The effects of the abiotic and biotic stresses on the wheat proteome

Abstract

The wheat is one of the world’s most popular and cultivated crop and the abiotic and biotic stresses are damaging factors affecting the yield and the quality traits of the wheat grain’s derived products. The protein and starch content of the durum and bread wheat grain is the prime measure of wheat quality. The kernel proteins are typically classified according to their solubility properties into albumins (water soluble), globulins (salt soluble) and prolamins (gluten proteins). The non-prolamin fractions include proteins with metabolic activity or structural function, that could be involved in the plant stress response. High temperature during grain filling was recognized to alter quality characteristics of bread wheat doughs, as consequence of modified accumulation of gluten proteins that are responsible for their technological properties. Also low temperature has a great impact on plant productivity, mostly because it alters the wheat metabolism and physiology. Among the biotic stress Fusarium head blight (FHB), caused by Fusarium spp., is the most destructive disease of small grained cereals, and leads to significant reduction of the grain yield and quality. In order to investigate on the effects of both these stressors (heat, low temperature, and Fusarium graminearum infection) on the wheat grain and leaf proteome, different gel-based comparative proteomic analyses (IEF/SDS, DIGE and MS identification) were used. To study the heat stress response on the accumulation of non-prolamin protein compound, the durum wheat cultivar Svevo, was subjected to two thermal regimes (heat stress vs. control) during grain filling. The comparative proteomic analysis revealed 132 differentially expressed polypeptides (both up- and down-regulated), 47 of which were identified by MS and found to include heat shock proteins, proteins involved in the glycolysis and carbohydrate metabolism as well as stress related proteins. Many of the heat induced polypeptides are considered to be allergenic for sensitive individuals. The results from the low temperature study provided an optimized method to discriminate on 2DE gels the total leaf proteins, although for technical problems we did not reach the optimal temperature conditions for the cold stress investigation. Finally, to evaluate the biotic stress effects on the seed proteome, transgenic bread wheat genotypes encoding a PoliGalactoronase Inhibitor Protein (PGIP) were used. Previous analyses showed that the transgenic genotypes resulted more tolerant to Fusarium graminearum infection. None of the grain proteins expressed at maturity resulted differentially regulated (by DIGE analysis) comparing the transgenic plant seeds to their relative controls after the fungal infection. Also the total starch accumulation did not change. This study provides a global picture of the effects of both the heat stress and the Fusarium graminearum infection (on susceptible and resistant genotypes) on the wheat seed proteome.

Il frumento è una tra le specie agrarie più consumate e coltivate al mondo ed entrambi gli stress abiotici e biotici influiscono negativamente sulle rese qualitative dei prodotti alimentari che ne derivano. Il contenuto proteico e la quantità di amido presenti all’interno della cariosside di frumento sono i parametri principali collegati alla qualità della semole e delle farine. Le proteine del seme di frumento possono essere classificate, in base alle proprie proprietà di solubilizzazione, in albumine (solubili in acqua), globuline (solubili in soluzione salina) e prolammine (glutine). La frazione proteica delle albumine e globuline include proteine con attività metaboliche e funzione di struttura, che, quindi, potrebbero essere principalmente coinvolte nel meccanismo di risposta della pianta allo stimolo di stress. Le elevate temperature, soprattutto nelle fase di riempimento della cariosside, è noto che alterino le proprietà qualitative degli impasti di frumento, modificando l’accumulo delle proteine del glutine che sono responsabili delle proprietà tecnologiche degli impasti delle farine o delle semole. Anche le basse temperature hanno un impatto negativo sulla produttività di molteplici specie di interesse agrario, in quanto ne alterano sia la fisiologia che il normale metabolismo. Tra gli stress boitici Fusarium spp., responsible della Fusarium head blight (FHB), causa la più distruttiva malattia dei cereali e di conseguenza ingenti danni a livelli di rese e di qualità. Per investigare sugli effetti degli “stressor” (alte, basse temperature, infezione con Fusarium) sul proteoma del seme e delle foglie di frumento in questo studio sono state utilizzate analisi proteomiche comparative “gel-based” (IEF/SDS, DIGE ed identificazione tramite MS). Al fine di valutare la risposta ad alte temperature a livello delle proteine mataboliche del seme la cultivar di frumento Svevo è stata sottoposta a 2 differenti regimi termici (stress e controllo), durante la fase di riempimento della cariosside. L’analisi proteomica comparativa ha rilevato 132 polipeptidi differenzialmente regolati (sovra e sotto-regolati), 47 dei quali sono stati identificati tramite MS, che appartengono a proteine coinvolte nella glicolisi, nel metabolismo dei carboidrati e coinvolte nella risposta a stress. Molte di queste proteine sono, inoltre, considerate allergeni per individui sensibili. L’indagine sullo stress da basse temperature ha fornito un metodo ottimale per discriminare le proteine fogliari di frumento su gel bidimensionale, anche se per problemi tecnici non sono state raggiunte le temperature ottimali per applicare un regime di stress da basse temperature idoneo per una comparazione. Infine, per valutare gli effetti degli stress biotici sul proteoma del seme, sono stati utilizzati genotipi transgenici di frumento tenero che esprimono una proteina inibitoria delle poligalatturonasi (PGIP), che hanno dimostrato in precedenza di essere tolleranti all’infezione con Fusarium graminearum. Nessuna proteina del seme maturo di frumento è risultata differenzialmente regolata (tramite analisi DIGE) comparando i semi delle piante transgeniche con i semi dei relativi controlli in seguito all’infezione. Inoltre anche l’accumulo di amido totale del seme non ha subito variazioni. Questo studio fornisce una visione globale degli effetti sul proteoma della cariosside di frumento dovuti alle alte temperature e all’infezione con Fusarium germinearum, valutando genotipi di frumento tolleranti e suscettibili.