Étude physiologique, génétique et moléculaire de l'impact du stress hydrique sur la qualité germinative des semences de tournesol

Physiological, genetic and molecular study of the impact of water stress on the germination quality of sunflower seeds

• Auteur / Autrice : Baptiste Vancostenoble
• Direction : Christophe Bailly, Nicolas Langlade
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 20/05/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de biologie du développement (Paris ; 1997-2024)
• Jury : Président / Présidente : Arnould Savouré
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jérôme Salse, Thierry André
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Sophie Brunel, Stéphane Maury

Mots clés

Mots clés contrôlés

Physiologie végétale

Semences -- Dormance

Germination

Plantes -- Expression génique

Résistance au stress

Helianthus

Mots clés libres

Stress abiotique

Développement

Germination

Effet maternel

Graine

Tournesol

Épigénétique

Tolérance

Abiotic stress

Development

Germination

Maternal effect

Seed

Sunflower

Epigenetic

Tolerance

Résumé

La tolérance des plantes cultivées au stress hydrique est un problème majeur du changement climatique et les futures conditions environnementales risquent de réduire drastiquement les rendements agricoles dans un avenir proche. La germination rapide et homogène des semences est une composante majeure du rendement final des cultures, mais elle peut être considérablement altérée par les conditions environnementales lors du semis. De plus, les conditions de l'environnement maternel pendant le développement des semences peuvent avoir un effet marqué sur la germination des semences de la génération suivante. En menant des expériences en conditions contrôlées sur la plate-forme de phénotypage Heliaphen (INRAE Toulouse), nous avons montré qu'un stress hydrique modéré appliqué sur les plantes mères de tournesol après leur floraison induit une meilleure germination, malgré différents stress appliqués lors de la germination, suggérant ainsi un effet maternel. Le traitement maternel semble influencer également le niveau de dormance des semences des deux générations suivantes, ce qui suggère l'existence de mécanismes de mémoire du stress maternel (effet transgénérationnel) sur la descendance. Nous avons recherché les gènes potentiellement impliqués dans la tolérance aux stress abiotiques, grâce à une étude transcriptomique et une validation par qPCR en micro-fluidigm qui nous ont permis de mettre en évidence une différence d’expression de certains marqueurs génétiques en fonction des conditions de stress maternels. D’autre part, nous avons déterminé qu’une composante épigénétique est associée à l'induction de la tolérance au stress hydrique par l'environnement maternel sur les semences. Pour ce faire, nous avons soumis les plantes mères à un stress hydrique et avons ainsi mis en évidence un effet sur le méthylome et le transcriptome des semences produites. Nous avons pu caractériser le méthylome des semences de tournesol grâce à un séquençage haut débit de l’ADN après traitement au bisulfite. Nous avons pu montrer que les conditions de développement des semences ont eu une influence directe sur le nombre et le niveau de méthylations des régions différentiellement méthylées (DMR). En revanche la germination n'a pas eu d'effet majeur sur le profil des DMR ce qui suggère que les modifications de la méthylation de l'ADN se sont produites pendant le développement des graines. Des DMR ont été identifiées dans la séquence codante, dans le promoteur ou dans la région de la séquence post-codante d'un ensemble de gènes dont l'expression a été modifiée par le stress hydrique appliqué sur la plante mère. La comparaison de la méthylation de l'ADN avec les changements d'expression des gènes induits par l'environnement maternel de la graine nous a permis de proposer un modèle de transmission et d'hérédité de la tolérance au stress au stade de la germination.

Crop tolerance to water stress is a major climate change issue and future environmental conditions may drastically reduce crop yields in the near future. Rapid and uniform seed germination is a major component of final crop yield, but it can be significantly altered by environmental conditions during sowing. In addition, the conditions of the maternal environment during seed development can have a marked effect on seed germination in the next generation. By conducting experiments under controlled conditions on the Heliaphen phenotyping platform (INRAE Toulouse), we showed that moderate water stress applied to sunflower mother plants after flowering induced better germination, despite different stresses applied during germination, suggesting a maternal effect. The maternal treatment also seems to influence the level of seed dormancy in the two following generations, suggesting the existence of memory mechanisms of the maternal stress (transgenerational effect) on the progeny. We searched for genes potentially involved in tolerance to abiotic stresses, thanks to a transcriptomic study and a validation by qPCR in micro-fluidigm, which allowed us to highlight a difference in the expression of certain genetic markers according to the maternal stress conditions. On the other hand, we determined that an epigenetic component is associated with the induction of water stress tolerance by the maternal environment on seeds. To do so, we subjected the mother plants to water stress and thus demonstrated an effect on the methylome and transcriptome of the seeds produced. We were able to characterize the methylome of sunflower seeds using high-throughput DNA sequencing after bisulfite treatment. We were able to show that seed development conditions had a direct influence on the number and level of methylations of differentially methylated regions (DMRs). In contrast, germination did not have a major effect on the DMR profile suggesting that the changes in DNA methylation occurred during seed development. DMRs were identified in the coding sequence, promoter, or post-coding sequence region of a set of genes whose expression was altered by water stress applied to the parent plant. Comparison of DNA methylation with gene expression changes induced by the maternal seed environment allowed us to propose a model of transmission and inheritance of stress tolerance at the germination stage.