The metabolomic approach to the comparative analysis of wild and cultivated species of oats (Avena L.)

Abstract

Seed metabolomic profiles have been investigated in wild and cultivated forms (cultivars) of oat (Avena L.). Seed accessions from the VIR oat collection were used for the research. Metabolomic analysis employed gas liquid chromatography-mass spectrometry (GLC-MS) using an Agilent 6850 chromatographer (USA). The analysis covered the composition and content of organic and fatty acids, amino acids, polyatomic spirits and sugars. The content fluctuation range for the studied groups of compounds was found to be narrower (significantly in some cases) in cultivars than in the wild species. Along with a sharp increase in oleic acid content, cultivars demonstrated a decrease in that of linoleic acid. The general conclusions from the comparison of seed metabolomic profiles in wild species and cultivars are presented below. A number of wild species can be recommended as a potential source of biochemical quality traits for breeding purposes. A series of metabolites (compounds), the content of which changes during domestication or which differentiate wild oat species from cultivars has been identified was found. Along with such well-known healthy food chemical factors as oleic acid, glucose and fructose, etc., differences concerning monoacylglycerol compounds (MAG 16 : 0 and MAG-2 18 : 2, etc.) have been found. The latter have been proposed to be related to the formation of adaptive traits, in particular, resistance to diseases and pests, and to environmental abiotic stresses.Key words: Avena L.; wild species; varieties, seeds; gas chromatography; mass spectrometry; metabolomics; amelioration; adaptability and polymorphism of characters.Исследовались метаболомные спектры зерновок диких и куль ти-вируемых форм (сортов) овса (Avena L.). Материалом для изучения служили образцы семян из коллекции ВИР. Метаболомные иссле-дования (анализ метаболома) проводили методом газожидкостной хроматографии с масс-спектрометрией (ГЖХ-МС) на хроматографе Agilent 6850 (CША). Анализировали состав и содержание органи-ческих и жирных кислот, аминокислот, многоатомных спиртов и сахаров. Установлено, что у сортов по сравнению с дикими видами сузился (в ряде случаев существенно) диапазон колеба-ния значений содержания изученных групп соединений. Наряду с резким увеличением содержания олеиновой кислоты у сортов снизилось содержание линолевой кислоты. В целом сравнение метаболомных спектров зерновок диких видов и сортов позво-лило сделать следующие основные выводы. Ряд дикорастущих видов овса может быть рекомендован в качестве потенциального источника биохимических признаков качества при селекции. Выявлены метаболиты, содержание которых меняется в процессе окультуривания или по которым дикие виды овса отличаются от сортов этой культуры. Среди этих соединений наряду с такими широко известными составляющими здорового питания, как олеиновая кислота, глюкоза, фруктоза и др., выявлены моноацил-глицеролы -МАГ 16 : 0, МАГ-2 18 : 2 и др. Высказано предположение, что последние могут быть связаны с формированием признаков адаптивности, в частности с устойчивость...

Biochemical Aspects of Interactions Between Fungi and Plants: A Case Study of Fusarium in Oats

“…Предполагается, что этот токсин -основной фактор, который ухудшает питательные свойства овса. К сожалению, его контроль по ряду формальных причин не осуществляется (7)(8)(9).…”

“…Внутренний стандарт -трикозан в пиридине (1 мкг/мкл). Полученные результаты обрабатывали с помощью программы UniChrom («Restek Corporation», США) (9).…”

Application of Metabolomic Analysis in Exploration of Plant Genetic Resources

“…An analytical approach based on chromatography combined with mass spectrometry opens up more opportunities for a researcher to understand biochemical processes in the plant-pathogen interactions. It provides information on the changes in many chemical compounds (metabolites), including those whose synthesis is induced by the pathogen (Fiehn et al, 2000;Hill, Roessner, 2013;Loskutov et al, 2017).…”

“…A number of metabolites have been identified, the content of which is changing in the process of "domestication", thus showing differences between wild oat species and oat cultivars. Among them, factors of healthy nutrition like oleic acid, glucose and fructose, etc., moacylglycerols (MAG-1 C16:0 and MAG-2 C18:0) were identified, which are presumably associated with adaptability to environmental stress factors, including fusarium (Þiliã et al, 2011;Loskutov et al, 2017).…”

“…This is because this process is accompanied by a decline of the cultivar population's genetic polymorphism, typical of old landraces produced by folk breeding). According to the results of this study, a number of wild oat species may be recommended as a potential source of qualitative biochemical characters for interspecies hybridisation: diploid A. clauda, with an increased content of separate fatty acids and sitosterol in the kernel; diploid A. wiestii, with a higher content of amino acids; tetraploid A. agadiriana, having an increased content of separate fatty acids and sitosterol; hexaploid A. occidentalis, with a unique composition of fatty acids in oil and high content of MAG and sitosterol; hexaploid A. sterilis, with an increased content of sitosterol in oil; and hexaploid A. fatua and A. ludoviciana, with a reduced content of sucrose and high content of monosugars in kernels (Shelenga et al, 2014;Loskutov et al, 2017).…”