Physiological, phytochemical and molecular characterization of pigmented cereals

Wang, Rongfan

Wheat (Triticum aestivum L.) and barley (Hordeum vulgare L.), which are two crops of great economic importance worldwide, present significant genotypic diversity in seed pigmentation, rendering them as ideal models to examine pigment biosynthesis and metabolism in cereals. Potential effect of anthocyanins on seed yield was first investigated using wheat mapping populations by crossing two pigmented cultivars ‘purple’, ‘purple feed’(‘PF’) with two non-colored cultivars ‘Saratovskaya 29’ (‘S29’) and ‘Novosibirskaya 67’ (‘N67’), i.e. ‘N67’בPurple’, ‘N67’בPF’, ‘S29’בPurple’, ‘S29’בPF’. Wheat materials that differed only in the anthocyanin contents were obtained by pooling equal numbers of yellow (bulk-) and purple offspring (bulk+) randomly. Targeted and untargeted metabolic analyses demonstrated that the substances of wheat bulk- and bulk+ grains were well balanced except for the anthocyanin contents. The measured yield components did not constantly differ between bulk- and bulk+ in consecutive years, suggesting that anthocyanins accumulation in wheat grains do not influence yield parameters and seed germination. Two dark-grained barley varieties (HOR 2199 & HOR 4802) with extractable or non-extractable pigments were selected to explore the pigment accumulation during seed development. The yellow-grained cultivar HOR 3011 was used as a control. Anthocyanins were only found in the purple-grained barley cultivar HOR 2199. The levels of PAs and the accumulated precursors did not differ among the three barley lines during grain maturity. Transcript levels of genes involved in the flavonoid pathway and proanthocyanidin biosynthesis confirmed the findings of phytochemical analysis. The black pigments might be melanin-like compounds due to the positive correlation between the potential melanin precursors (L-tyrosine and L-3, 4-dihydroxyphenylalanine) and black pigmentation in barley grains.

Es befinden sich zahlreiche pigmentierte Vertreter unter den weltweit am meisten konsumierten Getreidesorten wie Weizen (Triticum aestivum L.) und Gerste (Hordeum vulgare L.). Im ersten Teil dieser Arbeit wurde ein möglicher Einfluss der Anthocyane auf den Ertrag unter Verwendung von zwei Weizen-Populationen untersucht. Dafür wurden zunächst zwei pigmentierte Sorten „Purple“ und „Purple Feed“ (PF) mit zwei nicht pigmentierten Kultivaren „Saratowskaja 29“ (S29) und „Nowosibirskaya 67“ ('N67') nach folgenden Schema gekreuzt. Um Weizenmaterial zu erhalten, welches sich lediglich durch den Anthocyangehalt unterschied, wurde eine gleiche Anzahl von gelben (bulk-) und lila gefärbten (bulk+) Nachkommen zufällig ausgewählt und vereint. Die anschließend durchgeführten gerichteten und nicht gerichteten Analysen der Inhaltsstoffe zeigten, das sich bulk- und bulk+ nur im Anthocyangehalt unterschieden. Weiterhin zeigten die Ertragsparameter in aufeinanderfolgenden Jahren keine Unterschiede zwischen bulk- und bulk+, was darauf hindeutet, dass Anthocyane weder einen Einfluss auf Ertragsparameter noch die Keimung haben. Zwei Gerstensorten mit dunklen Körnern (HOR 2199 & HOR 4802), welche über extrahierbare bzw. nicht extrahierbare Pigmente verfügten, ausgewählt und die Akkumulation der Farbstoffe während der Samenentwicklung untersucht. Die gelb-körnige Line HOR 3011 wurde für Vergleichsanalysen verwendet. Anthocyane lediglich in der Linie HOR 2199 nachgewiesen werden. Die Gehalte der PA und deren Vorstufen wiesen keinen Unterschied zwischen den drei Linien während der Samenreife auf. Zusätzlich wurde die Expression wichtiger Gene des Flavonoidstoffwechsels und der Proanthocyanidin-Biosynthese auf transkriptioneller Ebene untersucht. Dass es sich bei den schwarzen Pigmenten um Melanin-ähnliche Verbindungen, wegen die positive Korrelation zwischen den möglichen Melaninvorstufen (L-Tyrosin und L-3, 4-Dihydroxyphenylalanin) und der schwarzen Pigmentierung in Gerstenkörnern.

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Wang, Rongfan: Physiological, phytochemical and molecular characterization of pigmented cereals.

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