Metabolite profiling and genome-wide association studies reveal response mechanisms of phosphorus deficiency in maize seedling
Resumo
O fósforo inorgânico (Pi) é um elemento essencial em várias reações metabólicas e vias de sinalização, mas os detalhes moleculares dessas vias permanecem amplamente desconhecidos. Neste estudo, os perfis de metabólitos das folhas e raízes do milho (Zea mays L.) foram comparados entre seis linhagens sensíveis ao baixo teor de Pi e seis linhagens tolerantes ao baixo teor de Pi em condições de Pi suficiente e deficiente para identificar caminhos e genes associados à resposta ao estresse por baixo teor de Pi. Os resultados mostraram que, sob privação de Pi, as concentrações de ácidos nucleicos, ácidos orgânicos e açúcares aumentaram, mas as concentrações de metabólitos fosforilados, determinados aminoácidos, metabólitos lipídicos e compostos nitrogenados diminuíram. Os níveis de metabólitos secundários envolvidos nas reações imunológicas das plantas, incluindo benzoxazinoides e flavonoides, foram significativamente diferentes nas plantas cultivadas em condições de deficiência de Pi. Entre eles, os 11 metabólitos mais estáveis apresentaram diferenças significativas em condições de baixo e normal Pi com base no coeficiente de variação (CV). A isoleucina e a alanina foram os metabólitos mais estáveis para a identificação de linhagens de milho sensíveis e resistentes ao Pi. Com a correlação significativa entre características morfológicas e metabólitos, cinco genes consensuais de baixa resposta ao Pi associados a características morfológicas e simultaneamente envolvidos em vias metabólicas foram extraídos pela combinação de perfis de metabólitos e estudo de associação de todo o genoma (GWAS, do inglês Genome-Wide Association Studies). Os genes de consenso induzidos pela deficiência de Pi em mudas de milho também foram validados pela reação em cadeia da polimerase quantitativa de transcrição reversa (RT-qPCR). Além disso, esses genes foram validados em uma população de linhagem inbred recombinante (RIL, do inglês Recombinant Inbred Line), na qual o gene que codifica a glicose-6-fosfato-1-epimerase mediou o rendimento e correlacionou as características à disponibilidade de fósforo. Juntos, nossos resultados fornecem uma estrutura para a compreensão dos processos metabólicos subjacentes às respostas à deficiência de Pi e oferecem várias percepções para melhorar a eficiência do uso de Pi no milho.
Abstract
Inorganic phosphorus (Pi) is an essential element in numerous metabolic reactions and signaling pathways, but the molecular details of these pathways remain largely unknown. In this study, metabolite profiles of maize (Zea mays L.) leaves and roots were compared between six low-Pi-sensitive lines and six low-Pi-tolerant lines under Pi-sufficient and Pi-deficient conditions to identify pathways and genes associated with the low-Pi stress response. Results showed that under Pi deprivation the concentrations of nucleic acids, organic acids and sugars were increased, but that the concentrations of phosphorylated metabolites, certain amino acids, lipid metabolites and nitrogenous compounds were decreased. The levels of secondary metabolites involved in plant immune reactions, including benzoxazinoids and flavonoids, were significantly different in plants grown under Pi-deficient conditions. Among them, the 11 most stable metabolites showed significant differences under low- and normal-Pi conditions based on the coefficient of variation (CV). Isoleucine and alanine were the most stable metabolites for the identification of Pi-sensitive and Pi-resistant maize inbred lines. With the significant correlation between morphological traits and metabolites, five low-Pi-responding consensus genes associated with morphological traits and simultaneously involved in metabolic pathways were mined by combining metabolites profiles and genome-wide association study (GWAS). The consensus genes induced by Pi deficiency in maize seedlings were also validated by reverse-transcription quantitative polymerase chain reaction (RT-qPCR). Moreover, these genes were further validated in a recombinant inbred line (RIL) population, in which the glucose-6-phosphate-1-epimerase encoding gene mediated yield and correlated traits to phosphorus availability. Together, our results provide a framework for understanding the metabolic processes underlying Pi-deficient responses and give multiple insights into improving the efficiency of Pi use in maize.
B. Luo
P. Ma
Z. Nie
X. Zhang
X. He
X. Ding
X. Feng
Q. Lu
Z. Ren
H. Lin
Y. Wu
2019 - Plant Journal
