Comparative metabolite profiling of alfalfa seeds dried at different temperatures

doi:10.11686/cyxb2020147

Abstract

Abstract:

The present study explored the effects of different drying methods on the seed germination rate of Medicago falcata ‘Zhongke No.1’. High performance liquid chromatography and tandem mass spectrometry were used to analyze the different metabolites produced during natural drying of alfalfa seeds at 39 and 65 ℃. It was found that 39 ℃ was the highest drying temperature which did not affect the seed germination rate and drying at 65 ℃ reduced the germination rate of alfalfa seeds by half. Drying at 39 ℃ and natural drying were similar in terms of the change in metabolites detected before and after drying. However， drying at 65 ℃ induced a larger change in the metabolite profile of seeds. Based on analysis of metabolome data， nucleosides， nucleotides， and their analogues was altered most significantly by high temperature， and lipids and lipid-like molecules followed. The purine?metabolism pathway in seeds was acutely affected by drying at high temperature. The findings of this study elucidate， in terms of different metabolites present， the reasons for low germination rate after high temperature drying， and provide a theoretical basis for improving the design of equipment for alfalfa seed drying.

Key words: alfalfa, germination rate, metabolite, seed drying

Di ZHANG, Li-fei REN, Guang-bin LIU, Fu-qing LUO, Wen-hao ZHANG, Tian-zuo WANG. Comparative metabolite profiling of alfalfa seeds dried at different temperatures[J]. Acta Prataculturae Sinica, 2021, 30(3): 158-166.

Figures/Tables 7

References 32

1	Zhang W H， Hou L Y， Yang J， et al. Establishment and management of alfalfa pasture in cold regions of China. Chinese Science Bulletin， 2018， 63（17）： 1651-1663.
	张文浩，侯龙鱼，杨杰，等. 高寒地区苜蓿人工草地建植技术. 科学通报， 2018， 63（17）： 1651-1663.
2	Lv H G. Study on the seed production key technology of alfalfa （Medicago sativa L.）. Beijing： Chinese Academy of Agricultural Sciences， 2006.
	吕会刚. 紫花苜蓿种子生产关键技术研究. 北京：中国农业科学院， 2006.
3	Xu P， Chang G Z， Shi S L. Production and processing of Medicago sativa seeds from Zhonglan NO. 1， Gannong NO. 1， 2 and 3. Gansu Agriculture， 2003（12）： 42-43.
	徐苹，常根柱，师尚礼. 中兰1号和甘农1、2、3号苜蓿种子生产、加工新技术. 甘肃农业， 2003（12）： 42-43.
4	Wang X， Yang H P. Breeding technology and storage management of alfalfa seeds in Longdong. China Seed Industry， 2003（7）： 37.
	王鑫，杨会平. 陇东紫花苜蓿种子繁育生产技术与贮藏管理. 中国种业， 2003（7）： 37.
5	Wu Y G， Zhang R R， Wang D M， et al. Quality appraisal of the seed grain dryer. Journal of Mechanical & Electrical Engineering， 2017， 34（5）： 504-508， 546.
	吴云舸，张蓉蓉，王栋明，等. 谷物干燥机烘干温度对种子发芽率的影响分析. 机电工程， 2017， 34（5）： 504-508， 546.
6	Zhou Z Y， Li X C. Internal and external factors affecting seed drying and solutions. Heilongjiang Science and Technology Information， 2009（5）： 106.
	周作宇，李新春. 影响种子烘干内外因素及解决办法. 黑龙江科技信息， 2009（5）： 106.
7	Wang D C， Xiao Z W， Wang Y J， et al. Effects of drying on germination characteristics and vigor of maize seeds. China Seed Industry， 2016（10）： 47-49.
	王多成，肖占文，王永健，等. 干燥方式对玉米种子发芽特性及活力的影响. 中国种业， 2016（10）： 47-49.
8	Ma J X， Tu D P， Kou J C， et al. Effects of drying temperature on water loss and germination rates of leguminous forage seeds. Acta Prataculturae Sinica， 2016， 25（8）： 56-64.
	马金星，屠德鹏，寇建村，等. 干燥温度对豆科牧草种子脱水速率和发芽率的影响. 草业学报， 2016， 25（8）： 56-64.
9	Yang J C， Bai H S. Application technology of rice seed drying machine. Journal of Zhejiang Agricultural Sciences， 2014（10）： 1590-1591， 1595.
	杨建春，白和盛. 水稻种子烘干机械的应用技术. 浙江农业科学， 2014（10）： 1590-1591， 1595.
10	Sumner L W， Mendes P， Dixon R A. Plant metabolomics： Large-scale phytochemistry in the functional genomics era. Phytochemistry， 2003， 62（6）： 817-836.
11	Fiehn O， Kopka J， Dörmann P， et al. Metabolite profiling for plant functional genomics. Nature Biotechnology， 2000， 18（11）： 1157-1161.
12	Kim S W， Chung H I， Liu J R. Advances in plant metabolomics. Journal of Korea Information & Communications Society， 2006， 33（3）： 161-169.
13	Xu Q F， Yu Z， Han J G， et al. Determining organic acid in alfalfa silage by HPLC. Grassland and Turf， 2007（2）： 63-65， 67.
	许庆方，玉柱，韩建国，等. 高效液相色谱法测定紫花苜蓿青贮中的有机酸. 草原与草坪， 2007（2）： 63-65， 67.
14	Zhang J J， Lu Y C， Yang H. Chemical modification and degradation of atrazine in Medicago sativa through multiple pathways. Journal of Agricultural & Food Chemistry， 2014， 62（40）： 9657-9668.
15	Fan W Q， Ge G T， Cheng Q M， et al. Metabolomics analysis of Medicago sativa L. leaves at different growth stages. Chinese Journal of Grassland， 2018， 40（2）： 8-13.
	范文强，格根图，成启明，等. 不同生育时期苜蓿叶片的代谢组学分析. 中国草地学报， 2018， 40（2）： 8-13.
16	Dunn W B， Broadhurst D， Begley P， et al. Procedures for large-scale metabolic profiling of serum and plasma using gas chromatography and liquid chromatography coupled to mass spectrometry. Nature Protocols， 2011， 6（7）： 1060-1083.
17	Wang Y L， Chen H Z， Zhang Y P， et al. Effects of different drying method on drying rate and seed quality of rice. China Rice， 2018， 24（5）： 31-33， 38.
	王亚梁，陈惠哲，张玉屏，等. 不同干燥方式对水稻种子干燥速率及种子质量的影响. 中国稻米， 2018， 24（5）： 31-33， 38.
18	Zhang Y. The effect of hot air on paddy drying and germinating rate. Nanjing： Nanjing Agricultural University， 2004.
	张银. 热风温度对种子稻谷干燥速率与发芽率的影响. 南京：南京农业大学， 2004.
19	Guo Y L. Effect of drying at different temperatures on germination rate of cotton seeds. Seed Science & Technology， 2008（4）： 47.
	郭艳丽. 不同温度烘干对棉花种子发芽率的影响. 种子科技， 2008（4）： 47.
20	Wang L C， Qiao C H， Shi Y， et al. Effects of different treatments on seed germination of Cyclobalanopsis glauca. Practical Forestry Technology， 2015（5）： 36-38.
	王立超，乔春华，石燕，等. 不同处理对青冈栎种子发芽的影响. 林业科技通讯， 2015（5）： 36-38.
21	Wang P. Thermodynamic analysis and damage mechanism of rice seed during drying process. Beijing： China Agricultural University， 2017.
	王攀. 水稻种子干燥热动力学分析及损伤机理研究. 北京：中国农业大学， 2017.
22	Vertucci C W， Roos E E. Theoretical basis of protocols for seed storage. Plant Physiology， 1990， 94（3）： 1019-1023.
23	Jiang Y B， Yang Y R， Wang C Z， et al. Study the characters of physiological and biochemical index of the alfalfa in high temperature stress. Science Technology and Engineering， 2007， 7（5）： 820-823.
	姜义宝，杨玉荣，王成章，等. 高温胁迫下苜蓿生理生化特性研究. 科学技术与工程， 2007， 7（5）： 820-823.
24	Ma X D， Peng H R， Wang M， et al. Evaluation of heat tolerance in crop. Chinese Bulletin of Botany， 2004， 21（4）： 411-418.
	马晓娣，彭惠茹，汪矛，等. 作物耐热性的评价. 植物学报， 2004， 21（4）： 411-418.
25	Wu Y， Tian Y， Zhang H X， et al. Effects of salinity， alkalinity， temperature and their interactions on seed germination of Medicago falcata. Pratacultural Science， 2015， 32（11）： 1847-1853.
	武祎，田雨，张红香，等. 盐、碱胁迫与温度对黄花苜蓿种子发芽的影响. 草业科学， 2015， 32（11）： 1847-1853.
26	Sun M L. Characterization of mRNA splicing related SUN66 and purine nucleotide metabolism pathway genes in Fusarium graminearum. Yangling： Northwest A & F University， 2019.
	孙蔓莉. 禾谷镰刀菌mRNA剪接基因SNU66和嘌呤核苷酸代谢途径基因的功能研究. 杨凌：西北农林科技大学， 2019.
27	Mittler R， Finka A， Goloubinoff P. How do plants feel the heat？ Trends in Biochemical Sciences， 2012， 37（3）： 118-125.
28	Zhu C Y， Wang Y Q. Effect of heat stress on Karelinia caspica macromolecular structure of desert plants. Journal of Tarim University， 2019， 31（3）： 7-11.
	朱传应，王彦芹. 高温胁迫对荒漠植物花花柴大分子结构的影响. 塔里木大学学报， 2019， 31（3）： 7-11.
29	Na H Y. Effect of heat stress on physiology metabolism and aging of rape， oat and soybean seeds. Hohhot： Inner Mongolia Agricultural University， 2008.
	娜荷雅. 高温对油菜、燕麦和大豆种子生理代谢及衰老的影响. 呼和浩特：内蒙古农业大学， 2008.
30	Valliyodan B， Nguyen H T. Understanding regulatory networks and engineering for enhanced drought tolerance in plants. Current Opinion in Plant Biology， 2006， 9（2）： 189-195.
31	Zheng T. Study on the metabolites of Allium macrostemon Bunge using NMR-based metabonomics. Wuhan： Central China Normal University， 2014.
	郑婷. 利用基于核磁共振的代谢组学方法对植物药薤白的研究. 武汉：华中师范大学， 2014.
32	Zhou Z L， Bao M Z， Wang W E. Effect of high temperature stress on physiological indexes of six lines of tall fescue. Pratacultural Science， 2011， 28（7）： 1284-1290.
	周中亮，包满珠，王文恩. 高温胁迫对6个高羊茅株系生理指标的影响. 草业科学， 2011， 28（7）： 1284-1290.

编号Codes	比较组Comparison groups
A	自然干燥/新鲜种子Natural drying/fresh seeds
B	39 ℃干燥/新鲜种子 39 ℃ drying/fresh seeds
C	65 ℃干燥/新鲜种子 65 ℃ drying/fresh seeds
D	39 ℃干燥/自然干燥 39 ℃ drying/natural drying
E	65 ℃干燥/自然干燥 65 ℃ drying/natural drying
F	65 ℃干燥/39 ℃干燥 65 ℃ drying/39 ℃ drying

编号Codes	比较组Comparison groups
A	自然干燥/新鲜种子Natural drying/fresh seeds
B	39 ℃干燥/新鲜种子 39 ℃ drying/fresh seeds
C	65 ℃干燥/新鲜种子 65 ℃ drying/fresh seeds
D	39 ℃干燥/自然干燥 39 ℃ drying/natural drying
E	65 ℃干燥/自然干燥 65 ℃ drying/natural drying
F	65 ℃干燥/39 ℃干燥 65 ℃ drying/39 ℃ drying

分类Groups	数目Number
脂类及类脂分子Lipids and lipid-like molecules	188
有机酸及其衍生物Organic acids and derivatives	106
苯丙酸和聚酮Phenylpropanoids and polyketides	72
未分类Unclassed	59
有机杂环化合物Organoheterocyclic compounds	33
有机氧化合物Organic oxygen compounds	28
苯环型化合物Benzenoids	23
核苷、核苷酸及类似物Nucleosides, nucleotides, and analogues	23
有机氮化合物Organic nitrogen compounds	7
生物碱及其衍生物Alkaloids and derivatives	5
磺胺嘧啶Sulfadiazine	1

分类Groups	数目Number
脂类及类脂分子Lipids and lipid-like molecules	188
有机酸及其衍生物Organic acids and derivatives	106
苯丙酸和聚酮Phenylpropanoids and polyketides	72
未分类Unclassed	59
有机杂环化合物Organoheterocyclic compounds	33
有机氧化合物Organic oxygen compounds	28
苯环型化合物Benzenoids	23
核苷、核苷酸及类似物Nucleosides, nucleotides, and analogues	23
有机氮化合物Organic nitrogen compounds	7
生物碱及其衍生物Alkaloids and derivatives	5
磺胺嘧啶Sulfadiazine	1

比较组 Comparison groups	代谢物 Metabolites	含量变化 Content change	分类 Groups
A、B和C三个比较组共有差异代谢物 The common differential metabolites among A, B and C comparison groups	8-羟基鸟嘌呤8-Hydroxyguanine	下调Down-regulation	有机杂环化合物Organoheterocyclic compounds
	15-羟基二十碳-5Z,8Z,11Z,13E-四烯酸 5-Hydroperoxy-5Z,8Z,11Z,13E-Eicosatetraenoic acid	下调Down-regulation	脂类及类脂分子 Lipids and lipid-like molecules
	槲皮素Quercetin	下调Down-regulation	苯丙酸和聚酮 Phenylpropanoids and polyketides
C、E和F三个比较组共有差异代谢物 The common differential metabolites among C, E and F comparison groups	1,3,5-苯三酚1,3,5-Benzenetriol	上调Up-regulation	有机杂环化合物Organoheterocyclic compounds
	脱氧腺苷 Deoxyadenosine	下调Down-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
	3'-磷酸腺苷3'-Adenosine monophosphate	上调Up-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
	2'，3'-环磷酸腺苷 Adenosine 2',3'-cyclic phosphate	上调Up-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
	2'-磷酸腺苷Adenosine 2'-Monophosphate	上调Up-regulation	有机氧化合物 Organic oxygen compounds
	腺苷Adenosine	上调Up-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
	磷酸腺苷Adenosine phosphate	上调Up-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
	2'，3'-环磷酸鸟苷 Guanosine-2',3'-cyclic monophosphate	上调Up-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
	戊草丹Esprocarb	上调Up-regulation	未分类Unclassed
	鸟苷Guanosine	上调Up-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
	磷酸鸟苷 Guanosine monophosphate	上调Up-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
	3'-磷酸鸟苷Guanosine 3'-Monophosphate	上调Up-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
	3'，5'-环磷酸鸟苷 Guanosine-3',5'-Cyclic monophosphate	上调Up-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
	异亮氨酸-脯氨酸Ile-Pro	上调Up-regulation	有机酸及其衍生物 Organic acids and derivatives
	苯丙氨酸-脯氨酸Phe-Pro	上调Up-regulation	有机酸及其衍生物 Organic acids and derivatives
	尿苷5'-单磷酸Uridine 5'-Monophosphate	上调Up-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
	缬氨酸-脯氨酸Val-Pro	上调Up-regulation	有机酸及其衍生物 Organic acids and derivatives
B和D两个比较组共有差异代谢物The common differential metabolites between B and D comparison groups	L-谷胱甘肽（氧化型）L-Glutathione (oxidized form)	上调Up-regulation	有机酸及其衍生物 Organic acids and derivatives
C和E两个比较组共有差异代谢物 The common differential metabolites between C and E comparison groups	3-恶辛酸3-Oxooctadecanoic acid	下调Down-regulation	脂类及类脂分子 Lipids and lipid-like molecules
	13-羟基亚油酸13-Hydroxylinoleic acid	下调Down-regulation	脂类及类脂分子 Lipids and lipid-like molecules
	溶血磷脂酰乙醇胺 LysoPE 18:2	下调Down-regulation	脂类及类脂分子 Lipids and lipid-like molecules
C和F两个比较组共有差异代谢物 The common differential metabolites between C and F comparison groups	5'-磷酸胞苷 Cytidine-5'-Monophosphate	上调Up-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
	5'-磷酸胸腺嘧啶 Thymidine-5'-Monophosphate	下调Down-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues
E和F两个比较组共有差异代谢物 The common differential metabolites between E and F comparison groups	3'-磷酸胞苷 Cytidine-3'-Monophosphate	上调Up-regulation	核苷、核苷酸及类似物Nucleosides, nucleotides, and analogues
	鸟嘌呤Guanine	上调Up-regulation	有机杂环化合物Organoheterocyclic compounds
A比较组特有差异代谢物 The specific differential metabolite in A comparison group	儿茶素Catechin	下调Down-regulation	苯丙酸和聚酮 Phenylpropanoids and polyketides
C比较组特有差异代谢物 The specific differential metabolites in C comparison group	桦木酸Betulinic acid	下调Down-regulation	脂类及类脂分子 Lipids and lipid-like molecules
	虫草素Cordycepin	下调Down-regulation	未分类Unclassed
	3-羟基十二酸乙酯Ethyl 3-Hydroxydodecanoate	下调Down-regulation	脂类及类脂分子 Lipids and lipid-like molecules
	苏氨酸-γ-谷氨酸盐Threoninyl-Gamma-Glutamate	下调Down-regulation	有机酸及其衍生物 Organic acids and derivatives
	反式玉米素核糖 Trans-Zeatin riboside	下调Down-regulation	核苷、核苷酸及类似物 Nucleosides, nucleotides, and analogues