Analyse transcriptomique du développement du grain de blé (Triticum aestivum) : implication des E3 ligases et des gènes relatifs aux hormones

par Delphine Capron

Thèse de doctorat en Physiologie et Génétique Moléculaire

Sous la direction de Mohamed Fouad Bouzidi.

Le président du jury était Saïd Mouzeyar.

Le jury était composé de Soulaïman Sakr, Françoise Corbineau, Bertrand Dubreucq, Gérard Branlard.

Les rapporteurs étaient Soulaïman Sakr, Françoise Corbineau, Bertrand Dubreucq.


  • Résumé

    Le blé tendre, Triticum aestivum, représente une grande ressource dans l’alimentation humaine mais également dans l’industrie. En conséquence, la taille finale du grain de blé constitue une cible privilégiée des programmes de sélections variétales. Pour ces raisons, comprendre les mécanismes moléculaires qui contrôlent le développement du grain, en particulier lors des phases précoces de la mise en place des structures cellulaires et leur remplissage par des réserves, constitue un enjeu majeur. Le développement du grain de blé est un processus complexe qui nécessite l’intervention séquentielle ou combinée d’un très grand nombre de gènes et de voies métaboliques. Parmi ces voies, le métabolisme carboné (en particulier celui du saccharose), les voies de signalisation par les hormones et la voie Ubiquitine / Protéasome 26S (UPS) semblent jouer un rôle déterminant dans la taille finale et donc le rendement en grain chez les céréales. Pour étudier le développement du grain de blé tendre, des plantes de la variété Récital ont été cultivées en serre dans des conditions optimales sans contraintes. Les grains ont été récoltés à onze stades de développement après floraison, allant de 40°CJ (soit deux jours après floraison) à 500°CJ (soit 25 jours après floraison). Les ARN totaux ont été extraits à partir de ces grains et utilisés pour analyser l’expression des gènes par une approche transcriptomique, soit en utilisant une lame « dédiée », soit en utilisant une lame Nimblegen comprenant 39 179 gènes. Une analyse différentielle utilisant le test LIMMA a permis d’identifier 9284 gènes différentiellement exprimés. L’analyse globale de ces gènes a montré que des modifications transcriptionnelles majeures ont lieu entre les stades 80 et 120 °CJ ainsi qu’entre 220 et 240°CJ. La répartition de ces 9284 en 10 clusters, en fonction de leurs profils d’expression, permet d’identifier les gènes activés en début de la phase de division cellulaire chez le grain, ceux activés pendant la phase de remplissage et ceux présentant un profil dit en « cloche ». Parmi les gènes différentiellement exprimés, nous nous sommes intéressés à ceux qui codent pour des E3 ligases impliquées dans la voie UPS et aux gènes relatifs à 7 hormones végétales (auxine, acide abscissique, acide jasmonique, brassinostéroïdes, cytokinines, gibbérellines et éthylène). Nous avons alors identifié 173 gènes codant pour des E3 ligases (dont certaines sont également des récepteurs hormonaux) et 126 gènes impliqués dans les voies hormonales. Un modèle global décrivant la chronologie d’intervention de ces gènes a été proposé. La majorité des gènes E3 de type SCF (SKP1-Cullin-Fbox), APC/C, Cul3-BTB et Ubox interviendrait dans les phases précoces du développement du grain de blé. Parallèlement, la majorité des gènes relatifs à l’auxine, à l’acide jasmonique et aux brassinostéroïdes interviendrait lors des phases de divisions cellulaires alors que les gènes relatifs à l’éthylène et à l’acide abscissique interviendraient dans les phases de remplissage. Par ailleurs, une méta-analyse a été réalisée et a permis d’identifier 26 gènes candidats codants pour des E3 ligases ainsi que de 12 gènes candidats impliqués dans les voies hormonales qui seraient préférentiellement exprimés dans l’albumen, un tissu du grain à haute valeur agro-économique. Le modèle proposé et l’identification de ces gènes candidats établissent un cadre pour de futures études visant à comprendre les mécanismes moléculaires contrôlant le développement du grain de blé.


  • Résumé

    Wheat grain is an important source of food, feed, and industrial raw materials, but current production levels cannot meet world needs. Elucidation of the molecular mechanisms underlying wheat grain development will contribute valuable information to improving wheat cultivation. One of the most important mechanisms implicated in plant developmental processes is the Ubiquitin-Proteasome System (UPS). Among several implications of the UPS, it has become clear that it plays an essential role in hormone signaling. In particular E3 ubiquitin ligases, from the UPS, have been demonstrated to play critical roles in hormone perception and signal transduction. During these work, wheat cv. Recital were grown in optimum growth conditions. By comparing eleven consecutive time-points from 40°CJ (2 days after anthesis) to 500°CJ (around 25 days after anthesis), 9284 differentially expressed genes were identified during this study. A comparison of these genes in terms of time revealed dynamic transcript accumulation profiles with major re-programming events that occurred during the time intervals of 80-120°Cdays and 220-240°Cdays. The gene expression comparison allows observing genes potentially involved in cell division or grain filling stage. An emphasis was made on the E3 ligases and hormone-related genes (Abscisic acid, Auxin, Brassinosteroid, Cytokinine, Gibberellic acid, Ethylene and Jasmonic acid). 173 E3 ligase coding genes and 126 hormone–related genes were found to be differentially expressed during the cell division and grain filling stages, with a different expression profile for each family. A model describing the timing of the involvement of these genes is proposed to provide a framework for the design of future experiments and for the identification of genes and pathways for further characterization. A majority of the E3 SCF (SKP1-Cullin-F-box), APC/C, Cul3-BTB and Ubox are found expressed in early wheat developmental stages (cell division stage). A majority of auxin, jasmonic acid and brassinostéroïde related genes were found to be up-regulated in early wheat developmental stages while ethylene and abscisic acid related genes were found to be activated during grain filling stage. The differential expression of genes involved in E3 ligase pathways and plant hormone signalling suggested that phytohormones and UPS crosstalk might play a critical role in the wheat grain developmental process. A meta-analysis of these genes led to the identification of 26 E3 ligase candidate genes and 12 hormones-related candidate genes that are preferentially expressed in the endosperm. The functional model that we proposed and the identification of candidate genes should help to better understand wheat grain development.

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