Functional characterization of MtPM25, a LEA ( Late Embryogensis Abundant ), and implication in the germinative quality of Medicago truncatula seeds
Caractérisation fonctionnelle de MtPM25, une protéine LEA ( Late Embryogenesis Abundant ), et implication dans la qualité germinative des graines de Medicago truncatula
Résumé
The term desiccation tolerance describes the capacity to undergo total water loss without fatal damage of cellular components. The tolerance to desiccation is dependent on multiple traits but especially depends on the accumulation of stress proteins such as LEA (Late Embryogenesis Abundant) proteins. Primary sequence analysis suggests that these hydrophilic and natively unstructured proteins belong to different gene families. They are abundantly expressed in the late maturation stages of seeds. Different functional roles for these proteins have been proposed: the replacement of water, ion scavenging or stabilisation of proteins or membranes. In the laboratory, a LEA protein from Medicago truncatula, PM25, which is specifically expressed in seeds was identified and cloned. The aim of this work was to better understand the function of PM25 in seeds. To reach this goal, two strategies were applied: one physico-chemical approach to characterize the protein in vitro and a reverse genetic approach including Tnt1 insertion mutants of M. truncatula as well as transgenic E. coli. We could show that PM25 is an atypical LEA protein with nuclear localization exhibiting a rather hydrophobic character. In vitro, PM25 is not only capable to prevent protein aggregation during freezing or drying, but is also efficient in dissolving protein aggregates after these stresses were applied. In contrast to that, the physiological characterization of the seeds of the pm25 mutant did not show a reduced desiccation tolerance nor an enhanced susceptibility to artificial ageing or germination under stress conditions. The lack of a desiccation-sensitive phenotype could be due to the fact that several homologues of PM25 show an enhanced expression in mutant seeds which indicates a certain redundancy between the members of this gene family. Interestingly, the seeds of the pm25 mutant were reduced in both mass and size although the composition of soluble sugars and reserve proteins was unaffected. Our work suggests that PM25 is subjected to complex regulation mechanisms but could itself be involved in the regulation of seed filling.
La tolérance à la dessiccation correspond à la propriété de résister sans dommage à la perte totale de l'eau cellulaire. Il s'agit d'un phénomène multifactoriel qui repose notamment sur l'accumulation de protéines de stress telles que les protéines LEA (Late Embryogenesis Abundant). Ces protéines hydrophiles et largement désordonnées à l'état natif appartiennent à plusieurs familles sur la base de leurs séquences primaires, et sont exprimées de façon abondante en fin de maturation des graines. On leur attribue une multitude de fonctions telles que remplacement de l'eau, pièges à ions, stabilisation des protéines et membranes. Parmi cette famille de protéine, le laboratoire a identifié et cloné chez Medicago truncatula, PM25, une protéine LEA spécifiquement exprimée dans la graine. L'objectif de ce travail a été de mieux comprendre sa fonction au sein de la graine. Deux approches ont été employées : une approche physico-chimique de caractérisation de la fonction de PM25 in vitro et une approche de génétique inverse impliquant E. coli et des mutants d'insertion Tnt1 de M. truncatula déficients en PM25. Nous avons montré que PM25 est une protéine LEA nucléaire atypique présentant des caractéristiques hydrophobes. De plus, non seulement elle empêche l'agrégation de protéines lors de la dessiccation ou la congélation, mais elle est aussi capable de dissoudre de manière très efficace ces agrégats lors de la réhydratation ou de la décongélation. Cependant, le phénotypage des graines pm25 n'a pas permis de mettre en évidence une sensibilité accrue des graines à la dessiccation, au vieillissement accéléré ou aux stress salins et osmotiques. Ce résultat peut être expliqué par le fait que plusieurs homologues de PM25 sont surexprimés dans les graines mutantes, ce qui indique un phénomène de redondance pour cette famille de gène. Par ailleurs, les graines pm25 présentent une masse et une taille réduite alors que la composition en sucres solubles et protéines de réserve n'est pas affectée. L'ensemble de nos travaux suggère que PM25 serait soumis à des phénomènes de régulation complexe et pourrait réguler le remplissage de la graine.
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