Published July 1, 2020 | Version v1
Publication Open

Drought response of cowpea (Vigna unguiculata (L.) Walp.) landraces at leaf physiological and metabolite profile levels

Creators

  • 1. Instituto Superior Politécnico de Manica
  • 2. Universidade Nova de Lisboa
  • 3. University of Lisbon

Description

Drought threatens the world's food production, particularly in Sub Saharan Africa low external input and rain fed agricultural systems, where cowpea (Vigna unguiculata (L.) Walp.) is an important food crop. In the context of growing concerns regarding climate changes implications on water availability, this study aimed at 1) to evaluate the drought responses in cowpea landraces with contrasting drought tolerance levels (A55 – high sensitivity; A80 - mild sensitivity; A116 - tolerant), 2) using an integrated physiological (leaf gas exchanges; chlorophyll a fluorescence) and biochemical (photoprotective pigments; RuBisCO activity; primary metabolite profiling) analysis to identify drought tolerance probes, in plants submitted to three water availability levels (well-watered, WW; mild drought, MD; severe drought, SD). A116 plants maintained a better water status under drought, what could justify the higher Pn and Pnmax values in MD, as well as higher photochemical use of energy (reflected in the photochemical quenching (qL) and in the quantum yield of non-cyclic electron transport (Y(II))), and the lower need of photoprotective thermal dissipation mechanisms (given by the non-photochemical quenching (qN), and the quantum yield of regulated energy dissipation at photosystem PSII (Y(NPQ))), in MD and SD plants. Greater declines of net (Pn) and potential (Pnmax) photosynthesis were observed in A55 plants, which frequently showed significant impacts already under MD conditions in most parameters, whereas A80 usually displayed and intermediate behaviour. Still, even A55 showed some acclimation response, regarding photoprotective mechanisms associated with high contents of zeaxanthin, lutein, and carotenes, and high Y(NPQ), and qN values, supporting the absence of an increase in the non-regulated energy dissipation at PSII (Y(NO) did not increased) even in SD plants. Additionally, A55 was not significantly affected in RuBisCO activity, which showed to be quite resilient in cowpea. A primary metabolite profiling, complemented with a partial least square discrimination analysis (PLS-DA), allowed a better separation of A116 and A55 plants according to their degree of drought tolerance. In response to drought, A116 showed the greatest accumulation of most responsive metabolites, 14 in total, with sucrose, fucose, urea, alanine and putrescine being exclusively increased in this genotype, suggesting that they can be candidates as drought tolerance proxies. Other compounds, as proline, valine, isoleucine (among amino acids), and rhamnose and raffinose (among sugars) showed close increase patterns across landraces, thus they would be involved in the common drought response of cowpea plants. This pioneer approach to characterize Africa's and Central Mozambique highly diverse cowpea germplasm, highlights the advantages of an integrated physiological and biochemical analysis, to identify response mechanisms and potential probes for drought tolerance in cowpea, aiming at to support selection and breeding strategies to obtain high yield and drought tolerant elite varieties.

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

Translated Description (Arabic)

يهدد الجفاف الإنتاج الغذائي العالمي، لا سيما في أفريقيا جنوب الصحراء الكبرى، وانخفاض المدخلات الخارجية والنظم الزراعية التي تغذيها الأمطار، حيث يعتبر اللوبيا (Vigna unguiculata (L.) Walp.) محصولًا غذائيًا مهمًا. في سياق المخاوف المتزايدة بشأن آثار تغيرات المناخ على توافر المياه، هدفت هذه الدراسة إلى 1) تقييم استجابات الجفاف في سلالات اللوبيا مع مستويات تحمل الجفاف المتناقضة (A55 - حساسية عالية ؛ A80 – حساسية خفيفة ؛ A116 - تحمل)، 2) باستخدام تحليل فسيولوجي متكامل (تبادل الغازات الورقية ؛ الكلوروفيل مضان) والكيمياء الحيوية (أصباغ واقية من الضوء ؛ نشاط RuBisCO ؛ تنميط المستقلب الأساسي) لتحديد مسابير تحمل الجفاف، في النباتات المقدمة إلى ثلاثة مستويات توفر المياه (مياه جيدة، WW ؛ الجفاف المعتدل، MD ؛ الجفاف الشديد، SD). حافظت محطات A116 على حالة مائية أفضل في ظل الجفاف، ما يمكن أن يبرر ارتفاع قيم Pn و Pnmax في MD، بالإضافة إلى استخدام كيميائي ضوئي أعلى للطاقة (ينعكس في التبريد الكيميائي الضوئي (qL) وفي العائد الكمي لنقل الإلكترون غير الدوري (Y(II))، والحاجة المنخفضة لآليات التبديد الحراري الواقية من الضوء (التي يوفرها التبريد الكيميائي غير الضوئي (qN)، والعائد الكمي لتبديد الطاقة المنظم في النظام الضوئي PSII (Y(NPQ))، في مصانع MD و SD. لوحظ انخفاض أكبر في التمثيل الضوئي الصافي (Pn) والمحتمل (Pnmax) في نباتات A55، والتي أظهرت في كثير من الأحيان تأثيرات كبيرة بالفعل في ظل ظروف MD في معظم المعلمات، في حين أن A80 عادة ما يتم عرضها والسلوك الوسيط. ومع ذلك، حتى A55 أظهرت بعض الاستجابة للتأقلم، فيما يتعلق بآليات الحماية الضوئية المرتبطة بمحتويات عالية من الزياكسانثين واللوتين والكاروتينات، وارتفاع قيم Y(NPQ)، و qN، مما يدعم عدم وجود زيادة في تبديد الطاقة غير المنظم في PSII (Y(NO) لم تزداد) حتى في محطات SD. بالإضافة إلى ذلك، لم تتأثر A55 بشكل كبير في نشاط RuBisCO، والذي أظهر مرونة كبيرة في اللوبياء. سمح التنميط الأولي للمستقلب، المكمل بتحليل جزئي للتمييز الأقل تربيعًا (PLS - DA)، بفصل أفضل للنباتات A116 و A55 وفقًا لدرجة تحملها للجفاف. استجابةً للجفاف، أظهر A116 أكبر تراكم للمستقلبات الأكثر استجابة، 14 في المجموع، مع زيادة السكروز والفاكوز واليوريا والألانين والبوتريسين حصريًا في هذا النمط الجيني، مما يشير إلى أنها يمكن أن تكون مرشحة كوكلاء لتحمل الجفاف. أظهرت المركبات الأخرى، مثل البرولين والفالين والإيزولوسين (بين الأحماض الأمينية) والرامنوز والرافينوز (بين السكريات) أنماط زيادة قريبة عبر السلالات البرية، وبالتالي ستشارك في الاستجابة الشائعة للجفاف لنباتات اللوبيا. يسلط هذا النهج الرائد لتوصيف جراثيم اللوبيا شديدة التنوع في أفريقيا ووسط موزمبيق الضوء على مزايا التحليل الفسيولوجي والكيميائي الحيوي المتكامل، لتحديد آليات الاستجابة والتحقيقات المحتملة لتحمل الجفاف في اللوبيا، بهدف دعم استراتيجيات الانتقاء والتكاثر للحصول على أصناف النخبة عالية الغلة والجفاف.

Translated Description (French)

La sécheresse menace la production alimentaire mondiale, en particulier en Afrique subsaharienne, où les apports externes sont faibles et les systèmes agricoles pluviaux, où le niébé (Vigna unguiculata (L.) Walp.) est une culture vivrière importante. Dans le contexte des préoccupations croissantes concernant les implications des changements climatiques sur la disponibilité en eau, cette étude visait à 1) évaluer les réponses à la sécheresse chez les races de niébé avec des niveaux de tolérance à la sécheresse contrastés (A55 – sensibilité élevée ; A80 - sensibilité légère ; A116 - tolérant), 2) en utilisant une analyse physiologique (échanges de gaz foliaires ; chlorophylle a fluorescence) et biochimique (pigments photoprotecteurs ; activité RuBisCO ; profilage des métabolites primaires) intégrée pour identifier les sondes de tolérance à la sécheresse, chez les plantes soumises à trois niveaux de disponibilité en eau (bien arrosées, WW ; sécheresse légère, MD ; sécheresse sévère, SD). Les plantes A116 ont maintenu un meilleur état de l'eau pendant la sécheresse, ce qui pourrait justifier les valeurs plus élevées de Pn et de Pnmax dans MD, ainsi qu'une utilisation photochimique plus élevée de l'énergie (reflétée dans l'extinction photochimique (qL) et dans le rendement quantique du transport d'électrons non cyclique (Y(II))), et le besoin moindre de mécanismes de dissipation thermique photoprotecteurs (donné par l'extinction non photochimique (qN) et le rendement quantique de la dissipation d'énergie régulée au photosystème PSII (Y(NPQ))), dans les plantes MD et SD. Des déclins plus importants de la photosynthèse nette (Pn) et potentielle (Pnmax) ont été observés chez les plantes A55, qui ont souvent montré des impacts significatifs déjà dans des conditions MD dans la plupart des paramètres, alors que A80 affichait généralement un comportement intermédiaire. Pourtant, même A55 a montré une certaine réponse d'acclimatation, en ce qui concerne les mécanismes photoprotecteurs associés à des teneurs élevées en zéaxanthine, lutéine et carotènes, et à des valeurs élevées de Y(NPQ) et de qN, soutenant l'absence d'augmentation de la dissipation d'énergie non régulée à PSII (Y(NO) n'a pas augmenté) même chez les plantes SD. De plus, A55 n'a pas été significativement affecté dans l'activité de RuBisCO, qui s'est révélée assez résiliente chez le niébé. Un profilage des métabolites primaires, complété par une analyse partielle de discrimination par les moindres carrés (PLS-DA), a permis une meilleure séparation des plantes A116 et A55 en fonction de leur degré de tolérance à la sécheresse. En réponse à la sécheresse, l'A116 a montré la plus grande accumulation de métabolites les plus réactifs, 14 au total, le saccharose, le fucose, l'urée, l'alanine et la putrescine étant exclusivement augmentés dans ce génotype, ce qui suggère qu'ils peuvent être candidats à la tolérance à la sécheresse. D'autres composés, comme la proline, la valine, l'isoleucine (parmi les acides aminés), et le rhamnose et le raffinose (parmi les sucres) ont montré des modèles d'augmentation proches à travers les races terrestres, donc ils seraient impliqués dans la réponse à la sécheresse commune des plantes de niébé. Cette approche pionnière pour caractériser le germoplasme très diversifié du niébé en Afrique et au Mozambique central, met en évidence les avantages d'une analyse physiologique et biochimique intégrée, pour identifier les mécanismes de réponse et les sondes potentielles de tolérance à la sécheresse chez le niébé, visant à soutenir les stratégies de sélection et de sélection pour obtenir des variétés d'élite à haut rendement et tolérantes à la sécheresse.

Translated Description (Spanish)

La sequía amenaza la producción mundial de alimentos, particularmente en el África subsahariana con bajos insumos externos y sistemas agrícolas alimentados por la lluvia, donde el caupí (Vigna unguiculata (L.) Walp.) es un cultivo alimentario importante. En el contexto de las crecientes preocupaciones con respecto a las implicaciones de los cambios climáticos en la disponibilidad de agua, este estudio tuvo como objetivo 1) evaluar las respuestas a la sequía en variedades autóctonas de caupí con niveles contrastantes de tolerancia a la sequía (A55 – alta sensibilidad; A80 - sensibilidad leve; A116 - tolerante), 2) utilizando un análisis fisiológico integrado (intercambios de gases en las hojas; fluorescencia de clorofila a) y bioquímico (pigmentos fotoprotectores; actividad de RuBisCO; perfil de metabolitos primarios) para identificar sondas de tolerancia a la sequía, en plantas sometidas a tres niveles de disponibilidad de agua (bien regadas, WW; sequía leve, MD; sequía severa, SD). Las plantas A116 mantuvieron un mejor estado del agua bajo sequía, lo que podría justificar los valores más altos de Pn y Pnmax en MD, así como un mayor uso fotoquímico de la energía (reflejado en la extinción fotoquímica (qL) y en el rendimiento cuántico del transporte de electrones no cíclico (Y(II))), y la menor necesidad de mecanismos de disipación térmica fotoprotectores (dada por la extinción no fotoquímica (qN) y el rendimiento cuántico de la disipación de energía regulada en el fotosistema PSII (Y(NPQ))), en plantas MD y SD. Se observaron mayores disminuciones de la fotosíntesis neta (Pn) y potencial (Pnmax) en las plantas A55, que con frecuencia mostraban impactos significativos ya en condiciones de MD en la mayoría de los parámetros, mientras que A80 generalmente mostraba un comportamiento intermedio. Aún así, incluso A55 mostró cierta respuesta de aclimatación, con respecto a los mecanismos fotoprotectores asociados con altos contenidos de zeaxantina, luteína y carotenos, y altos valores de Y(NPQ) y qN, lo que respalda la ausencia de un aumento en la disipación de energía no regulada en PSII (Y(NO) no aumentó) incluso en plantas SD. Además, A55 no se vio afectada significativamente en la actividad de RuBisCO, que demostró ser bastante resistente en el caupí. Un perfilado de metabolitos primarios, complementado con un análisis de discriminación de mínimos cuadrados parciales (PLS-DA), permitió una mejor separación de las plantas A116 y A55 según su grado de tolerancia a la sequía. En respuesta a la sequía, A116 mostró la mayor acumulación de metabolitos más sensibles, 14 en total, con sacarosa, fucosa, urea, alanina y putrescina exclusivamente aumentadas en este genotipo, lo que sugiere que pueden ser candidatos como representantes de tolerancia a la sequía. Otros compuestos, como la prolina, la valina, la isoleucina (entre los aminoácidos) y la ramnosa y la rafinosa (entre los azúcares) mostraron patrones de aumento cercanos en las variedades autóctonas, por lo que estarían involucrados en la respuesta común a la sequía de las plantas de caupí. Este enfoque pionero para caracterizar el germoplasma de caupí altamente diverso de África y Mozambique Central, destaca las ventajas de un análisis fisiológico y bioquímico integrado, para identificar mecanismos de respuesta y posibles sondas para la tolerancia a la sequía en el caupí, con el objetivo de apoyar las estrategias de selección y reproducción para obtener variedades de élite de alto rendimiento y tolerantes a la sequía.

Files

REP-LEAF-PBATISTA-SANTOS-Gomes%20et%20al.%202020.%20Drought%20...%201-s2.0-S0098847220300861-main.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
md5:1c555c14da8f56e14aa864e2cbd9ef03
2.5 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
الاستجابة للجفاف من اللوبيا (Vigna unguiculata (L.) Walp.) السلالات عند مستويات الملف الشخصي للأوراق الفسيولوجية والمستقلب
Translated title (French)
Réponse à la sécheresse des races terrestres de niébé (Vigna unguiculata (L.) Walp.) aux niveaux du profil physiologique des feuilles et des métabolites
Translated title (Spanish)
Respuesta a la sequía de las variedades autóctonas de caupí (Vigna unguiculata (L.) Walp.) a nivel fisiológico de las hojas y del perfil de metabolitos

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3016100000
DOI
10.1016/j.envexpbot.2020.104060

Is supplement to
https://openalex.org/W2015907903 (Other)
https://openalex.org/W2185779996 (Other)
https://openalex.org/W2093410151 (Other)
https://openalex.org/W2906922194 (Other)
https://openalex.org/W2052372606 (Other)
https://openalex.org/W2064575713 (Other)
https://openalex.org/W2063489128 (Other)
https://openalex.org/W2081744631 (Other)
https://openalex.org/W2002057710 (Other)
https://openalex.org/W2048705824 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Mozambique

References

  • https://openalex.org/W101030929
  • https://openalex.org/W102391169
  • https://openalex.org/W197444460
  • https://openalex.org/W1040189796
  • https://openalex.org/W1499547818
  • https://openalex.org/W1559760050
  • https://openalex.org/W1858041152
  • https://openalex.org/W1868109440
  • https://openalex.org/W1942473942
  • https://openalex.org/W1944596406
  • https://openalex.org/W1983322585
  • https://openalex.org/W1984708690
  • https://openalex.org/W1987599322
  • https://openalex.org/W1988013494
  • https://openalex.org/W1989629347
  • https://openalex.org/W1993030391
  • https://openalex.org/W1995403970
  • https://openalex.org/W1996889962
  • https://openalex.org/W1999356432
  • https://openalex.org/W2004176654
  • https://openalex.org/W2006317824
  • https://openalex.org/W2008148991
  • https://openalex.org/W2008951912
  • https://openalex.org/W2009497819
  • https://openalex.org/W2012072563
  • https://openalex.org/W2012559324
  • https://openalex.org/W2024040398
  • https://openalex.org/W2034068097
  • https://openalex.org/W2039093027
  • https://openalex.org/W2050434335
  • https://openalex.org/W2056196735
  • https://openalex.org/W2057064068
  • https://openalex.org/W2083195080
  • https://openalex.org/W2092828648
  • https://openalex.org/W2098087167
  • https://openalex.org/W2099524720
  • https://openalex.org/W2101011098
  • https://openalex.org/W2101551644
  • https://openalex.org/W2103830185
  • https://openalex.org/W2104051463
  • https://openalex.org/W2105652889
  • https://openalex.org/W2118643445
  • https://openalex.org/W2134252620
  • https://openalex.org/W2139161312
  • https://openalex.org/W2139210662
  • https://openalex.org/W2142768085
  • https://openalex.org/W2146405286
  • https://openalex.org/W2149381696
  • https://openalex.org/W2164960325
  • https://openalex.org/W2168617775
  • https://openalex.org/W2169696545
  • https://openalex.org/W2170749830
  • https://openalex.org/W2257445665
  • https://openalex.org/W2414522590
  • https://openalex.org/W2442108844
  • https://openalex.org/W2461651771
  • https://openalex.org/W2466503533
  • https://openalex.org/W2498555574
  • https://openalex.org/W2522820660
  • https://openalex.org/W2534658124
  • https://openalex.org/W2536657235
  • https://openalex.org/W2549970488
  • https://openalex.org/W2569376659
  • https://openalex.org/W2582743722
  • https://openalex.org/W2587670439
  • https://openalex.org/W2610054082
  • https://openalex.org/W2725691603
  • https://openalex.org/W2731951690
  • https://openalex.org/W2734853387
  • https://openalex.org/W2767990630
  • https://openalex.org/W2772034604
  • https://openalex.org/W2774093623
  • https://openalex.org/W2789265612
  • https://openalex.org/W2789301722
  • https://openalex.org/W2805192311
  • https://openalex.org/W2805429944
  • https://openalex.org/W2891329915
  • https://openalex.org/W2899180134
  • https://openalex.org/W2917553271
  • https://openalex.org/W2950645224
  • https://openalex.org/W2950985821
  • https://openalex.org/W2953065537
  • https://openalex.org/W2995488293
  • https://openalex.org/W3111380248
  • https://openalex.org/W3120753969
  • https://openalex.org/W4211171804
  • https://openalex.org/W4237908287