Transcriptome and metabolome analyses reveal the mechanisms by which H2S improves energy and nitrogen metabolism in tall fescue under low‐light stress

谷氨酸合酶 氮同化 谷氨酰胺合成酶 生物化学 谷氨酸脱氢酶 氮气循环 光合作用 硝酸还原酶 叶绿体 新陈代谢 生物 高羊茅 柠檬酸循环 代谢组 化学 植物 氮气 谷氨酰胺 代谢物 氨基酸 谷氨酸受体 禾本科 基因 受体 有机化学
作者
Hanyu Li,Si Long,Yize Yu,Shuqi Ran,Jiongjiong Gong,Tianqi Zhu,Yuefei Xu
出处
期刊:Physiologia Plantarum [Wiley]
卷期号:176 (6)
标识
DOI:10.1111/ppl.70015
摘要

Abstract Hydrogen sulfide (H 2 S) functions as a signaling molecule affecting plant growth, development, and stress adaptation. Tall fescue ( Festuca arundinacea Schreb.), a bioenergy crop, encounters significant challenges in agricultural production owing to low light by shading. However, the influence of H 2 S on tall fescue under low light stress (LLS) remains unclear. To examine the role of H 2 S in acclimation of tall fescue to low light, we conducted combined analyses of physiological traits, metabolomics, and transcriptomics. These results showed that H 2 S mitigated LLS‐induced inhibition of photosynthesis and maintained normal chloroplast ultrastructure by boosting the expression of photosynthesis‐related genes, including PsbQ , PsbR , PsaD , PsaK , and PetH , thereby enhancing the synthesis of carbohydrates (sucrose, starch). H 2 S upregulated the expression of key genes (PFK , PK , IDH , G6PD ) connected to glycolysis, the tricarboxylic acid cycle, and the pentose phosphate pathway to promote carbon metabolism and ensure the supply of carbon skeletons and energy required for nitrogen metabolism. H 2 S application reverted the LLS‐induced accumulation of nitrate nitrogen and the changes in the key nitrogen metabolism enzymes glutamate synthase (GOGAT, EC 1.4.1.13), nitrate reductase (NR, EC 1.6.6.1), glutamine synthetase (GS, EC 6.3.1.2), and glutamate dehydrogenase (GDH, EC 1.4.1.2), thus promoting amino acid decomposition to produce proteins involved in nitrogen assimilation and nitrogen use efficiency as well as specialized metabolism. Ultimately, H 2 S upregulated the C/N ratio of tall fescue, balanced its carbon and nitrogen metabolism, enhanced shade tolerance, and increased biomass. These results provided new insights into enhancing plant resilience under LLS.
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