Spatiotemporal distributions of metabolites involved in barley grain development with emphasis on endosperm formation

Abstract

Gerstenkornentwicklung ist gekennzeichnet durch komplexe regulatorische Vorgänge, Entstehung und Abbau von Geweben sowie die Akkumulierung von Speicherstoffen, welche für die menschliche und tierische Ernährung von großer Bedeutung sind. In dieser Arbeit wurde ein massenspekrometrisches Visualisierungsverfahren genutzt, um Metabolitverteilungsmuster in sich entwickelnden Gerstenkörnern zu untersuchen und um daraus Kandidaten zu identifizieren, welche die Vorgänge bei der Herausbildung des Endosperms und der Kornfüllung beeinflussen. Die Untersuchung mittels MALDI MSI zeigte, dass sehr spezifische Verteilungsmuster für unterschiedliche Metabolite in den Entwicklungsstadien existieren. Zur Datenanalyse wurden multivariate statistische Verfahren genutzt, welche die allgemeinen Entwicklungsvorgänge widerspiegeln. Generell zeigte sich, dass die Spezifität der molekularen Zusammensetzung des Endosperms sowie der Transferregion zunimmt, wohingegen Perikarp-lokalisierte Moleküle abnehmen.

Cereal grain development is a phenomenon that involves complex regulatory pathways, the evolving and degeneration of tissues, and the bulk accumulation of storage compounds that are of outmost importance for animal and human nutrition. In this thesis, mass spectrometry based imaging (MSI) was applied as a novel approach for the study of metabolite distribution patterns in developing barley grains to identify candidate compounds that have an impact on the events of endosperm formation and grain filling. The investigation of characteristic developmental stages of barley grains by MALDI MSI revealed highly tissue specific patterns of particular metabolites. Data mining by multivariate statistics reflected the typical developmental proceedings. In general, the specificity of molecules in the endosperm and in the nutrient transfer region increased from the prestorage stage to the storage stage, whereas the abundances of molecules in the pericarp decreased.