Abstract The anatomy of strawberry (Fragaria × ananassa) fruit, in which the achene is found on the outer part of the fruit, makes it an excellent species for studying the regulation of fruit development. It can provide a model for the cross talk between primary and secondary metabolism, whose role is of pivotal importance in the process. By combining gas chromatography-mass spectrometry and liquid chromatography-mass spectrometry with the aim of addressing the metabolic regulation underlying fruit seed development, we simultaneously analyzed the composition of primary and secondary metabolites, separately, in achene and receptacle during fruit ripening of strawberry cultivar Herut. The results from these analyses suggest that changes in primary and secondary metabolism reflect organ and developmental specificities. For instance, the receptacle was characterized by increases in sugars and their direct derivatives, while the achene was characterized by a major decrease in the levels of carbon- and nitrogen-rich compounds, with the exception of storage-related metabolites (e.g. raffinose). Furthermore, the receptacle, and to a lesser extent the achene, exhibited dynamic fluctuations in the levels and nature of secondary metabolites across the ripening process. In the receptacle, proanthocyanidins and flavonol derivatives characterized mainly early developmental stages, while anthocyanins were abundant in the mature red stage; in the achene, ellagitannin and flavonoids were abundant during early and late development, respectively. Correlation-based network analysis suggested that metabolism is substantially coordinated during early development in either organ. Nonetheless, a higher degree of connectivity within and between metabolic pathways was measured in the achenes. The data are discussed within the context of current models both of the interaction of primary and secondary metabolism and of the metabolic interaction between the different plant organs.

Abstract The domestication of crops is associated with the genome-wide loss of nucleotide diversity caused by selection and genetic drift. Here we investigated 32 genotypes representing key stages in the domestication of tetraploid wheat, i.e. wild emmer, emmer and durum wheat. RNA-Seq analysis was combined with estimates of evolvability, heritability and Q ST to characterize the plasticity of gene expression and its adaptive role in primary and secondary domestication under different nitrogen growth conditions. We confirmed the loss of nucleotide diversity and found that primary and secondary domestication affected gene expression diversity in different ways, influenced by nitrogen availability. We found that nitrogen starvation induced the expression of a larger number of genes in durum wheat compared to emmer and wild emmer. Q ST distributions and Q ST –F ST comparisons revealed distinct selection signatures at each domestication stage. While primary domestication affected the expression of genes involved in biotic interactions, secondary domestication was associated with changes in expression of genes involved in metabolism of amino acids, particularly lysine. Our combined results revealed genes specifically involved in nitrogen metabolism, such as glutamate dehydrogenase , with important role in early development, underwent selection during secondary domestication. Therefore, our findings show that nitrogen availability had a pivotal role during the domestication and adaptive responses of one of our major food crops, with varying effects across different traits.

Mounting evidence indicates the key role of Nitrogen (N) on diverse processes in plant, including not only yield but also development and defense. Using a combined transcriptomics and metabolomics approach, we studied the response of seedlings to N starvation of two different tetraploid wheat genotypes from the two main domesticated subspecies, emmer (Triticum turgidum ssp. dicoccum) and durum wheat (Triticum turgidum ssp. durum). We found that durum wheat exhibits broader and stronger response in comparison to emmer as evidenced by the analysis of the differential expression pattern of both genes and metabolites and gene enrichment analysis. Emmer and durum wheat showed major differences in the responses to N starvation for transcription factor families. While emmer showed differential reduction in the levels of primary metabolites to N starvation, durum wheat exhibited increased levels of most metabolites, including GABA as an indicator of metabolic imbalance. The correlation-based networks including the differentially expressed genes and metabolites revealed tighter regulation of metabolism in durum wheat in comparison to emmer, as evidenced by the larger number of significant correlations. We also found that glutamate and GABA had highest values of centrality in the metabolic correlation network, suggesting their critical role in the genotype-specific response to N starvation of emmer and durum wheat, respectively. Moreover, this finding indicates that there might be contrasting strategies associated to GABA and Glutamate signaling modulating shoot vs root growth in the two different wheat subspecies.