PROFILING
DFG Forschungsprojekt
Profiling als Methode zur Identifikation relevanter Metabolite für die phänologische Modellierung CH 228/7-1
Zusammenfassung
Das Ziel dieses Forschungsprojektes war es, Metabolite in den Knospen zu identifizieren, die an der Induktion, Aufrechterhaltung und Freisetzung der Dormanz beteiligt sind und die Terminierung der Dormanzphasen sowie den Beginn der ontogenetischen Entwicklung bestätigen. Dazu wurde ein gestaffeltes Metabolite-Profiling (untargeted, targeted) durchgeführt, um festzustellen welche Stoffgruppen (z.B. Flavonoide, Carotinoide, organische Säuren, Aminosäuren, Saccharide) zwischen den Dormanzphasen signifikante und physiologisch begründete Gehaltsänderungen in den Knospen zeigen. Vertreter dieser Stoffgruppen wurden dazu herangezogen, um zu einem tieferen Verständnis der Prozessabläufe während der Winterruhe zu gelangen und diese auf ihre Bedeutung für die phänologische Modellierung zu prüfen. Exemplarisch wurden hierzu für die Süßkirsche („Summit“) über 9 Jahre im wöchentlichen Abstand von Oktober bis April Blütenknospen von den Bäumen entnommen.
Als Ergebnis des „untargeted global metabolite-profiling“, wurden in den Kirschknospen 445 Metabolite identifiziert, die verschiedenen Stoffgruppen zugeordnet werden konnten (u.a. Aminosäuren, Kohlenhydrate, Lipide, Nukleotide, Peptide). Die Zu- und Abnahme in der Anzahl der Metabolite konnte sowohl anabolische als auch katabolische Stoffwechselprozesse im Beobachtungszeitraum belegen. Eine differenzierte Betrachtung der Anzahl der Metabolite bestätigte die Einstellung biologischer Aktivität (z.B. Energiestoffwechsel) vor und während der Endodormanz, und die Wiederaufnahme der Stoffwechselaktivität mit dem Beginn der ontogenetischen Entwicklung. Abscisinsäure, Chrysin, Arabonsäure, Pentosesäure, Saccharose, Isoleucin wurden für die Gehaltsbestimmung ausgewählt, da sie signifikante Veränderungen in ihrer Intensität zwischen den phänologischen Stadien, einschließlich der nicht zu beobachten Zeitpunkte für t1 und t1* zeigten.
Einzig das Phytohormon Abscisinsäure (ABA), das während der Winterruhe eine wachstums- und damit entwicklungshemmende Funktion auch bei Süßkirschen hat, konnte als Metabolit identifiziert werden, dass eine physiologisch begründete Modellierung der Ökodormanz erlaubt. Allerdings sind diesbezüglich die Kenntnisse was Etablierung, Aufrechterhalten und Abbau der Dormanz betrifft nur begrenzt verfügbar. Die Ergebnisse in diesem Projekt liefern diesbezüglich neue Erkenntnisse.
In den Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass die während der Ökodormanz (t1 - t1*) zur Verfügung stehende Wärmemenge (GDH) jährlich stark variiert (885±654 GDH, cv=74 %) und keinen signifikanten Einfluss auf den Blühbeginn hat (r=0.35ns, n=9). Darüber hinaus konnte gezeigt werden, dass sich unter kontrollierten Bedingungen während der Ökodormanz, der Wärmebedarf bis zur Blüte in Abhängigkeit vom ABA-Gehalt in den Knospen reduziert. Demgegenüber führt die Akkumulation von Kälteeinheiten (CP) während der Ökodormanz nicht zu einer Reduktion des ABA-Gehalts (r=-0.05ns, n=93), und ist somit physiologisch nicht untermauert. Die in parallelen phänologischen Modellen angenommene „chilling/forcing“ Kompensation ist somit physiologisch der Ausdruck eines abnehmenden ABA-Gehalts in den Knospen, der sich im Mittel zwischen t1 und t1* um ca. 50 % reduziert. Zusammenfassend kann konstatiert werden, dass die Akkumulation von Kälteeinheiten nach t1 physiologisch nicht gerechtfertigt ist. Diese Vorgehensweise muss zu Fehlaussagen bei der Verwendung der Modelle unter sich ändernden Klimabedingungen führen, da entweder der Kältereiz (C*) der Gehölze zur Freisetzung der Endodormanz überschätzt wird, oder von einer nicht physiologisch begründeten „chilling/forcing“ Kompensation ausgegangen wird. Die Ergebnisse des Projektes liefern einige wichtige Hinweise zur Verbesserung der phänologischen Modellierung und zeigen einen neuen, physiologisch begründeten Weg zur Entwicklung eines sequentiellen 3-Phasen Modells auf.
Obwohl die Erkenntnisse in diesem Projekt zu einem Umdenken in der phänologischen Modellierung führen sollten, müssen einige Aspekte, die die Umweltsteuerung des ABA-Gehalts betreffen („Tiefe“ der Dormanz, umweltgesteuerte Modellierung von ABA, Sortenabhängigkeit) noch tiefer untersucht werden.
Summary
Aim of this research project was to identify metabolites in the buds that are involved in the induction, maintenance and release of dormancy and that confirm the termination of the dormancy phase and the beginning of ontogenetic development. For this purpose, a staged metabolite profiling (untargeted, targeted) was carried out to determine which groups of substances (e.g. flavonoids, carotenoids, organic acids, amino acids, saccharides) show significant and physiologically justified changes in the buds between the dormancy phases. Representatives of these groups of substances were used to gain a deeper understanding of the processes during winter dormancy and to examine their importance for phenological modelling. As an example, cherry flower buds (cv. Summit) were taken from the trees every week from October to April over a period of 9 years.
As a result of the „untargeted global metabolite profiling “, 445 metabolites were identified in the cherry buds that could be assigned to different groups of substances (including amino acids, carbohydrates, lipids, nucleotides, peptides). The temporal increase and decrease in the number of metabolites during the observation period could demonstrate both anabolic and catabolic metabolic processes. A differentiated view of the number of metabolites confirmed the cessation of biological activity (e.g. energy metabolism) before and during the endodormancy phase (t1-t1*), and the resumption of metabolic activity with the beginning of ontogenetic development (t1*). Abscisic acid, chrysin, arabonic acid, pentose acid, sucrose, and isoleucine were selected for concentration determination as they showed significant changes in intensity between the phenological stages, including the unobserved points in time for t1 and t1*.
Only the phytohormone abscisic acid (ABA), which has a growth and thus development-inhibiting function during winter dormancy in sweet cherries, could be identified as a metabolite that allows a physiologically justified modelling of ecodormancy. However, knowledge about the establishment, maintenance and release of dormancy is limited. The results of this project provide new insights in this regard. The investigations showed that the amount of heat available during the ecodormancy (t1 - t1*) varies greatly from year to year (885 ± 654 GDH, cv = 74%) and has no significant influence on the blossoming date (r=0.35ns, n=9). In addition, it could be shown that under controlled conditions during the ecodormancy, the heat requirement until flowering is reduced in relation to the ABA content in the buds. In contrast, the accumulation of cold units (chill portions, CP) during the ecodormancy does not lead to a reduction of the ABA content (r=-0.05ns, n=93) and is thus not physiologically supported. The "chilling/forcing" compensation assumed in parallel phenology models is thus only the physiological expression of a decreasing ABA content in the buds, which on average is reduced by around 50% between t1 and t1*. In summary, it can be stated that the accumulation of cold units after t1 is not physiologically justified. This approach must lead to wrong statements when using the models under changing climate conditions, since either the chilling requirement (C*) of the trees to release endodormancy is overestimated, or a non-physiologically justified "chilling/forcing" compensation is assumed. The results of the project provide some important hints for improving phenological modelling and show a new, physiologically founded way to develop a sequential 3-phase model.
Although the findings in this project should lead to a rethinking of phenological modelling, some aspects related to the environmental control of ABA content (“depth” of dormancy, environmental control of ABA, cultivar dependency) need to be further investigated.
Bisherige Publikationen zur Thematik
Chmielewski FM, Götz KP (2023): Towards a Physiological Modeling of Sweet Cherry Blossom. Horticulturae 2023, 9, 1207. https://doi.org/10.3390/horticulturae9111207
Götz KP, Ene C, Fettke J, Chmielewski FM (2023): The Role of Threonine Deaminase/Dehydratase in Winter Dormancy in Sweet Cherry Buds. Nitrogen 4, 279-285. https://doi.org/10.3390/nitrogen4030020
Götz KP, Chmielewski FM (2023): Metabolites that confirm induction and release of dormancy phases in sweet cherry buds. Metabolites 13(2), 231. https://www.mdpi.com/2218-1989/13/2/231
Chmielewski FM, Götz KP (2022): ABA and Not Chilling Reduces Heat Requirement to Force Cherry Blossom after Endodormancy Release. Plants. 2022; 11(15):2044. https://doi.org/10.3390/plants11152044
Götz KP, Chmielewski FM, Tarkowská D, Pěnčík A, Novák O (2022): Phytohormones in Sweet Cherry Buds During Winter Rest and Bud Development. J Plant Growth Regul. https://doi.org/10.1007/s00344-022-10723-0
Chmielewski FM, Götz KP (2022): Metabolites in cherry buds to detect winter dormancy. Metabolites, 12, 247. https://doi.org/10.3390/metabo12030247
Götz KP, Chmielewski FM (2021): Response of sweet cherry buds and twigs to temperature changes - evaluated by the determination of the degradation and synthesis of sucrose. Hort. Sci. Prague, 48:149-157.
Götz KP, Naher J, Fettke J, Chmielerwski FM (2018) Changes of proteins during dormancy and bud development of sweet cherry (Prunus avium L.) Scientia Horticulturae 239, 41–49, https://doi.org/10.1016/j.scienta.2018.05.016
Chmielewski FM, Baldermann S, Götz KP, Homann T, Gödeke K, Schumacher F, Huschek G, Rawel HM (2018) Abscisic Acid Related Metabolites in Sweet Cherry Buds (Prunus avium L.). J Hortic 5: 221. https://doi.org/10.4172/2376-0354.1000221 (open access)
Baldermann S, Homann T, Neugart S, Chmielewski FM, Götz KP, Gödeke K, Huschek G, Morlock GE Rawel HM (2018) Selected plant metabolites involved in oxidation-reduction processes during bud dormancy and ontogenetic development in sweet cherry buds (Prunus avium L.). Molecules 2: 1197, https://doi.org/10.3390/molecules23051197 (open access)
Chmielewski FM, Götz KP (2017) Identification and Timing of Dormant and Ontogenetic Phase for Sweet Cherries in Northeast Germany for Modelling Purposes. J Hortic 4: 205. https://doi.org/10.4172/2376-0354.1000205 (open access)
Chmielewski FM, Götz KP, Homann T, Huschek G, Rawel HM (2017) Identification of endodormancy release for cherries (Prunus avium L.) by absisic acid and sugrars. J Hortic 4: 210. https://doi.org/10.4172/2376-0354.1000210 (open access)
Götz KP, Chmielewski FM, Gödeke K, Wolf K, Jander E, Sievers S, Homann T, Huschek G, Rawel HM (2017) Assessment of amino acids during winter rest and ontogenetic development in sweet cherry buds (Prunus avium L.). Scientia Horticulturae 222: 102-110
Chmielewski FM, Götz KP (2016) Performance of models for the beginning of sweet cherry blossom under current and changed climate conditions. Agricultural and Forest Meteorology 218–219: 85–91
Götz KP, Chmielewski FM, Homann T, Huschek G, Matzneller P, Rawel HM (2014): Seasonal changes of physiological parameters in sweet cherry (Prunus avium L.) buds. Scientia Horticulturae 172:183-190