Investigating the function of class D MADS-box genes in tomato fruit development

par Baowen Huang

Thèse de doctorat en Développement des plantes

Sous la direction de Mondher Bouzayen.

Le jury était composé de Zhengguo Li.


  • Résumé

    Les facteurs de transcription de type MADS-box représentent des acteurs de premier plan des réseaux de régulation du développement des fleurs et des fruits. Parmi ces régulateurs, la classe D est formée par des régulateurs apparentés aux protéines AGAMOUS qui ont été décrites pour leur implication dans le développement de l'ovule, de la graine et du funicule. On recense deux gènes MADS-box de classe D dans le génome de la tomate: Sl-AGL11 et Sl-MBP3. Des études d'expression par qPCR ont montré que les deux gènes étaient exprimés lors du développement précoce du fruit, mais dans des territoires distincts. Sl-MBP3 est plutôt exprimé dans le placenta et le gel loculaire tandis que Sl-AGL11 est davantage exprimé dans la graine. Ces profils d'expression distinctifs ont été confirmés et affinés grâce à des lignées de tomates exprimant le gène GUS sous le contrôle des promoteurs Sl-MBP3 et Sl-AGL11. Ainsi dans les lignées pSl-MBP3 ::GUS le signal GUS se concentre dans le gel loculaire tandis que les lignées pSl-AGL11 ::GUS le signal est restreint à l'embryon et l'albumen de la graine . Le rôle fonctionnel des gènes Sl-AGL11 et Sl-MBP3 a été alors exploré grâce à différentes lignées de tomate sur-exprimant ou sous-exprimant les deux gènes MADS-box. La surexpression de Sl-AGL11 engendre des modifications spectaculaires de la structure des fleurs et des fruits, notamment la conversion des sépales en organes charnus capables de mûrir sous le contrôle de l'éthylène. Ces lignées présentent aussi une hypertrophie du placenta au détriment de l'espace loculaire, un ramollissement extrême des tissus qui survient prématurément bien avant le mûrissement. De plus, la teneur en amidon et en sucre des sépales et fruits est considérablement accrue. Une analyse transcriptomique par RNA-seq des sépales et des fruits sur-exprimant Sl-AGL11 a mis en évidence l'ampleur de la reprogrammation métabolique induite par l'expression ectopique de Sl-AGL11, laquelle affecte principalement les gènes de la photosynthèse et les gènes de la paroi. La surexpression de Sl-MBP3 aboutit à des phénotypes similaires à ceux observés avec Sl-AGL11, mais de manière plus modérée. La sous-expression de Sl-AGL11 par une approche RNA interférence n'a pas permis de mettre en évidence de phénotypes clairs, à l'exception d'une légère réduction de la taille des graines. A contrario, la répression ciblée de Sl-MBP3 engendre un défaut de différentiation du gel loculaire résultant en une absence de 'jus' accompagnée d'une augmentation de la fermeté des fruits. La répression simultanée de Sl-AGL11 et Sl-MBP3 aboutit elle aussi à l'absence de gel loculaire et à des fruits plus fermes, mais engendre aussi des phénotypes additionnels tel que la réduction de la taille des fruits et des graines ainsi qu'une altération de leur capacité germinative. L'ensemble de ces résultats suggère qu'en plus de leur implication dans la mise en place de la graine, les deux facteurs MADS de classe D de tomate régulent le développement précoce du fruit. En particulier, le gène Sl-MBP3 semble avoir acquis au cours de l'évolution un rôle additionnel en devenant un régulateur majeur de la différentiation du tissu loculaire.

  • Titre traduit

    Caractérisation fonctionnelle des gènes MADS de classe D dans le développement du fruit de tomate


  • Résumé

    MADS-box genes encode transcription factors that are key elements of the genetic networks controlling flower and fruit development. Among these, the class D clade gathers AGAMOUS-like genes involved in seed, ovule and funiculus development. Tomato genome contains two class D genes: Sl-AGL11 and Sl-MBP3. Transcript accumulation analysed by qPCR indicated that Sl-AGL11 and Sl-MBP3 are both expressed at early fruit development but with distinct territories: Sl-MBP3 being highly expressed in the placenta and the locular gel while Sl-AGL11 expression peaked in the seeds. This expression patterning was confirmed in tomato plants expressing promoter-Sl-MBP3-GUS fusion which displayed high GUS signal in the locular gel while in promoter-Sl-AGL11-GUS lines the signals was restricted to seed embryo and endosperm. The functional significance of Sl-AGL11 and Sl-MBP3 was then addressed through RNAi-silencing and ectopic expression strategies. Overexpression of Sl-AGL11 induced the conversion of sepals into carpelloid fleshy organs that undergo ripening, which is reminiscent of the phenotypes observed for class C TAG1 and TAGL1 MADS-box genes. In addition, Sl-AGL11-overexpressing fruits exhibited a marked hypertrophy of the placenta, a reduction of the locular space, and an extreme softening that occurs well before ripening. Moreover, starch and soluble sugar contents were substantially higher in these fruits and fruit-like sepals, corroborating their conversion into a fleshy organ with similar metabolic reorientations. RNA-Seq analyses performed on young fruits and sepals confirmed the metabolic reprogramming induced by the ectopic expression of Sl-AGL11 among which cell wall-related and photosynthetic genes seem to be the most strongly impacted. Over-expression of Sl-MBP3 in tomato resulted in phenotypes similar to those observed with Sl-AGL11 ectopic expression suggesting functional redundancy of the two class D tomato genes. While the RNAi-mediated specific downregulation of Sl-AGL11 did not show any obvious phenotype, Sl-MBP3 specific downregulation resulted in fruits lacking locular gel formation. Conversely, Sl-MBP3-silenced fruits showed an increased firmness. At last, the simultaneous down-regulation of Sl-AGL11 and Sl-MBP3 expression also triggered the loss of gel formation and increased firmness; but it resulted in marked reduction in fruit size and a decrease in seed number, size and germination capacity. Altogether, these results suggest that, in addition to the well-established role in seed development of class D MADS-box genes, Sl-AGL11 and/or Sl-MBP3 strongly affect fleshy fruit development and quality traits, notably by impacting the differentiation of the locular gel.

Autre version

Cette thèse a donné lieu à une publication en 2017 par Université Paul Sabatier, Toulouse 3 à Toulouse

Investigating the function of class D MADS-box genes in tomato fruit development


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