Molecular mechanisms in the first step of ABA mediated response in Coffea ssp

par Michelle Guitton Cotta

Thèse de doctorat en Biologie intégrative de plantes

Sous la direction de Pierre Marraccini et de Alan, C. Andrade.

  • Titre traduit

    Mécanismes moléculaires de la première étape de la réponse mediée par ABA chez Coffea ssp


  • Résumé

    L'acide abscissique (ABA) est une phytohormone universellement conservée dans les plantes terrestres qui coordonne plusieurs aspects de la réponse des plantes au déficit hydrique telles que l'architecture de la racine, la dormance des graines et la régulation de la fermeture des stomates. Un mécanisme de transduction du signal de l'ABA a été proposé incluant des récepteurs intracellulaires (ABA PYR/PYL/RCARs) qui coopèrent avec les phosphatases PP2Cs et des protéines kinases SnRK2 régulant ce système tripartite. Le but de cette étude était d'identifier et de caractériser pour la première fois les gènes orthologues de ce système tripartite chez Coffea. Ainsi, les séquences de protéines d'Arabidopsis, de citrus, du riz, du raisin, de la tomate et de la pomme de terre ont été choisis pour la requête des gènes orthologues dans le Coffee Genome Hub (http://coffee-genome.org/). L'expression différentielle dans les tissus tels que les feuilles, les graines, les racines et les organes floraux a été vérifié par le biais des analyses in silico. L'expression des gènes in vivo a été également réalisée par RT-qPCR dans les feuilles et les racines des clones Conilon de C. canephora tolérant (DT 14, 73 et 120) et susceptibles soumis (ou non) à la sécheresse (DS 22). Les profils d'expression des genes du système tripartite CcPYL-PP2C-SnRK2 ont également été analysés dans des feuilles de C. arabica (Ca) et de C. canephora (Cc) cultivées dans des conditions hydroponiques et soumis à un traitement d´ABA exogène (500 uM). Cette approche a permis l'identification et la caractérisation de 24 gènes candidats (9 PYR/PYL/RCARs, 6 PP2Cs et 9 SnRK2s) dans le génome de Cc. Les motifs protéiques identifiés dans les séquences de café ont permis la caractérisation de ces gènes comme des membres de la famille des récepteurs PYL /RCARs, les phosphatases PP2Cs ou kinase SnRK2 de la voie de réponse dépendante d'ABA. Ces familles ont été fonctionnellement annotés dans le génome de Cc. Les analyses in vivo ont révélées que huit gènes étaient surexprimé en condition de sécheresse dans les feuilles et les racines. Parmi eux, trois gènes codant phosphatases se sont exprimés dans tous les clones (DT et DS), suggèrant qu'ils ont été activés comme une réponse générale face au stress de la sécheresse. Cependant, deux autres gènes de la phosphatase de codage n´ont été surexprimé que dans les clones DT, suggèrant qu'ils constituent les principaux gènes de tolérance à la sécheresse chez ces clones. Les clones DT ont également montré des profils d'expression génique différents pour les cinq autres gènes, renforçant ainsi l'idée que des multiples mécanismes biologiques sont impliqués dans la tolérance à la sécheresse en Cc. En réponse à l´ABA exogène, 17 gènes se sont exprimés dans les feuilles des plantes Cc et Ca. Plusieurs gènes se sont exprimés differament chez le clone DT 14, soit en traitement contrôle ou après 24h de traitement avec ABA. En condition contrôle, cinq gènes se sont surexprimés aussi bien chez le Cc que chez le Ca DT. La kinase CcSnRK2.6 a été soulignée comme un gène exprimé spécifiquement chez le Cc (DT et DS) après 72h de traitement avec ABA. En géneral, on a observé que la voie de signalisation de l'ABA est retardée chez le DS Ca Rubi. Ces preuves moléculaires sont confirmées par des analyses de microscopie montrant que le clone DT 14 était plus efficace dans le contrôle de la fermeture des stomates que d'autres plantes de café en réponse au traitement d´ABA. Tous ces évidences nous aideront à identifier le déterminisme génétique de la tolérance à la sécheresse par la voie de l´ABA, essentielle pour obtenir des marqueurs moléculaires qui pourraient être utiles dans les programmes de sélection du café.


  • Résumé

    Abscisic acid (ABA) is a phytohormone universally conserved in land plants which coordinates several aspects of the plant response to water deficit such as root architecture, seed dormancy and regulation of stomatal closure. A mechanism of ABA signal transduction has been proposed, evolving intracellular ABA receptors (PYR/PYL/RCARs) interacting with PP2Cs phosphatases and SnRK2 protein kinases regulating this tripartite protein system. The goal of this study was to identify and characterize for the first time the orthologs genes of this tripartite system in Coffea. For this purpose, protein sequences from Arabidopsis, citrus, rice, grape, tomato and potato were chosen as query to search orthologous genes in the Coffee Genome Hub (http://coffee-genome.org/). Differential expression in tissues as leaves, seeds, roots and floral organs was checked through in silico analyses. In vivo gene expression analyses were also performed by RT-qPCR in leaves and roots of drought-tolerant (DT 14, 73 and 120) and drought-susceptible (DS 22) C. canephora Conilon clones submitted (or not) to drought. The expression profiles of the tripartite system CcPYL-PP2C-SnRK2 genes were also analyzed in leaves of C. arabica (Ca) and C. canephora (Cc) plants grown under hydroponic condition and submitted to exogenous ABA treatment (500 µM). This approach allowed the identification and characterization of 24 candidate genes (9 PYL/RCARs, 6 PP2Cs and 9 SnRK2s) in Cc genome. The protein motifs identified in the predict coffee sequences enabled characterize these genes as family’s members of PYL/RCARs receptors, PP2Cs phosphatases or SnRK2 kinases of the ABA-dependent response pathway. These families were functionally annotated in the Cc genome. In vivo analyses revealed that eight genes were up-regulated under drought conditions in both leaves and roots tissues. Among them, three genes coding phosphatases were expressed in all (DT and DS) clones therefore suggesting that they were activated as a general response to cope with drought stress. However, two other phosphatase coding genes were up-regulated only in the DT clones, suggesting that they constitute key-genes for drought tolerance in these clones. The DT clones also showed differential gene expression profiles for five other genes thus reinforcing the idea that multiple biological mechanisms are involved in drought tolerance in Cc. In response to exogenous ABA, 17 genes were expressed in leaves of Cc and Ca plants. Several genes were differentially expressed in the DT clone 14 either in control condition or after 24h with ABA treatment. Under control condition, five genes were higher expressed as in the Cc as in Ca DT plants. The kinase CcSnRK2.6 was highlighted as a gene specifically expressed in the Cc plants (DT and DS) after 72h of ABA treatment. Overall, it was observed that ABA signaling pathway is delayed in the DS C. arabica Rubi. Those molecular evidences corroborated with microscopies analyses which showed that the DT clone 14 was more efficient to control the stomatal closure than other coffee plants in response to ABA treatment. All these evidences will help us to identify the genetic determinism of drought tolerance through ABA pathway essential to obtain molecular markers that could be used in coffee breeding programs


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