Ready for regrowth : A physiological and metabolic characterization of young sugar beets under temporary drought

Although the sugar beet belongs to the rather drought relevant species, water availability plays a crucial role in terms of plant development and yield formation, hence water deficits can lead to adverse consequences. Aim of this work was the physiological and metabolic characterization of young temporarily drought-stressed sugar beets with special emphasis of the recovery process of shoots and roots under rewatering and possible differences thereby. In this work the analysis of the chronological order of physiological and metabolic alterations under drought and rewatering was studied and further how these changes were related to a phenotypic approach, namely infrared thermography (IRT). Besides this, an untargeted 1H nuclear magnetic resonance spectroscopy (1H-NMR) and targeted enzyme based metabolite assays were used for the identification and characterization of major metabolites of the primary metabolism aiming at the identification of the metabolic strategy of temporarily drought-stressed sugar beets. While the experimental setup allowed reproducible greenhouse experiments, the analytic approach has been optimized for both, small scale and high throughput analysis. Within the phenotypic approach using IRT the initial impairment of transpiration as first reaction to drought. However, stress-induced metabolic adaptations with subsequent membrane-destabilization and cellular damage were only detectable by the combined application of invasive and non-invasive methods. Only the combination of both techniques allowed the holistic analysis of drought-induced alterations with close attention to plant water status and osmotic adjustment. The untargeted 1H-NMR-analysis revealed clear stress-induced changes of the primary metabolism and its reprogramming under rewatering. While drought lead rather to a downregulation of glycolysis and TCA-cycle in shoots and roots, amino acids generally increased. The observed distinct dynamics of shoots and roots under rewatering might be ascribed to the different functions of both organs. It can be concluded that the reactions to drought and rewatering are distinct and organ-specific processes that are actively driven by the plant. Moreover, the recovery process does not seem to be only the de-acclimation of the stress and is thus not the simple return to initial control conditions. The presented results contribute to a better understanding of the physiological and metabolic alterations under temporary drought-stress and rewatering in sugar beet and they provide valuable information for the breeding of drought-tolerant species while the applied analytical methods enables a quick and reliable high-throughput metabolite analysis.Obwohl die Zuckerrübe zu den eher trockentoleranten Spezies zählt, spielt Wasser bezüglich Entwicklung und Ertragsbildung dennoch eine entscheidende Rolle und eine Limitierung kann zu erheblichen negativen Folgen führen. Ziel dieser Arbeit war die physiologische und metabolische Charakterisierung von jungen Zuckerrüben unter temporärem Trockenstress mit besonderem Fokus auf den Recovery-Prozess von Spross und Wurzel unter Wiederbewässerung und mögliche Unterschiede dabei. Es erfolgte eine Analyse der chronologischen Abläufe von physiologischen und metabolischen Veränderungen unter Trockenstress und Wiederbewässerung, und wie diese im Zusammenhang mit einem phänotypischen Ansatz, der Infrarot-thermographie (IRT), stehen. Darüber hinaus wurde eine Identifizierung und Charakterisierung von Hauptmetaboliten des Primärstoffwechsels zur Untersuchung der metabolischen Strategie von temporär gestressten Zuckerüben mittels Kernspinresonanzspektroskopie (1H nuclear magnetic resonance spectroscopy, 1H-NMR) und enzymbasierten Metabolitanalysen durchgeführt. Der experimentelle Ansatz ermöglichte robuste und reproduzierbare Versuche unter Gewächshausbedingen und die Analytik wurde so optimiert, dass sie sowohl für den Einsatz von kleineren Probenmengen als auch für die Hochdurchsatzanalytik geeignet war. In dem phänotypischen Ansatz, konnte mittels IRT die initiale Beeinträchtigung der Transpiration als erste Reaktion auf Trockenstress festgehalten werden. Die metabolischen Anpassungen auf den Stress mit anschließender Membran-Destabilisierung und Zellschädigung konnten jedoch nur durch die Kombination aus invasiven und nicht-invasiven Verfahren aufgedeckt werden. Nur die Kombination beider Techniken ermöglichte eine ganzheitliche Beurteilung trockenstress-induzierter Veränderungen mit Fokus auf den Wasserhaushalt und die osmotische Anpassung. Die 1H-NMR Analyse legte eindeutige stress-induzierte Veränderungen des Primärstoffwechsels und dessen Umprogrammierung unter Wiederbewässerung offen. Während Trockenheit eher zu einer Herabregulation von Glykolyse und Citratzyklus in Spross und Wurzel führte, reagierten die Aminosäuren mit einem generellen Anstieg. Unter Wiederbewässerung zeigten beide Organe jedoch eine unterschiedliche Dynamik in der Erholungsreaktion, die vermutlich auf die unterschiedlichen Funktionen von Spross und Wurzel zurückzuführen sind. Es handelt sich bei den Reaktionen auf Trockenheit und Wiederbewässerung offenbar um unterschiedliche und organ-spezifische Prozesse. Darüber hinaus scheint der Erholungsprozess keine simple De-Akklimatisierung des Stresses zu sein und ist damit nicht nur die Rückkehr zu Kontrollbedingungen. Die Ergebnisse dieser Arbeit tragen zu einem verbesserten Verständnis der physiologischen und metabolischen Veränderungen unter temporärem Trockenstress und Wiederbewässerung bei und liefern wertvolle Informationen für die Züchtung trockentoleranter Sorten. Die angewendeten Methoden bieten die Möglichkeit auch im Hochdurchsatzverfahren eine schnelle und zuverlässige Analyse durchzuführen

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