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Integrated transcriptomics and metabolomics reveals that regulating biosynthesis and metabolism of HCN and GABA plays a key role in drought resistance of wild soybean

苯丙素 生物化学 生物 生物合成 耐旱性 新陈代谢 野生型 氨基酸合成 磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶 天冬酰胺合成酶 谷氨酸脱羧酶 谷氨酸合酶 代谢途径 天冬酰胺 谷氨酰胺合成酶 化学 植物 氨基酸 光合作用 基因 突变体 谷氨酰胺 赖氨酸
作者
Shengmei Zhang,Yongjun Hu,Yuming Wang,Mingxia Li,Dayong Han,Shujuan Gao,Yi Hu,Jixun Guo,Tao Zhang,Lianxuan Shi
出处
期刊:Environmental and Experimental Botany [Elsevier]
卷期号:215: 105505-105505 被引量:3
标识
DOI:10.1016/j.envexpbot.2023.105505
摘要

Wild soybeans [Glycine soja (Siebold & Zucc.)] grown in arid areas develop adaptive traits and they are important wild plant resources. In order to reveal the drought-tolerance mechanism in wild soybean, we studied the changes of growth parameters, photosynthetic physiology, and ion physiology of two wild soybean ecotypes under drought stress, and integratedly analyzed the transcriptome and metabolome changes in their leaves. Drought-tolerant wild soybean had greater root/shoot ratio, water use efficiency, and K+ and Ca2+ contents than common wild soybean. In drought-tolerant wild soybean, the gene encoding (R)-mandelonitrile lyase in the pathway of hydrogen cyanide (HCN) biosynthesis and metabolism and the genes encoding serine O-acetyltransferase and aminocyclopropanecarboxylate oxidase in the pathway of 1-aminocyclopropane-1-carboxylate oxidation to produce HCN were down-regulated. In HCN biosynthesis and metabolic pathways of drought-tolerant wild soybean, the content of cysteine as a raw material was significantly reduced, while the content of 3-cyanoalanine as a product was significantly increased. In addition, drought-tolerant wild soybeans up-regulated genes for glutamate synthase and glutamate decarboxylase during synthesis of 4-aminobutyric acid (GABA), accumulating aspartic acid, asparagine, glutamic acid, and GABA; and down-regulated the gene for 4-aminobutyrate-pyruvate transaminase in GABA metabolism. Integrated analysis showed that drought-resistant wild soybean weakened the production of HCN and enhanced the utilization of HCN to avoid HCN toxicity under drought stress. At the same time, it also accumulated GABA to maintain carbon/nitrogen balance and amino acid metabolism. This study provides insights into the genetic mechanism of adaptation to drought by wild soybean, which will be helpful for screening of excellent wild plant resources.
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