Identification et caractérisation de gènes impliqués dans la variation de caractères quantitatifs affectés par la sécheresse chez le maïs

Identification and characterization of candidat genes influencing quantitative characters for water deficit tolerance in maize

• Auteur / Autrice : Laetitia Virlouvet
• Direction : Michel Zivy, Sylvie Coursol
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 21/04/2011
• Etablissement(s) : Paris 11
• Ecole(s) doctorale(s) : Ecole doctorale Sciences du Végétal (1992-2015 ; Orsay, Essonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Génétique quantitative et évolution-Le Moulon (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2002-....)
• Jury : Président / Présidente : Michel Dron
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Michel Zivy, Sylvie Coursol, Michel Dron, Bart Panis, Dominique This, Peter Rogowsky
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Bart Panis, Dominique This

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maïs

Plantes -- Phosphorylation

Résistance à la sécheresse

Mots clés libres

Maïs

Déficit hydrique

Gènes candidats

ZmMYB31

ZmASR1

Protéomique

Phosphorylation

Maize

Water deficit

Candidate genes

ZmMYB31

ZmASR1

Proteomics

Phosphorylation

Résumé

La recherche de maïs plus tolérants au déficit hydrique est un enjeu fondamental pour la production agricole dans les prochaines décennies. Le but ce travail a été d’identifier et de caractériser des gènes impliqués dans la variation de caractères complexes affectés par le déficit hydrique chez le maïs.Nous avons tout d’abord identifié des transcrits et des protéines, dont la teneur variait entre deux mélanges de lignées recombinantes différant pour une région chromosomique influençant la croissance foliaire et la protandrie en condition de déficit hydrique. Parmi les huit gènes candidats cartographiés au niveau de la région d’intérêt, se trouvait le facteur de transcription ZmMYB31 impliqué dans la biosynthèse de la lignine. Nous avons montré que son expression était corrélée à celle de deux de ses cibles, à la teneur en lignine et à l’expression du gène ZmFatA impliqué dans la biosynthèse des acides gras, suggérant un rôle régulateur de la protéine ZmMYB31 via la synthèse de lignine et de dérivés lipidiques.Dans un second volet, nous avons montré que la sur-expression du gène candidat ZmASR1 (ZmASR1-OE) chez le maïs maintenait le rendement en condition de déficit hydrique. Des analyses transcriptomiques et protéomiques nous ont permis d’identifier 25 cibles de la protéine ZmASR1, dont sept gènes impliqués dans la biosynthèse des acides aminés branchés. Nous avons également montré qu’il existait une étroite corrélation entre 13 métabolites diminués par ZmASR1-OE, six étant connus pour être négativement corrélés à la biomasse. Enfin, des résidus phosphorylés ont été identifiés chez les protéines ZmASR1, ZmASR2 et ZmASR3, suggérant leur régulation par phosphorylation.

Maize is particularly sensitive to water deficit at reproductive stages. As such, identification of factors that confer tolerance to water deficit would pave the way for increasing agricultural productivity. The aim of this work was to identify and make up the functional characterization of candidate genes for water deficit tolerance in maize.Firstly, transcriptomic and proteomic analyses of bulked recombinant inbred lines revealed eight differentially expressed genes colocating with a chromosomal region exhibiting two QTLs for leaf growth and anthesis-silking interval sensitivities to water deficit. Among them, we identified the transcription factor ZmMYB31 gene involved in the control of lignin biosynthesis. The expression of ZmMYB31 was correlated with that of its targets genes ZmCOMT and ZmFAD9, as well as ZmFatA involved in fatty acid biosynthesis. Changes in lignin and fatty acid content allowed us to hypothesis a regulatory role of ZmMYB31 via lignin and fatty acid-derived metabolites.Secondly, we showed that transgenic maize plants overexpressing the candidate gene ZmASR1 (ZmASR1-OE) maintained kernel yield under water deficit condition in the field. Transcriptomic and proteomic analyses of ZmASR1-OE leaves allowed us to identify 25 direct or indirect target genes of ZmASR1, in particular seven genes involved in branched-chain amino acid (BCAA) biosynthesis. We also showed a tight correlation between the level of 13 decreased metabolites in ZmASR1-OE leaves, 6 of which being previously shown to be negatively correlated to biomass. Phosphoresidues were also found in ZmASR1, ZmASR2 and ZmASR3, suggesting that these proteins are regulated by phosphorylation.