. Upon the application of the stringent screening criteria for differentially accumulated metabolites (DAMs), 28 and 23 metabolites were differentially accumulated in Group 1_vs_Group 2 and Group 1_vs_Group 3, respectively. From these, 1-O-Caffeoylglucose, Rhoifolin, Eurycomalactone;Ingenol, 4-Methoxyphenyl beta-D-glucopyranoside, and Baldrinal were detected as core conserved DAMs among the three groups with all accumulated higher in Group 1 than in the other two groups. Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes pathway analysis revealed that tropane, piperidine, and pyridine alkaloid biosynthesis; acarbose and validamycin biosynthesis; lysine degradation; and biosynthesis of alkaloids derived from ornithine, lysine, and nicotinic acid pathways were the most significantly ( p < 0.05) enriched in Group 1_vs_Group 2, while flavone and flavonol as well as anthocyanins biosynthetic pathways were the most significantly ( p < 0.05) enriched in Group 1_vs_Group 3. The results from this study provide a foundation for the manipulation of the onset and rate of leaf senescence and N remobilization in wheat.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يتكون تطور شيخوخة الأوراق من كل من عمليات إعادة التدوير التنكسية والمغذيات في المحاصيل بما في ذلك القمح. ومع ذلك، فإن مستويات المستقلبات في أوراق العلم في القمح المزروع في الربيع، وكذلك المسارات التركيبية الحيوية المشاركة في أنظمة التسميد النيتروجيني المختلفة، غير معروفة إلى حد كبير. لذلك، استخدمت الدراسة الحالية استراتيجية تنميط أيضية غير مستهدفة على نطاق واسع لتحديد المستقلبات ومسارات التخليق الحيوي التي يمكن استخدامها في برنامج تحسين القمح الذي يهدف إلى التلاعب بمعدل وبداية الشيخوخة من خلال التعامل مع أوراق علم القمح الربيعي (Dingxi 38 ) المأخوذة من ظروف عدم وجود النيتروجين وانخفاضه وارتفاعه (N) (المجموعات المعينة 1 و 2 و 3، على التوالي) عبر ثلاث مرات لأخذ العينات: مراحل التخدير وتعبئة الحبوب وتعبئة الحبوب النهائية. من خلال قياس الطيف الكتلي اللوني السائل فائق الأداء، تم اكتشاف ما مجموعه 826 مستقلبًا يشتمل على 107 فلافونويد، و 51 من دهون الفينول، و 37 من الأسيل الدهني، و 37 من مركبات الأكسجين العضوية، و 31 من الستيرويدات ومشتقات الستيرويد، و 18 من الفينول، والعديد من المركبات غير المعروفة. عند تطبيق معايير الفرز الصارمة للأيضات المتراكمة بشكل تفاضلي (DAMs)، تم تجميع 28 و 23 مستقلبًا بشكل تفاضلي في المجموعة 1_مقابل_المجموعة 2 والمجموعة 1_مقابل_المجموعة 3، على التوالي. من هذه، تم اكتشاف 1 - O - Caffeoylglucose و Rhoifolin و Eurycomalactone و Ingenol و 4 - Methoxyphenyl beta - D - glucopyranoside و Baldrinal كمواد دام محفوظة أساسية بين المجموعات الثلاث مع تراكمها جميعها أعلى في المجموعة 1 منها في المجموعتين الأخريين. كشفت موسوعة كيوتو للجينات وتحليل مسار الجينوم أن التخليق الحيوي للتروبان والبيبريدين والبيريدين القلوي ؛ والتخليق الحيوي للأكاربوز و Validamycin ؛ وتدهور اللايسين ؛ والتخليق الحيوي للقلويات المستمدة من مسارات الأورنيثين والليسين وحمض النيكوتين كانت الأكثر أهمية ( p < 0.05) المخصب في المجموعة 1_vs_Group 2، في حين كانت مسارات الفلافون والفلافونول وكذلك مسارات التركيب الحيوي للأنثوسيانين الأكثر أهمية ( p < 0.05) المخصب في المجموعة 1_vs_Group 3. توفر نتائج هذه الدراسة أساسًا للتلاعب بظهور ومعدل شيخوخة الأوراق وإعادة تعبئة N في القمح.Translated Description (French)
La progression de la sénescence foliaire consiste en des processus de recyclage dégénératif et nutritif dans les cultures, y compris le blé. Cependant, les niveaux de métabolites dans les feuilles porte-drapeau du blé cultivé au printemps, ainsi que les voies de biosynthèse impliquées sous différents régimes de fertilisation à l'azote, sont largement inconnus. Par conséquent, la présente étude a utilisé une stratégie de profilage métabolomique largement non ciblée pour identifier les métabolites et les voies de biosynthèse qui pourraient être utilisés dans un programme d'amélioration du blé visant à manipuler le taux et le début de la sénescence en manipulant les feuilles indicatrices de blé de printemps ( Dingxi 38 ) échantillonnées dans des conditions sans azote (N), à faible azote (N) et à azote élevé (groupes désignés 1, 2 et 3, respectivement) à trois moments d'échantillonnage : anthèse, remplissage des grains et remplissage des grains finaux. Grâce à la chromatographie liquide ultra-haute performance et à la spectrométrie de masse en tandem, un total de 826 métabolites comprenant 107 flavonoïdes, 51 lipides phénoliques, 37 acyles gras, 37 composés organooxygénés, 31 stéroïdes et dérivés stéroïdiens, 18 phénols et plusieurs composés inconnus ont été détectés. Lors de l'application des critères de dépistage stricts pour les métabolites accumulés de manière différentielle (DAM), 28 et 23 métabolites ont été accumulés de manière différentielle dans le groupe 1_vs_Groupe 2 et le groupe 1_vs_Groupe 3, respectivement. À partir de ceux-ci, le 1-O-caféoylglucose, la rhoifoline, l'eurycomalactone ; l'ingénol, le 4-méthoxyphényl bêta-D-glucopyranoside et le Baldrinal ont été détectés comme des DAM conservés dans le noyau parmi les trois groupes, tous accumulés plus haut dans le groupe 1 que dans les deux autres groupes. Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes pathway analysis revealed that tropane, piperidine, and pyridine alkaloid biosynthesis ; acarbose and validamycin biosynthesis ; lysine degradation ; and biosynthesis of alkaloids derived from ornithine, lysine, and nicotinic acid pathways were the most significantly ( p < 0.05) enriched in Group 1_vs_Group 2, while flavone and flavonol as well as anthocyanins biosynthetic pathways were the most significantly ( p < 0.05) enriched in Group 1_vs_Group 3. Les résultats de cette étude fournissent une base pour la manipulation de l'apparition et du taux de sénescence foliaire et de remobilisation de l'azote chez le blé.Translated Description (Spanish)
La progresión de la senescencia foliar consiste en procesos tanto degenerativos como de reciclaje de nutrientes en cultivos como el trigo. Sin embargo, los niveles de metabolitos en las hojas de bandera en el trigo cultivado en primavera, así como las vías biosintéticas involucradas en diferentes regímenes de fertilización con nitrógeno, son en gran parte desconocidos. Por lo tanto, el presente estudio empleó una estrategia de perfilado metabolómico ampliamente no dirigida para identificar metabolitos y vías biosintéticas que podrían usarse en un programa de mejora del trigo destinado a manipular la tasa y el inicio de la senescencia mediante el manejo de hojas flag de trigo de primavera ( Dingxi 38 ) muestreadas de condiciones sin, bajo y alto contenido de nitrógeno (N) (designados Grupos 1, 2 y 3, respectivamente) en tres tiempos de muestreo: antesis, llenado de grano y etapas de llenado de grano final. A través de la cromatografía líquida de ultra alta resolución-espectrometría de masas en tándem, se detectaron un total de 826 metabolitos que comprenden 107 flavonoides, 51 lípidos de fenol, 37 acilos grasos, 37 compuestos de organooxígeno, 31 esteroides y derivados de esteroides, 18 fenoles y varios compuestos desconocidos. Tras la aplicación de los estrictos criterios de selección de metabolitos diferencialmente acumulados (Dam), 28 y 23 metabolitos se acumularon diferencialmente en el Grupo 1_vs_Grupo 2 y el Grupo 1_vs_Grupo 3, respectivamente. A partir de estos, se detectaron 1-O-Cafeoilglucosa, Rhoifolin, Eurycomalactona;Ingenol, 4-metoxifenil beta-D-glucopiranósido y Baldrinal como DAM conservadas en el núcleo entre los tres grupos con todos acumulados más altos en el Grupo 1 que en los otros dos grupos. El análisis de la Enciclopedia de Genes y Genomas de Kyoto reveló que la biosíntesis de alcaloides de tropano, piperidina y piridina; la biosíntesis de acarbosa y validamicina; la degradación de lisina; y la biosíntesis de alcaloides derivados de las vías de ornitina, lisina y ácido nicotínico fueron las más significativamente enriquecidas ( p & lt; 0.05) en el Grupo 1_vs_Grupo 2, mientras que las vías biosintéticas de flavona y flavonol, así como de antocianinas, fueron las más significativamente enriquecidas ( p < 0.05) en el Grupo 1_vs_Grupo 3. Los resultados de este estudio proporcionan una base para la manipulación del inicio y la tasa de senescencia de las hojas y la removilización del N en el trigo.Files
pdf.pdf
Files
(3.0 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:dbed9464e9ad6e73a3d64e3da7d729ce
|
3.0 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- يكشف التنميط الأيضي غير المستهدف على نطاق واسع عن المستقلبات والمسارات المشاركة في شيخوخة الأوراق وإعادة تعبئة N في القمح المزروع في الربيع في ظل أنظمة N مختلفة
- Translated title (French)
- Le profilage métabolomique largement non ciblé met au jour les métabolites et les voies impliqués dans la sénescence foliaire et la remobilisation de l'azote dans le blé cultivé au printemps sous différents régimes d'azote
- Translated title (Spanish)
- El perfil metabolómico ampliamente no dirigido descubre metabolitos y vías involucradas en la senescencia de las hojas y la removilización de N en trigo cultivado en primavera bajo diferentes regímenes de N
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4376957654
- DOI
- 10.3389/fpls.2023.1166933
References
- https://openalex.org/W145473912
- https://openalex.org/W1476359181
- https://openalex.org/W1936400768
- https://openalex.org/W1968430975
- https://openalex.org/W1970009358
- https://openalex.org/W1978841483
- https://openalex.org/W1993709085
- https://openalex.org/W2003157985
- https://openalex.org/W2012719672
- https://openalex.org/W2018105531
- https://openalex.org/W2028939790
- https://openalex.org/W2032217388
- https://openalex.org/W2032534095
- https://openalex.org/W2033377040
- https://openalex.org/W2033391517
- https://openalex.org/W2055023599
- https://openalex.org/W2069624025
- https://openalex.org/W2074447225
- https://openalex.org/W2075425305
- https://openalex.org/W2077241234
- https://openalex.org/W2082612365
- https://openalex.org/W2091525621
- https://openalex.org/W2095084501
- https://openalex.org/W2095858716
- https://openalex.org/W2096185845
- https://openalex.org/W2100874251
- https://openalex.org/W2105587095
- https://openalex.org/W2110256992
- https://openalex.org/W2116209999
- https://openalex.org/W2121591594
- https://openalex.org/W2121769890
- https://openalex.org/W2128989762
- https://openalex.org/W2130193199
- https://openalex.org/W2134038950
- https://openalex.org/W2140226942
- https://openalex.org/W2148032599
- https://openalex.org/W2151297646
- https://openalex.org/W2155820202
- https://openalex.org/W2158969660
- https://openalex.org/W2160272317
- https://openalex.org/W2160533896
- https://openalex.org/W2166430819
- https://openalex.org/W2167333348
- https://openalex.org/W2177317049
- https://openalex.org/W2179438025
- https://openalex.org/W2221185254
- https://openalex.org/W2399092983
- https://openalex.org/W2568975418
- https://openalex.org/W2747327312
- https://openalex.org/W2755997632
- https://openalex.org/W2767683865
- https://openalex.org/W2770272624
- https://openalex.org/W2791338414
- https://openalex.org/W2791362297
- https://openalex.org/W2889835372
- https://openalex.org/W2898212589
- https://openalex.org/W2898890948
- https://openalex.org/W2913500366
- https://openalex.org/W2947500745
- https://openalex.org/W29560873
- https://openalex.org/W2976614870
- https://openalex.org/W3003753466
- https://openalex.org/W3007184286
- https://openalex.org/W3019965129
- https://openalex.org/W3033368570
- https://openalex.org/W3036319615
- https://openalex.org/W3074657795
- https://openalex.org/W3085073370
- https://openalex.org/W3093210245
- https://openalex.org/W3108111844
- https://openalex.org/W3108604517
- https://openalex.org/W3127209611
- https://openalex.org/W3134117848
- https://openalex.org/W3136267508
- https://openalex.org/W3182977307
- https://openalex.org/W3193493945
- https://openalex.org/W3200216559
- https://openalex.org/W3200706955
- https://openalex.org/W3208208117
- https://openalex.org/W4200324149
- https://openalex.org/W4205190586
- https://openalex.org/W4205257058
- https://openalex.org/W4206787553
- https://openalex.org/W4232629414
- https://openalex.org/W4240494564
- https://openalex.org/W86983755