Systems biology-based prediction for biomass formation in barley

Abstract

Ziel des Projektes war die Untersuchung der Metaboliten,- Enzymaktivität,- und Transkript-Signaturen, die die Entwicklung des Blattes und des Samens in Gerste bestimmen. Zwölf geographisch-verschiedene Gerste-Linien wurden unter Feld-Bedingungen angebaut und für die Untersuchungen verwendet. In der vegetativen Phase wurde eine Signatur, bestehend aus 27 Metaboliten identifiziert, während in der generativen Phase 43 (Blatt) und 60 (Samen) Metabolite eine Signatur bildeten. Die Co-Integrierung von Enzymaktivitäten und Transkripten führte zur Identifizierung von Alanin-Amino-Transferase, Phosphoglucoisomerase, cytosolische Aldolase als mögliche Biomarker zur Vorhersage von Biomasse in Blatt und Samen. Zusätzlich wurde Saccharose-Synthase, Adenin-Glucose-Pyrophosphorylase und glucose6P-Dehydrogenase als spezifische Biomarker für Samen in der generativen Phase identifiziert. Darüber hinaus führte die Netzwerk Korrelation zwischen Metaboliten und dem Samenertrag im Reifestadium zur Identifizierung von drei Metaboliten, Glutamat, Glutamin und Stärke als mögliche biomarker für den Samenertrag. Aus den Ergebnissen kann geschlussfolegert werden, dass die identifizierten Biomarker zur Vorhersage und zur Klassifizierung von Pflanzen mit hohem Ertrag in der Pflanzenzüchtung verwendet werden können.

The aim of the project was the investigation of metabolite, enzyme activity and transcript signatures in barley determining shoot and seed biomass. Twelve geographically diverse barley accessions were grown under agricultural standard conditions on the field. At vegetative stage, a signature consisting of 27 metabolites was identified while at generative stage 43 and 60 metabolites were identified as a signature in shoot and seed, respectively. The co-integration of enzyme activities and transcripts identified alanine amino transferase, phosphoglucoisomerase, cytosolic aldolase as possible biomarkers for prediction of biomass in both shoot and seed. In addition, sucrose synthase, adenine glucose pyrophosphorylase and glucose6P dehydrogenase were identified as specific biomarkers for seed biomass at generative stage. Furthermore, network correlation between metabolites and final seed biomass at ripening stage resulted in the identification of three metabolites, glutamate, glutamine and starch as major integrators for seed biomass. Taken altogether, the identified biomarkers show strong predictive power and can be used for the identification of plants with high yield in plant breeding.