Combinaison d’approches transcriptomique et écophysiologique pour l’analyse de la croissance hétérotrophe de Medicago truncatula à basse température

par Johann Pierre

Thèse de doctorat en Biologie cellulaire et moléculaire végétale

Sous la direction de Carolyne Dürr et de Béatrice Theulat-Merah.

Soutenue en 2012

à Rennes, Agrocampus Ouest .


  • Résumé

    Le froid est un facteur environnemental majeur affectant les processus de germination et de croissance hétérotrophe. Nous avons étudié la croissance hétérotrophe de l’hypocotyle de la plantule de Medicago truncatula, organe portant la plantule hors de terre, et dont la croissance est fortement impactée par des basses températures. Une analyse transcriptomique combinée à une analyse des bases cellulaires de la croissance de l’hypocotyle a été menée, pour deux génotypes aux croissances contrastées, à l’obscurité à 20°C et à 10°C. L’analyse des variations du transcriptome menée sans a priori révèle plusieurs centaines de gènes dont l’expression est modifiée au cours de la cinétique de croissance, entre températures et entre génotypes. La majorité d’entre eux sont communs à deux ou aux trois effets étudiés. On note une proportion importante de régulation du transcriptome dépendant du génotype en interaction avec la température. Pour obtenir un cadre plus ciblé des gènes mis en évidence, nous avons étudié les bases cellulaires de la croissance de l’hypocotyle. Celle-ci s’avère liée à l’allongement des cellules de l’épiderme, sans augmentation de leur nombre. La très forte augmentation de ploïdie observée juste après la germination est corrélée au fort accroissement de la longueur de l’hypocotyle à ce même moment. Les fortes valeurs de ploïdie sont aussi corrélées à l’augmentation de surface radiale des cellules du cortex et de l’épiderme à basse température, et diffèrent entre génotypes. La mobilisation des sucres de réserve est très importante au moment de l’élévation de ploïdie, elle est aussi plus importante au froid mais en interaction avec le génotype. Enfin, le nombre de cellules de l’épiderme de l’hypocotyle, qui est donc mis en place dans l’embryon, diffère entre les génotypes. Nous avons poursuivi l’analyse des différences de transcriptome entre températures en utilisant ces informations et en examinant les gènes présentant des profils d’expression différentielle entre températures communs aux deux génotypes. De nombreux gènes impliqués dans l’élongation cellulaire sont plus exprimés à température optimale. La littérature sur la fonction de ces gènes et de leur co-expression suggère que le froid pourrait modifier la biosynthèse des gibbéréllines et des brassinostéroides, le transport polaire de l’auxine et la signalisation par l’éthylène et que plusieurs enzymes de modification (et non de synthèse) de la paroi, certaines protéines impliquées dans les flux d’eau et composant le cytosquelette et dans la synthèse de la cuticule cireuse participeraient aux différences d’allongement d’hypocotyle entre températures. D’autres gènes sont plus exprimés au froid. Il s’agit gènes de la catégorie « Lipide », associés à la composition et au degré de saturation des lipides membranaires, pouvant jouer un rôle important dans la fluidité membranaire. Les autres gènes plus exprimés au froid suggèrent une augmentation du taux de transcription et de traduction, et donc un plus fort métabolisme en conditions froides, parallèlement à une augmentation des transcrits des enzymes clés de la néoglucogenèse. Les différences de longueur entre génotypes étant largement dues au nombre de cellules initial dans l’embryon, l’interaction entre croissance du génotype et température portaient sur des modifications de largeur d’hypocotyle, en relation avec des modifications de niveau de ploidie et de mobilisation des sucres. Ces résultats ont aussi amené à refondre l’analyse des gènes répertoriés sous les QTL de croissance de l’hypocotyle, identifiés dans une étude précédente, dans le but d’identifier des gènes pouvant être impliqués dans les variations le de tolérance au froid modifiant les possibilités d’allongement de l’hypocotyle entre génotypes. Ce travail apporte d’une part la première analyse transcriptomique de la croissance hétérotrophe de la plantule de Medicago truncatula sous l’effet d’un stress abiotique, les basses températures. D’autre part l’analyse à l’échelle cellulaire met en avant l’importance de la phase de formation de la graine dans les potentialités la croissance hétérotrophe de l’hypocotyle. Cet ensemble des résultats ouvre différentes pistes pour mieux analyser d’un point de vue physiologique et cellulaire les bases de l’adaptation de la croissance au froid au cours de la phase hétérotrophe et pour analyser les sources potentielles de différences entre génotypes.


  • Résumé

    Cold is a major environmental factor affecting the process of germination and heterotrophic growth. We studied the heterotrophic growth of the hypocotyl of the seedling of Medicago truncatula whose growth is heavily impacted by low temperatures. A transcriptomic analysis combined with an analysis of the cellular bases of growth of the hypocotyl was conducted for two genotypes with contrasting growth, in the dark at 20 ° C (optimal) and 10 ° C (cold conditions). The without a priori analysis of changes in the transcriptome revealed several hundred genes whose expression is modified during the growth kinetics between temperatures and between genotypes. Most of them are common to two or three studied effects. A significant proportion of the regulation of transcriptome depends on genotype in interaction with temperature. For a more targeted identification of genes, we studied the cellular basis of hypocotyl growth. This one appeared to depend on the extension of epidermal cells with no increase in their number. The sharp increase in ploidy observed just after germination was correlated with the strong increase in the length of the hypocotyl at the same time. High ploidy values weare also correlated to the increase in cell radial surfaces of the cortex and epidermis at low temperature, and this differed between genotypes. The mobilization of reserve sugars was very important at the time of the ploidy increase, it was also more important in the cold but in interaction with genotype. Finally, the epidermis cell number of the hypocotyl, which is established in the embryo differs between genotypes. We continued the analysis of transcriptome differences between temperatures using this information and examining the genes with differential expression profiles common to both genotypes. Many genes involved in cell elongation were more expressed at optimal temperature. The literature on the function of these genes and their co-expression suggested that cold affected the biosynthesis of gibberellins and brassinosteroids, polar transport of auxin and ethylene signaling. Several enzymes modifying cell wall, some proteins involved in water flow control, in building the cytoskeleton and in the synthesis of the waxy cuticle could be also involved in hypocotyl elongation differences between temperatures. Other genes were more expressed in cold. Genes in the category "Lipid" associated with the composition and degree of saturation of membrane lipids, may play an important role in membrane fluidity. Other genes more expressed in cold suggested an increased rate of transcription and translation, and therefore a higher metabolism in cold conditions, along with an increase of transcripts of key enzymes of gluconeogenesis. The hypocotyl length differences between genotypes was mainly due to the initial number of cells in the embryo, and the interactions between genotype and growth temperature were for changes in hypocotyl width in relation to changes in ploidy level and mobilization of sugars. These results led to recast the analysis of genes identified in the QTL for hypocotyl growth, highlighted in a previous study in order to identify the determinism of genotypic differences in cold tolerance changing opportunities elongation of the hypocotyl. On the one hand, this work brings the first transcriptome analysis of the heterotrophic growth of Medicago truncatula seedlings under the influence of abiotic stress, low temperatures. On the other hand, the analysis at the cellular level highlights the importance of the embryo developmental stages in the heterotrophic growth potential of the hypocotyl. This set of results opens up different ways to better analyze the adaptation of heterotrophic growth to cold temperatures and the potential sources of differences between genotypes,from a physiological point of view and also on cellular bases.

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  • Détails : 1 vol. (95 p.)
  • Notes : Publication autorisée par le jury
  • Annexes : Bibliogr(s.p.)

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  • Bibliothèque : AGROCAMPUS OUEST. Bibliothèque Générale de Rennes.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : I 65
  • Bibliothèque : AGROCAMPUS OUEST. Institut national d'horticulture et de paysage. Bibliothèque générale.
  • Non disponible pour le PEB
  • Cote : SB 04 (BG-2013/53)
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