Etude de la communication entre embryon et albumen dans le grain de maïs par technologie CRISPR-Cas9

Study of communication between embryo and endosperm in the maize seed using CRISPR-Cas9 technology

• Auteur / Autrice : Yannick Fierlej
• Direction : Peter Rogowsky
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 20/01/2022
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de Biologie Moléculaire Intégrative et Cellulaire (Lyon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École normale supérieure de Lyon (2010-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Reproduction et Développement des Plantes (Lyon ; 1993-....)
• Jury : Président / Présidente : Anne-Aliénor Very
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Peter Rogowsky, Anne-Aliénor Very, Jean-Denis Faure, Michel Hernould, Sylvie Coursol, Thomas Widiez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Denis Faure, Michel Hernould

Mots clés

Mots clés contrôlés

Maïs -- Amélioration génétique

Mots clés libres

Maïs

Communication

Graine

Embryon

CRISPR-Cas9

Albumen

Maize

Communication

Seed

Embryo

CRISPR-Cas9

Endosperm

Résumé

Le maïs est un pilier de l’agriculture moderne principalement utilisé pour l’alimentation animale et humaine et dont la graine est convoitée pour ses valeurs nutritionnelles. Le grain de maïs comporte deux compartiments filiaux : l’embryon (future plante) et l’albumen (compartiment de réserve) qui doivent croître de manière coordonnée via une communication active à leur interface. Les couches cellulaires de l’albumen amylacée au contact de l’embryon constituent un sous-domaine de l’albumen appelé EAS (Endosperm Adjacent to Scutellum). Pour élucider le rôle de ce sous-domaine, des transporteurs de sucres (Sugars Will Eventually be Exported Transporters - SWEETs) et d’acides aminés (Usually Multiple Acids Move In and out Transporters - UMAMITs), préférentiellement exprimés dans l’EAS, ont été mutés par la technologie CRISPR/Cas9 (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR associated protein 9). Les mutants montrent des perturbations dans les teneurs en sucres et acides aminés de l’embryon, l’EAS et l’albumen. Par ailleurs, chez les plantes sauvages, l’EAS possède une identité métabolique propre (teneur en sucres). La dynamique de l’EAS a été abordée grâce à des méthodes génétiques et cytologiques. La zone EAS s'agrandit en accompagnant le développement de l’embryon, comme illustré par l’expression d’un gène marqueur de l’EAS au cours du temps grâce au gène rapporteur GUS. La mort des cellules les plus proches de l'embryon provoque une accumulation de parois cellulaires dans l’EAS, qui a été documentée par marquage des parois au calcofluor et des observations en microscopie électronique. Enfin, pour faciliter les travaux en génomique fonctionnelle, un système de validation des constructions CRISPR/Cas9 en protoplastes (cellules isolées) de maïs a été mis au point.

Maize is a pillar of modern agriculture primarily used for food and feed due to the nutritional value of its seed. The maize seed bears two filial compartments: the embryo (future plant) and the endosperm (nutritive tissue) that grow in a coordinated fashion through active communication at their interface. The starchy endosperm cell layers in contact with the embryo form an endosperm sub-domain called EAS (Endosperm Adjacent to Scutellum). To uncover the role of this sub-domain, sugar (Sugars Will Eventually be Exported Transporters - SWEETs) and amino acid (Usually Multiple Acids Move In and out Transporters - UMAMITs) transporters, preferentially expressed in the EAS, were mutated with CRISPR/Cas9 technology (Clustered Regularly Interspaced Short Palindromic Repeats/CRISPR associated protein 9). Mutants exhibit disturbed sugar and amino acid contents in the embryo, EAS and endosperm. Furthermore, in wild type plants, the EAS has a distinct metabolic identity (sugar contents). The dynamics of the EAS have been addressed with genetic and cytologic tools. The EAS grows in the same proportions as the embryo as shown by the expression of an EAS marker gene over time using the GUS reporter gene. The death of the cells closest to the embryo generates an accumulation of cell wall material in the EAS which has been documented by calcofluor staining and electron microscopy. Finally, in order to facilitate functional genomics work, a validation system for CRISPR/Cas9 constructs was set up in maize protoplasts (isolated cells).