Fusarium head blight (FHB), caused by Fusarium graminearum is a devastating disease of barley (Hordeum vulgare L.). Resistance in barley to FHB is quantitatively inherited and breeding for resistance is the most viable option to manage this disease. Though several FHB resistance quantitative trait loci (QTL) have been identified, the mechanism(s) of resistance is still unclear. A technology to uncover the mechanisms of resistance to FHB to aid in breeding for resistance is of immediate need for barley breeders. Metabolic profiling was applied to distinguish resistance in barley to FHB. This investigation reports three progressive studies. The first study explored the metabolic phenotyping of resistance in two barley recombinant inbred lines (RIL), H106-4 (resistant) and H106-371 (susceptible) against FHB. This study identified several resistance related (RR) metabolites. The second study was conducted to validate the RR metabolites identified in study-I, and also to identify novel RR metabolites. In study-II, five very resistant two-row genotypes, 'CIho4196', 'Zhedar-1', 'Zhedar-2', 'Fredrickson', 'Harbin-2r' and a susceptible CH9520-30 were phenotyped based on metabolic profiling. RR metabolites occurring in more than one genotype were considered potential biomarkers. In study-III, four RILs, two each of black and yellow barley, varying in resistance to FHB were phenotyped for resistance against trichothecene-producing and nonproducing (tri5-) isolates of F. graminearum based on metabolic profiling. The metabolites were extracted from mock-inoculated or F. graminearum-inoculated spikelets using aqueous methanol and analyzed using LC-ESI-LTQ-Orbitrap. Data was analyzed through XCMS and CAMERA bioinformatics tools. Compounds were identified based on accurate mass, fragmentation pattern and carbon-isotopic ratio. Thousands of peaks were detected, of which hundreds of treatment significant peaks were selected based on t-tests. These treatment significant metabolites were classified into resistance related constitutive (RRC) or induced (RRI). Barley resists FHB, through jasmonate-signaling and phenylpropanoids. Jasmonate was induced against trichothecene producing but not against the nonproducing isolate, tri5- mutant. All barley genotypes detoxified Deoxynivalenol DON to DON-3-O-glucoside. Potential biomarkers were selected based on their significant abundance, common occurrence and plant defense properties. The potential biomarker metabolites included mainly phenylpropanoids: phenylalanine, p-coumaric acid, cinnamic acid, sinapaldehyde, sinapoyl alcohol, coniferaldehyde, caffeyl aldehyde and coumarin; Flavonoids: catechin and naringenin; fatty acids: jasmonic acid and linolenic acid; resistance indicator (RI) metabolites: total DON produced (TDP) and proportion of DON converted to DON-3-O-glucoside (PDC). / La fusariose de l'épi (FHB), causée par Fusarium graminearum, est une maladie dévastatrice de l'orge. La résistance à la fusariose est héritée de façon quantitative. La résistance à la fusariose est très variable rendant son évaluation difficile. Quoique plusieurs locus de résistance à caractère quantitatif (QTL) ont été identifiés pour la FHB, le(s) mécanisme(s) de résistance demeurent obscur(s). Les sélectionneurs d'orge se doivent de développer une technologie permettant d'identifier le(s) mécanisme(s) de résistance à la fusariose et d'en tirer un outil de sélection. Le profilage métabolomique servit au dépistage de la résistance à la FHB. Cette enquête consista en trois volets successifs. Le premier explora la résistance métabolique à la fusariose dans deux lignées d'orge autofécondées et recombinantes (RIL), soit H106-4 (résistante) et H106-371 (sensible). Cette étude identifia plusieurs métabolites liés à la résistance (MLR). Visant à valider l'importance de ces MLR et d'en identifier de nouveaux, le second volet se pencha sur cinq génotypes d'orge distique très résistants ('CIho4196', 'Zhedar-1', 'Zhedar-2', 'Fredrickson' et 'Harbin-2r') ainsi qu'un génotype sensible (CH9520-30). Les MLR présents dans plus d'un génotype résistant furent considérés comme biomarqueurs potentiels. La résistance métabolique de quatre RIL (deux d'orge jaune et deux d'orge noire) différant en leur résistance à la FHB, envers des isolats de F. graminearum producteurs ou non-producteurs de trichothécènes (tri5+/tri5) fut évaluée. Les métabolites d'épillets non-inoculés ou inoculés avec F. graminearum, extraits dans un mélange méthanol-eau, furent analysés grâce à un système LC-ESI-LTQ-Orbitrap. Les outils de bioinformatique XCMS et CAMERA analysèrent des données et identifièrent les composés par leur spectrogramme de masse. Parmi les milliers de pics détectés, les centaines s'avérant liés de manière significative (t-test) aux traitements furent classés selon qu'ils soient liés à une résistance constitutive (RRC) ou induite (RRI). L'orge résiste à la fusariose grâce à une signalisation par le jasmonate et la production de phénylpropanoïdes. Les trichothécènes induirent le jasmonate, mais aucune induction n'eut lieu avec le mutant tri5-. Les génotypes d'orge dégradèrent tous le DON en DON-3-O-glucoside. Parmi ces métabolites biomarqueurs se trouvent des phénylpropanoïdes: la phénylalanine, l'acide p-coumarique, l'acide cinnamique, la sinapaldéhyde, l'alcool sinapylique, la coniféraldéhyde, l'aldéhyde caffeyl et de la coumarine; les flavonoïdes: la catéchine et la naringénine; des acides gras: l'acide jasmonique et l'acide linolénique; des métabolites de résistance induite: production globale de DON (TDP) et proportion de DON convertie en DON-3-O-glucoside (PDC).
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.103724 |
| Date | January 2011 |
| Creators | Gollarahally Kenchappa, Kumara Swamy |
| Contributors | Kushalappa Ajjamada (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Plant Science) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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