Publicação: Effect of potassium availability on soybean metabolism by integrated metabolomics and ionomics analysis
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Data
Autores
Orientador
Lannes, Lucíola Santos 
Hoffmann-Campo, Clara Beatriz
Coorientador
Pós-graduação
Agronomia - FEIS
Curso de graduação
Título da Revista
ISSN da Revista
Título de Volume
Editor
Universidade Estadual Paulista (Unesp)
Tipo
Dissertação de mestrado
Direito de acesso
Acesso aberto
Resumo
Resumo (português)
Potassium (K+) has vital physiological functions in plants and its availability can impact the tolerance of species to biotic and abiotic stress conditions. Limited studies have investigated the effect of K+ fertilization on soybean metabolism. Using integrated omics, ionomics and metabolomics, we investigated the response of field-grown soybean (Glycine max) to four rates of soil K+ availability: very low (KVL), low (KL), medium (KM), and very high (KVH). Soybean trifoliate leaf (V7) and pod tissue (R5.5) extracts were analysed by ultra-performance liquid chromatography coupled to high-resolution mass spectrometry (UPLC-HRMS) and inductively coupled plasma optical emission spectroscopy (ICP-OES). Multivariate analyses showed that 51 compounds of 19 metabolic pathway maps were regulated in response to K+ availability. The soybean yield parameters also were influenced in plants under very low (KVL; 2211 kg ha-1) and low (KL; 3737 kg ha-1) differing from KM and KVH (4093 and 4096 kg ha-1, respectively) treatments. Under very low potassium availability, soybean plants promoted the accumulation of Ca2+, Mg2+, Fe2+, Cu2+, and B in young and old leaves. Not only, isoflavones, coumestans, pterocarpans, and soyasaponins also were elicited in severely K+ deficient trifoliate leaves, which can be associated with oxidative and photodynamic stress status. Potassium fertilization upregulated carbohydrate, galactolipid, and flavonol glycoside biosynthesis in leaves and pod valves, while K+ deficient pod tissues showed increasing contents of amino acids, oligosaccharides, benzoic acid derivates, and isoflavones. Additionally, results demonstrate that asparagine content is higher in potassium deficient tissues, which suggests being a biomarker of K+ deficiency in soybean plants. These results demonstrate that potassium soil fertilization did not linearly contribute to changes in specialised constitutive metabolites of soybean. Altogether, this work provides a reference for improving the understanding of soybean metabolism as dependent on K+ availability.
Resumo (português)
O potássio (K+) tem funções fisiológicas vitais nas plantas e sua disponibilidade pode impactar a tolerância de plantas a condições de estresse biótico e abiótico. Anteriormente, estudos limitados investigaram o efeito da adubação potássica no metabolismo da soja. Neste trabalho, a utilização de análises ômicas integradas, metabolômica e ionômica, permitiram investigar a resposta de plantas de soja (Glycine max) em campo sob quatro níveis de disponibilidade de K+: muito baixa (KVL), baixa (KL), média (KM) e muito alta (KVH). Folhas (V7) e tecidos da vagem (R5.5) coletados foram submetidos à extração e analisados por cromatografia líquida de ultra eficiência acoplada à espectrometria de massa de alta resolução (UPLC-HRMS) e espectroscopia de emissão óptica por plasma acoplado indutivamente (ICP-OES). O emprego de modelos multivariados (PCA-X&Y e O2PLS-DA) permitiram identificar 51 compostos pertencentes a 19 vias metabólicas regulados diferencialmente nos tecidos de plantas que se desenvolveram sob condições contrastantes de disponibilidade de K+ (KVL vs. KVH). Os níveis de potássio também influenciaram o rendimento de grãos com menores níveis em KVL (2211 kg ha-1) e KL (3737 kg ha-1), diferindo dos tratamentos KM e KVH (4093 e 4096 kg ha-1, respectivamente). Sob baixíssima concentração de K+, os teores de Ca2+, Mg2+, Fe2+, Cu2+ e B aumentaram nas folhas jovens e maduras. Não somente, o conteúdo de isoflavonas, coumestanos, pterocarpanos e sojasaponinas mostraram-se positivamente regulados nas folhas severamente deficientes em K+, estando estes eventos associados a um possível estado de estresse oxidativo e fotodinâmico decorrentes da deficiência nutricional. A abordagem ômica integrada revelou que a adubação potássica é responsável por promover o aumento da biossíntese de carboidratos, galactolipídeos e flavonóis glicosídicos em folhas e vagens. No entanto, os tecidos da vagem deficientes em K+ apresentaram aumento no contéudo de aminoácidos, oligossacarídeos, derivados do ácido benzoico e isoflavonas. O aminoácido asparagina é majoritariamente acumulado nos tecidos deficientes em potássio, sinalizando como possível biomarcador para a deficiência deste macronutriente na soja. Além disso, os resultados indicam que a regulação positiva de metabólitos especializados constitutivos detectados por UPLC-HRMS não estão diretamente associados com o aumento nos níveis de K+ no solo. Em geral, a presente contribuição melhora nossa compreensão sobre como o metabolismo especializado da soja é dependente e/ou influenciado pela nutrição potássica.
Descrição
Palavras-chave
Glycine max, Fabaceae, Potassium deficiency, Phytoalexins, Specialised metabolism, Abiotic stress, Metabolomics, Ionomics
Idioma
Inglês
