Unveiling metabolomic and transcriptomic responses to waterlogging in spring wheat at different developmental stages

Abstract

Among the extreme weather conditions caused by climate change, flooding has a particular strong impact on crop productivity. This study investigated temporally coordinated changes in metabolism and gene regulation in leaves and roots of wheat plants during and after waterlogging at two developmental stages, using ionomic, metabolomic, and transcriptomic approaches. A 12-day waterlogging period diminished essential nutrients and reduced plant height and root biomass. At different stages, metabolic changes diverged between leaves and roots as a systemic response. Such a response was more evident at tillering than at booting. Under waterlogging, alanine served as a carbon carrier for the synthesis of de novo glucose in shoots, supporting the higher energy requirements for anaerobic respiration in roots. The most responsive genes in either stage were annotated for carbon and amino acids metabolisms, and hypoxia-responsive genes were present in roots at tillering only. Despite distinct stressors at opposite ends of water content, common metabolic adaptations emerged in waterlogging and drought responses, revealing plants' versatile coping mechanisms.

Extreme Wetterbedingungen wie vermehrte Überschwemmungen beeinträchtigen die Ernteproduktivität. Diese Studie analysierte metabolom und genetik Veränderungen in zwei Entwicklungsstadien von Weizenpflanzen während und nach Überschwemmungen. Dabei wurden Ionom-, Metabolom- und Transkription Analysen durchgeführt. 12-Tägige Überflutungsperiode führte zu einem Mangel an essentiellen Nährstoffen sowie zu einer Verringerung der Pflanzenhöhe und der Wurzelbiomasse. Metabolom Veränderungen zeigten sich als systemische Reaktion, wobei diese Reaktionen beim Bestocken stärker ausgeprägt waren als beim Ährenschieben. Unter Überflutung diente Alanin als Kohlenstoffträger für die Neusynthese von Glukose in den oberirdischen Teilen, um den höheren Energiebedarf für die anaerobe Atmung in den Wurzeln zu unterstützen. Die reaktionsfreudigsten Gene in beiden Stadien waren für den Kohlenstoff- und Aminosäurestoffwechsel annotiert, und hypoxie-responsive Gene traten nur in den Wurzeln während des Bestockens auf. Trotz unterschiedlicher Stressfaktoren auf den beiden Wasserpegel-Extremen zeigten sich gemeinsame metabolische Anpassungen in den Reaktionen auf Überflutung und Dürre, was die vielseitigen Bewältigungsmechanismen der Pflanzen verdeutlichte.