Synchrotron-based spectroscopy and imaging reveal changes in the cell-wall composition of barley leaves in defence responses to Blumeria graminis f. sp. tritici

Abstract

Plant cell walls (CW) are composed mainly of cellulose–hemicellulose networks embedded in a pectin matrix. CW apposition, including papilla formation, is often associated with plant defence responses to infection by fungal pathogens. In this study, synchrotron-based Fourier transform infrared (sFTIR) spectroscopy and focal plane array (FPA) imaging were explored to characterize changes in CW chemical composition of barley leaf epidermis inoculated with the powdery mildew fungus of wheat that was unable to infect the barley cultivar ‘CDC Silky’ successfully. Spectroscopic results showed increased intensity of peaks representing asymmetric and symmetric stretching vibrations that correspond to fatty acid groups, phenolics/lignin, cellulose, hemicellulose, pectins and glucans. sFTIR spectral data separated the inoculated samples (with papillae formation) from non-inoculated controls, based on CW components including lignin/phenolics, polysaccharides and glucans. These results were further verified with FPA imaging. This is the first report on using sFTIR spectroscopy and FPA imaging to analyse in situ composition of plant cell wall components in relation to host defence responses. These findings, especially the changes in cellulose, hemicelluloses, pectins and glucans, lend support to a proposed structure of effective papillae, as well as to callose-cellulose networks associated with the defence response of barley against powdery mildew. Increases in phenolics likely help strengthen CW, in addition to direct effects on pathogens. The results also demonstrate that sFTIR and FPA analyses can be useful to study plant–pathogen interactions, especially in determining the role of cell wall apposition in response to fungal infection.

Résumé

Les parois des cellules végétales (PC) sont principalement composées de réseaux de cellulose et d’hémicellulose enchâssés dans une matrice de pectine. L’apposition des PC, y compris la formation de papilles, est souvent associée aux réactions de défense de la plante à une infection causée par des agents pathogènes fongiques. Dans cette étude, la spectroscopie à infrarouge à transformée de Fourier basée sur l’imagerie synchrotronique (IRTFs) et l’imagerie dans la matrice plane focale (MPF) ont été examinées dans le but de caractériser les modifications de la composition chimique se produisant dans les PC de l’épiderme de feuilles d’orge inoculées avec le champignon du blanc du blé qui n’a pu réussir à infecter le cultivar d’orge ‘CDC Silky’. Les résultats de la spectroscopie ont affiché une intensité accrue des pics représentant les vibrations asymétriques et symétriques d’élongation qui correspondent aux groupes d’acides gras suivants: les composés phénoliques et la lignine, la cellulose, l’hémicellulose, les pectines et les glucanes. En se basant sur les composantes des PC, y compris la lignine et les composés phénoliques, les polysaccharides et les glucanes, les données spectrales issues de l’IRTFs ont séparé en deux groupes les échantillons inoculés (avec papilles en formation) et les témoins non inoculés. Ces résultats ont été par la suite vérifiés par imagerie MPF. Il s’agit du premier rapport faisant état de l’utilisation de la spectroscopie IRTFs et de l’imagerie MPF pour analyser in situ la combinaison des composantes des parois des cellules végétales en fonction des réactions de défense de l’hôte. Ces résultats, particulièrement les modifications subies par la cellulose, les hémicelluloses, les pectines et les glucanes, tendent à soutenir une structure proposée de papilles véritables ainsi que de réseaux de callose et de cellulose associés à la réaction de défense de l’orge contre le blanc. Les augmentations de composés phénoliques contribuent à renforcer la PC, en plus d’agir directement sur les agents pathogènes. Les résultats montrent également que les analyses effectuées par spectroscopie IRTFs et imagerie MPF peuvent servir à étudier les interactions plantes-agents pathogènes, particulièrement pour ce qui est de déterminer le rôle de l’apposition de la paroi cellulaire dans la réaction à l’infection fongique.

Keywords:

• Callose
• FPA imaging
• FTIR spectroscopy
• non-host resistance
• papillae

Mots clés:

• Callose
• imagerie MPF
• papilles
• résistance non-hôte
• spectroscopie IRTF

Acknowledgements

Part of the research described in this paper was performed at the Canadian Light Source, which is funded by the Canada Foundation for Innovation, the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada, the National Research Council Canada, the Canadian Institutes of Health Research, the Government of Saskatchewan, Western Economic Diversification Canada, and the University of Saskatchewan. None of the funders had any role in study design, data analysis and manuscript preparation. We acknowledge Dr S. Rosendahl and Mr S. Read for their assistance on the mid-IR beamline at the Canadian Light Source and advice during data collection.