Endosperm cintribution to Medicago truncatula seed development : characterization of a DOF transcription factor expressed in chalazal endosperm
Contribution de l'albumen au développement de la graine chez Medicago truncatula : caractérisation d'un facteur de transcription de type DOF exprimé dans l'albumen chalazal
Résumé
In the current context, which necessitates a reduction in inputs in crop systems and boosting of production of plant proteins to reduce France’s dependency on feed imports,, growing legumes represents an alternative. Grain legumes are major sources of proteins for animal and human nutrition. In the UMR1347 Agroécologie, the objectives of the study group "déterminismes Génétiques et Environnementaux de l’Adaptation des Plantes à des Systèmes de culture Innovants" (GEAPSI) are to promote legume cultivation and adaptation to environmental stresses, via multidisciplinary approaches (genetics, ecophysiology, molecular physiology). This thesis project was carried out in the "Étude des Mécanismes Moléculaires" team, particularly interested in seed quality traits such as protein content or seed size and identification of genes implicated in variations of these trait s. Experiments were performed using Medicago truncatula as a model species for legumes with a view to transferring the information to the target crop species Pisum sativum.Legume seed size is determined by the embryo’s capacity to divide during embryogenesis and to accumulate reserves during seed filling. At early developmental stages, nutrient assimilation occurs predominantly in embryo-surrounding tissues: the endosperm and seed coat. This thesis project aims to evaluate the endosperm contribution to seed development in M. truncatula. We have shown several DOF (DNA-binding One Zinc Finger) genes to be expressed in this tissue. They belong to a large family of transcription factors implicated in numerous biological processes, but whose role remain to be elucidated. One of these genes, termed DASH for Dof Affecting Seed embryogenesis and Hormone metabolism, is expressed preferentially in the endosperm during embryogenesis. TILLING and TnT1 mutants isolated for this transcription factor are affected in seed development (abortion at 10 DAP). The cytology of development at early stages (6 to 10 DAP) revealed that the expression of this gene in the endosperm is required for the normal development of the embryo, demonstrating the role of the endosperm in the control of embryogenesis in legumes. A comparative transcriptomics study of dash vs wild-type pods allowed us to suggest hypothesis about the function of the DASH gene. Evidence for a deregulation of hormone metabolism, in particular for auxin, was obtained, and several potential target genes of this transcription factor were selected. A comparison of the transcriptome of the three tissues of the seed at 12 DAP was carried out for the reference wild-type line (Jemalong A17). This allowed the tissue localization of the target genes, to reveal metabolic pathways preferentially expressed in the endosperm, and to propose hypotheses about the role of this tissue during seed development.
Dans un contexte actuel qui tend vers une réduction d’intrants dans les systèmes de culture et une relance de la production de protéines végétales pour réduire la dépendance alimentaire de la France, la culture des légumineuses constitue une alternative. Les légumineuses à graines offrent une source riche en protéines pour l’alimentation animale et humaine. Au sein de l'UMR1347 Agroécologie, le pôle "déterminismes Génétiques et Environnementaux de l’Adaptation des Plantes à des Systèmes de culture Innovants" (GEAPSI) étudie via une approche multidisciplinaire (génétique, écophysiologie, physiologie moléculaire) l’adaptation des espèces végétales, et notamment des légumineuses aux contraintes environnementales. Ces travaux de thèse ont été réalisés au sein de l'équipe "Étude des Mécanismes Moléculaires" qui s'intéresse plus particulièrement à des critères de qualité de la graine (teneur en protéine, taille de graine) et au déterminisme génétique de ces caractères chez la plante modèle Medicago truncatula en vue d'un transfert de connaissances vers l'espèce cible Pisum sativum. Chez les légumineuses, la taille de la graine est déterminée par la capacité de l’embryon à se diviser lors de l’embryogenèse et à accumuler des réserves lors du remplissage. Aux stades précoces du développement, l’assimilation de nutriments est réalisée majoritairement par les tissus qui entourent l’embryon: l’albumen et le tégument. Les recherches menées visent à évaluer la contribution de l’albumen dans le développement de la graine chez M. truncatula. Nous avons révélé plusieurs gènes DOF (DNA-binding with One zinc Finger) comme étant exprimé dans ce tissu. Ils appartiennent à une large famille de facteurs de transcription impliqués dans de nombreux processus biologiques mais dont les rôles restent à préciser. Un de ces gènes, nommé DASH pour Dof Affecting Seed embryogenesis and Hormone metabolism, est exprimé préférentiellement dans l’albumen lors de l’embryogenèse. Des mutants TILLING et Tnt-1 isolés pour ce facteur de transcription sont affectés dans le développement de la graine (avortement à environ 10 jap). La cytologie du développement aux stades précoces (6 à 10 jap) a révélé que l’expression de ce gène dans l’albumen est requise pour un développement normal de l’embryon, démontrant le rôle de l’albumen dans le contrôle de l’embryogenèse chez les légumineuses. Une étude comparative du transcriptome des gousses de dash vs sauvage a permis d’émettre des hypothèses quant à la fonction du gène DASH. Une dérégulation du métabolisme hormonal, en particulier de l’auxine, a été mise en évidence et plusieurs gènes cibles potentiels de ce facteur de transcription ont été sélectionnés. Une comparaison du transcriptome des trois tissus de la graine à 12 jap a été réalisée chez la lignée sauvage de référence (Jemalong, A17). Elle a permis de préciser la localisation tissulaire de ces gènes cibles putatifs, de mettre en évidence des voies métaboliques plus spécifiques de l’albumen et de proposer des hypothèses quant à la fonction de ce tissu dans le développement de la graine.
Origine : Version validée par le jury (STAR)