The plant ovule omics : an integrative approach for pollen−pistil interactions and pollen tube guidance studies in solanaceous species

Chez les plantes à fleurs, l’ovaire est l’organe reproducteur femelle et il interagit de façon importante avec les gamètes mâles durant la croissance, le guidage, la réception et la rupture du tube pollinique ainsi que la fusion des gamètes. Le processus débute lorsque de nombreux gènes de l’ovule sont activés à longue distance lors de la réception du pollen sur le stigmate. Afin d’explorer les signaux provenant de l’ovule ayant un impact important sur les interactions pollen–pistil, particulièrement les molécules sécrétées impliquées dans la signalisation espècespécifique, l’expression génique des ovules sous forme d’ARNm ainsi et la sécrétion protéique ont été étudiées chez Solanum chacoense, une espèce diploïde de pomme de terre sauvage. S. chacoense a subi beaucoup d’hybridation interspécifique avec d’autres espèces sympathiques de solanacées, facilitant ainsi grandement l’étude des interactions pollen–ovule de façon espècespécifique ainsi que leur évolution. Dans ce projet, des ovules provenant de trois conditions différentes ont été comparés: des ovules matures de type sauvage, des ovules légèrement immatures, récoltés deux jours avant l’anthèse et des ovules provenant du mutant frk1 pour lesquels le sac embryonnaire est absent. Un séquençage d’ARN à haut débit a d’abord été effectué sur les ovules de type sauvage de S. chacoense afin de générer un assemblage de référence comprenant 33852 séquences codantes. D’autres séquençages ont été effectués sur les trois conditions d’ovules et sur les feuilles afin de faire une analyse d’expression différentielle des gènes. En comparaison avec les ovules de type sauvage, 818 gènes sont réprimés dans les ovules du mutant frk1. Un sous-groupe de 284 gènes, étaient également sous-exprimés dans les ovules légèrement immatures, suggérant un rôle spécifique dans les stades tardifs de la maturation du sac embryonnaire (stade de développent FG6 à FG7) ainsi que du guidage du tube pollinique, puisque ni les ovules du mutant frk1 ni ceux légèrement immatures ne sont capables d’attirer les tubes polliniques lors d’essais de croissance semi in vivo. De plus, 21% de ces gènes sont des peptides riches en cystéines (CRPs). En utilisant un transcriptome assemblé de novo provenant de deux proches parents de S. chacoense, S. gandarillasii et S. tarijense, une analyse d’orthologie a été effectuée sur ces CRPs, révélant une grande variabilité et une évolution rapide chez les solanacées. De nouveaux motifs de cystéine uniques à cette famille ont également été découverts. En comparant avec des études similaires chez Arabidopsis, le sac embryonnaire de S. chacoense montre un transcriptome fortement divergent, particulièrement en en ce qui a trait à la catégorisation fonctionnelle des gènes et de la similarité entre les gènes orthologues. De plus,même si la glycosylation n’est pas requise lors du guidage mycropylaire du tube pollinique chez Arabidopsis, Torenia ou le maïs, des extraits d’ovules glycosylés de S. chacoense sont capables d’augmenter la capacité de guidage de 18%. Cette étude est donc la première à montrer une corrélation entre glycosylation et le guidage du tube pollinique par l’ovule. En complément à l’approche transcriptomique, une approche protéomique portant sur les protéine sécrétées par l’ovule (le secrétome) a été utilisée afin d’identifier des protéines impliquées dans l’interaction entre ovule et tube pollinique. Des exsudats d’ovules matures (capables d’attirer le tube pollinique) et d’ovules immatures (incapables d’attirer le tube pollinique) ont été récoltés en utilisant une nouvelle méthode d’extraction par gravité permettant de réduire efficacement les contaminants cytosoliques à moins de 1% de l’échantillon. Un total de 305 protéines sécrétées par les ovules (OSPs) ont été identifiées par spectrométrie de masse, parmi lesquelles 58% étaient spécifiques aux ovules lorsque comparées avec des données de protéines sécrétées par des tissus végétatifs. De plus, la sécrétion de 128 OSPs est augmentée dans les ovules matures par rapport aux ovules immatures. Ces 128 protéines sont donc considérées en tant que candidates potentiellement impliquées dans la maturation tardive de l’ovule et dans le guidage du tube pollinique. Cette étude a également montré que la maturation du sac embryonnaire du stade FG6 au stade FG7 influence le niveau de sécrétion de 44% du sécrétome total de l’ovule. De façon surprenante, la grande majorité (83%) de ces protéines n’est pas régulée au niveau de l’ARN, soulignant ainsi l’importance de cette approche dans l’étude du guidage du tube pollinique comme complément essentiel aux études transcriptomiques. Parmi tous les signaux sécrétés par l’ovule et reliés au guidage, obtenus à partir des approches transcriptomiques et protéomiques décrites ci-haut, nous avons spécifiquement évalué l’implication des CRPs dans le guidage du tube pollinique par l’ovule chez S. chacoense, vu l’implication de ce type de protéine dans les interactions pollen-pistil et le guidage du tube pollinique chez d’autres espèces. Au total, 28 CRPs étaient présentes dans les ovules capables d’attirer le tube pollinique tout en étant absentes dans les ovules incapables de l’attirer, et ce, soit au niveau de l’ARNm et/ou au niveau du sécrétome. De celles-ci, 17 CRPs ont été exprimées dans un système bactérien et purifiées en quantité suffisante pour tester le guidage. Alors que des exsudats d’ovules ont été utilisés avec succès pour attirer par chimiotactisme le tube pollinique, les candidats exprimés dans les bactéries n’ont quant à eux pas été capables d’attirer les tubes polliniques. Comme l’utilisation de systèmes d’expression hétérologue eucaryote peut permettre un meilleur repliement et une plus grande activité des protéines, les candidats restants seront de nouveau exprimés, cette fois dans un système de levure ainsi que dans un système végétal pour produire les peptides sécrétés. Ceux-ci seront ensuite utilisés lors d’essais fonctionnels pour évaluer leur capacité à guider les tubes polliniques et ainsi isoler les attractants chimiques responsable du guidage du tube pollinique chez les solanacées comme S. chacoense.

Projecte Pol·len: Girona, ciutat llavor de la ciència

Del 12 al 15 de maig va tenir lloc a la Facultat d'Educació i Psicologia la celebració del seminari del projecte europeu d'educació científica “Pol·len: Ciutats llavor de ciència”, organitzat entre d'altres, pel Grup de Recerca en Educació Científica i Ambiental del Departament de Didàctiques Específiques

Les Didàctiques específiques en context: un valuós potencial per crear xarxes d’aprenentatge més enllà de les aules universitàries. El cas del projecte Pol·len a la ciutat de Girona

L’experiència que presentem és un exemple del potencial que tenen les didàctiques específiques per desenvolupar i treballar competències generals i específiques dels mestres en educació infantil i primària

Decomposition in soil and chemical characteristics of pollen

The input to soils made by pollen and its subsequent mineralization has rarely been investigated from a soil microbiological point of view even though the small but significant quantities of C and N in pollen may make an important contribution to nutrient cycling. The relative resistance to decomposition of pollen exines (outer layers) has led to much of the focus of pollen in soil being on its preservation for archaeological and palaeo-ecological purposes. We have examined aspects of the chemical composition and decomposition of pollen from birch (Betula alba) and maize (Zea mays) in soil. The relatively large N contents, small C-to-N ratios and large water-soluble contents of pollen from both species indicated that they would be readily mineralized in soil. When added to soil and incubated at 16 degrees C an amount of C equivalent to 22-26% of the added pollen C was lost as CO2 within 22 days, with the Z. mays pollen decomposing faster. For B. alba pollen, the water-soluble fraction decomposed faster than the whole pollen and the insoluble fraction decomposed more slowly over 22 days. By contrast, there were no significant differences in the decomposition rates of the different fractions from Z. mays pollen. Solid-state C-13 nuclear magnetic resonance (NMR) revealed no gross chemical differences between the pollen of these two species, with strong resonances in the alkyl- and methyl-C region (0-45 p.p.m.) indicative of aliphatic compounds, the O-alkyl-C (60-90 p.p.m.) and the acetal- and ketal-C region (90-110 p.p.m.) indicative of polysaccharides, and the carbonyl-C region indicative of peptides and carboxylic acids. In addition, both pollens gave a small but distinct resonance at 55 p.p.m. attributed to N-alkyl-C. The resonances attributed to polysaccharides were lost completely or substantially reduced after decomposition.

Seasonality of modern pollen and sediment deposition in an estuarine context: the Severn Estuary Levels, southwest England

Recent sedimentological and palynological research on subfossil Holocene banded sediments from the Severn Estuary Levels suggested seasonality of deposition, registered by variations in mineral grain-size and pollen assemblages between different parts of the bands. Here we provide data that strengthen this interpretation from sampling of modern sediments and pollen deposition on an active mudflat and saltmarsh on the margin of the Severn Estuary, and comparison with a vegetation survey and contemporary records of climate, river and tidal regimes. The results of grain-size analysis indicate deposition of comparatively coarse-grained silts during the relatively cool and windy conditions of winter and comparatively fine-grained sediments during relatively warm and calm summer months. Pollen analysis demonstrates the significance of long-term storage of pollen grains and fern spores in the estuarine waterbody, superimposed on which seasonal variations in pollen inputs from local and regional vegetation remain detectable. Copyright (C) 2007 John Wiley & Sons, Ltd.

Patterns of pollen and seed dispersal in a small, fragmented population of the wind-pollinated tree Araucaria angustifolia in southern Brazil

Paternity analysis based on eight microsatellite loci was used to investigate pollen and seed dispersal patterns of the dioecious wind- pollinated tree, Araucaria angustifolia. The study sites were a 5.4 ha isolated forest fragment and a small tree group situated 1.7 km away, located in Paran alpha State, Brazil. In the forest fragment, 121 males, 99 females, 66 seedlings and 92 juveniles were mapped and genotyped, together with 210 seeds. In the tree group, nine male and two female adults were mapped and genotyped, together with 20 seeds. Paternity analysis within the forest fragment indicated that at least 4% of the seeds, 3% of the seedlings and 7% of the juveniles were fertilized by pollen from trees in the adjacent group, and 6% of the seeds were fertilized by pollen from trees outside these stands. The average pollination distance within the forest fragment was 83 m; when the tree group was included the pollination distance was 2006m. The average number of effective pollen donors was estimated as 12.6. Mother- trees within the fragment could be assigned to all seedlings and juveniles, suggesting an absence of seed immigration. The distance of seedlings and juveniles from their assigned mother- trees ranged from 0.35 to 291m ( with an average of 83m). Significant spatial genetic structure among adult trees, seedlings, and juveniles was detected up to 50m, indicating seed dispersal over a short distance. The effective pollination neighborhood ranged from 0.4 to 3.3 ha. The results suggest that seed dispersal is restricted but that there is longdistance pollen dispersal between the forest fragment and the tree group; thus, the two stands of trees are not isolated.

Holocene vegetation dynamics in the northeastern Rub' al-Khali desert, Arabian Peninsula: a phytolith, pollen and carbon isotope study

The Holocene vegetation history of the Arabian Peninsula is poorly understood, with few palaeobotanical studies to date. At Awafi, Ras al-Khaimah, UAE, a 3.3 m lake sediment sequence records the vegetation development for the period 8500 cal. yr BP to similar to3000 cal. yr BP. delta(13)C isotope, pollen and phytolith analyses indicate that C3 Pooid grassland with a strong woody element existed during the early Holocene (between 8500 and 6000 cal. yr BP) and became replaced by mixed C3 and C4 grasses with a strong C4 Panicoid tall grass element between 5900 and 5400 cal. yr BP. An intense, arid event Occurred at 4100 cal. yr BP when the lake desiccated and was infilled by Aeolian sand. From 4100 cal. yr BP the vegetation was dominated by C4 Chloridoid types and Cyperaceae, suggesting an incomplete vegetation cover and Aeolian dune reactivation owing to increased regional aridity. These data outline the ecosystem dynamics and carbon cycling in response to palaeomon-soon and north-westerly variability during the Holocene. Copyright (C) 2004 John Wiley Sons, Ltd.

Decomposition in soil and chemical characteristics of pollen

The input to soils made by pollen and its subsequent mineralization has rarely been investigated from a soil microbiological point of view even though the small but significant quantities of C and N in pollen may make an important contribution to nutrient cycling. The relative resistance to decomposition of pollen exines (outer layers) has led to much of the focus of pollen in soil being on its preservation for archaeological and palaeo-ecological purposes. We have examined aspects of the chemical composition and decomposition of pollen from birch (Betula alba) and maize (Zea mays) in soil. The relatively large N contents, small C-to-N ratios and large water-soluble contents of pollen from both species indicated that they would be readily mineralized in soil. When added to soil and incubated at 16 degrees C an amount of C equivalent to 22-26% of the added pollen C was lost as CO2 within 22 days, with the Z. mays pollen decomposing faster. For B. alba pollen, the water-soluble fraction decomposed faster than the whole pollen and the insoluble fraction decomposed more slowly over 22 days. By contrast, there were no significant differences in the decomposition rates of the different fractions from Z. mays pollen. Solid-state C-13 nuclear magnetic resonance (NMR) revealed no gross chemical differences between the pollen of these two species, with strong resonances in the alkyl- and methyl-C region (0-45 p.p.m.) indicative of aliphatic compounds, the O-alkyl-C (60-90 p.p.m.) and the acetal- and ketal-C region (90-110 p.p.m.) indicative of polysaccharides, and the carbonyl-C region indicative of peptides and carboxylic acids. In addition, both pollens gave a small but distinct resonance at 55 p.p.m. attributed to N-alkyl-C. The resonances attributed to polysaccharides were lost completely or substantially reduced after decomposition.

Cone model-based SEP event calculations for applications to multipoint observations

The problem of modeling solar energetic particle (SEP) events is important to both space weather research and forecasting, and yet it has seen relatively little progress. Most important SEP events are associated with coronal mass ejections (CMEs) that drive coronal and interplanetary shocks. These shocks can continuously produce accelerated particles from the ambient medium to well beyond 1 AU. This paper describes an effort to model real SEP events using a Center for Integrated Space weather Modeling (CISM) MHD solar wind simulation including a cone model of CMEs to initiate the related shocks. In addition to providing observation-inspired shock geometry and characteristics, this MHD simulation describes the time-dependent observer field line connections to the shock source. As a first approximation, we assume a shock jump-parameterized source strength and spectrum, and that scatter-free transport occurs outside of the shock source, thus emphasizing the role the shock evolution plays in determining the modeled SEP event profile. Three halo CME events on May 12, 1997, November 4, 1997 and December 13, 2006 are used to test the modeling approach. While challenges arise in the identification and characterization of the shocks in the MHD model results, this approach illustrates the importance to SEP event modeling of globally simulating the underlying heliospheric event. The results also suggest the potential utility of such a model for forcasting and for interpretation of separated multipoint measurements such as those expected from the STEREO mission.