Proline mediated drought tolerance of selected barley (<em>Hordeum vulgare</em> L.) introgression lines and characterization of <em>in vivo</em> spike development

Abstract

The potential yield of barley is likely to decrease in the future due to the prevalence of drought stress in many world regions. In our study, drought stress affected phenology, biomass and other growth traits, and seed yield-related traits. We observed that drought stress in barley causes alterations in critical physiological parameters, including leaf water status, net CO₂ assimilation rate, stomatal conductance, transpiration rate, water use efficiency, floret fertility, and seed filling. The drought in our study generally decreased our barley types’ shoot and root growth by at least 70%.<br /> Different barley introgressions and elite varieties of varying genetic makeup were investigated under well-watered and water stress treatments. The mechanistic responses of these lines to water stress, specifically, how they accumulate proline in their shoots and roots relating to stress tolerance, were analyzed and discussed. We found that a wild allele of <em>Pyrroline-5-carboxylate synthase1 (P5cs1)</em> led to proline accumulation in the spikes and leaves of barley introgression lines, contributing to improved performance under reduced water availability. We found that water stress applied at the seedling stage induces increased shoot and root proline accumulation in a more homogenous near-isogenic barley line <em>NIL 143</em>, which harbour the wild allele at the <em>P5cs1</em> locus, and that this effect was associated with increased lateral root growth. We conclude that proline, functioning as an osmoprotectant, promotes drought tolerance mainly by helping maintain whole-plant water status. Our results suggest that proline accumulation at the reproductive stage contributes to the maintenance of grain formation under water shortage (Frimpong et al., 2021a). Increased shoot and root proline accumulation in the <em>NIL 143</em> barley was associated with increased lateral root growth. Future studies on the <em>P5cs1</em>-introgressions should focus on validating presented physiological variation in field conditions and the effect of elevated proline on grain quality traits. We recommend further studies to explore the variations in root-shoot growth observed for NIL 143 in the field to test their performance under a water-limited environment. In addition, further studies will be required to explore how proline accumulation promotes barley root water uptake under water stress.<br /> Furthermore, we explored the use of MRI to visualize barley grain development as a tool to detect internal florets, seed initiation and seed abortion, seed structures, spike architecture, and temporal growth of the grain on intact spikes of two-row spring barley genotypes. We found that MRI visualized differential genotypic seed initiation, seed growth and development, or abortion. MRI highlighted genotypic variations in a-synchronicity of floret initiation, seed set, and filling along the different spike axis. Also, MRI distinguished barley spike morphology and seed abortion as affected by water stress treatment compared to well-watered plants in our barley types. We recommend that future MRI studies of the spike could integrate algorithmic tools, and machine learning models to explore different functional seed traits and physiological behaviour beyond our photographing. Finally, using six multiplexed NMR sensors, we monitored and quantified non-destructively the dynamics of seed loading in terms of fresh weight, water and dry matter content during barley grain filling. Based on the acquired non-invasive data, peak seed filling rate, the diurnal rate of change in accumulation rate (fresh weight, dry matter content and water influx), and the variations in genotypes on live barley spikes were determined and discussed. We found that the grain yield of all our barley genotypes from our destructive harvest was consistent with the non-destructive multiplexed NMR sensor measurements.

Das Ertragspotenzial von Gerste wird in Zukunft wahrscheinlich abnehmen, da in vielen Regionen der Welt Trockenstress vorherrscht. In unserer Studie wirkte sich der Trockenstress auf die Phänologie, die Biomasse und andere Wachstumsmerkmale sowie auf Merkmale, die mit dem Samenertrag zusammenhängen, aus. Wir stellten fest, dass Trockenstress bei Gerste zu Veränderungen bei kritischen physiologischen Parametern führt, darunter der Wasserstatus der Blätter, die Netto-CO²</supä>-Assimilationsrate, die stomatäre Leitfähigkeit, die Transpirationsrate, die Wassernutzungseffizienz, die Fruchtbarkeit der Blüten und die Samenfüllung. In unserer Studie verringerte die Trockenheit das Spross- und Wurzelwachstum unserer Gerstensorten generell um mindestens 70 %.<br /> Verschiedene Gersten-Introgressionen und Elitesorten mit unterschiedlichem Erbgut wurden bei guter Bewässerung und unter Wasserstressbedingungen untersucht. Die mechanistischen Reaktionen dieser Linien auf Wasserstress, insbesondere die Art und Weise, wie sie Prolin in ihren Sprossen und Wurzeln im Zusammenhang mit der Stresstoleranz anreichern, wurden analysiert und diskutiert. Wir fanden heraus, dass ein Wild-Allel der <em>Pyrrolin-5-Carboxylat-Synthase1 (P5cs1)</em> zu einer Prolin-Akkumulation in den Ähren und Blättern der Gersten-Introgressionslinien führte, was zu einer verbesserten Leistung bei reduzierter Wasserverfügbarkeit beitrug. Wir fanden heraus, dass Wasserstress im Keimlingsstadium zu einer erhöhten Prolin-Akkumulation in Spross und Wurzel in einer homogeneren, fast isogenen Gerstenlinie <em>NIL 143</em> führt, die das Wild-Allel am <em>P5cs1</em>-Locus trägt, und dass dieser Effekt mit einem erhöhten Seitenwurzelwachstum verbunden ist. Wir kommen zu dem Schluss, dass Prolin als Osmoprotektivum die Trockentoleranz vor allem dadurch fördert, dass es zur Aufrechterhaltung des Wasserstatus der gesamten Pflanze beiträgt. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Prolin-Akkumulation im Reproduktionsstadium zur Aufrechterhaltung der Kornbildung bei Wasserknappheit beiträgt. Die erhöhte Prolin-Akkumulation in Spross und Wurzel der <em>NIL 143</em> Gerste war mit einem verstärkten Wachstum der Seitenwurzeln verbunden. Zukünftige Studien zu den <em>P5cs1</em>-Introgressionen sollten sich auf die Validierung der vorgestellten physiologischen Variationen unter Feldbedingungen und die Auswirkungen von erhöhtem Prolin auf die Kornqualitätsmerkmale konzentrieren. Wir empfehlen weitere Studien, um die bei NIL 143 im Feld beobachteten Variationen im Wurzel-Spross -Wachstum zu erforschen und ihre Leistung in einer wasserarmen Umgebung zu testen. Darüber hinaus sind weitere Studien erforderlich, um zu untersuchen, wie die Prolin-Akkumulation die Wasseraufnahme der Gerstenwurzel unter Wasserstress fördert.<br /> Darüber hinaus untersuchten wir den Einsatz von MRI zur Visualisierung der Gerstenkornentwicklung als Instrument zur Erkennung von inneren Blüten, Sameninitiierung und Samenabbruch, Samenstrukturen, Ährenarchitektur und zeitlichem Wachstum des Korns an intakten Ähren von zweizeiligen Sommergerstengenotypen. Wir fanden heraus, dass MRI unterschiedliche genotypische Sameninitiierung, Samenwachstum und -entwicklung oder Abbruch sichtbar macht. MRI zeigte genotypische Variationen in der Asynchronität von Blühbeginn, Samenansatz und Füllung entlang der verschiedenen Ährenachsen auf. Außerdem konnte mit MRI die Morphologie der Gerstenähre und den Samenabbruch im Vergleich zu gut bewässerten Pflanzen bei unseren Gerstentypen durch Wasserstress unterschieden werden. Wir empfehlen, dass künftige MRT-Studien der Ähre Algorithmen und machine learning einbeziehen, um verschiedene funktionelle Samenmerkmale und physiologisches Verhalten über unsere Bildgebung hinaus zu untersuchen. Schließlich haben wir mit sechs Multiplex-NMR-Sensoren die Dynamik der Saatgutbeladung in Bezug auf Frischgewicht, Wasser- und Trockenmassegehalt während der Gerstenkornfüllung nicht-destruktiv überwacht und quantifiziert. Auf der Grundlage der gewonnenen, nicht-invasiven Daten wurden die Spitzenrate der Samenfüllung, die tägliche Änderungsrate der Akkumulationsrate (Frischgewicht, Trockensubstanzgehalt und Wasserzufluss) und die Variationen der Genotypen an lebenden Gerstenähren bestimmt und diskutiert. Wir stellten fest, dass der Kornertrag aller unserer Gerstengenotypen aus unserer destruktiven Ernte mit den nicht-destruktiven NMR-Multiplexsensormessungen übereinstimmte.