Identification et caractérisation de facteurs impliqués dans la réplication et la stabilité des génomes des organelles de plantes

Comparativement au génome contenu dans le noyau de la cellule de plante, nos connaissances des génomes des deux organelles de cette cellule, soit le plastide et la mitochondrie, sont encore très limitées. En effet, un nombre très restreint de facteurs impliqués dans la réplication et la réparation de l’ADN de ces compartiments ont été identifiés à ce jour. Au cours de notre étude, nous avons démontré l’implication de la famille de protéines Whirly dans le maintien de la stabilité des génomes des organelles. Des plantes mutantes pour des gènes Whirly chez Arabidopsis thaliana et Zea mays montrent en effet une augmentation du nombre de molécules d’ADN réarrangées dans les plastides. Ces nouvelles molécules sont le résultat d’une forme de recombinaison illégitime nommée microhomology-mediated break-induced replication qui, en temps normal, se produit rarement dans le plastide. Chez un mutant d’Arabidopsis ne possédant plus de protéines Whirly dans les plastides, ces molécules d’ADN peuvent même être amplifiées jusqu’à cinquante fois par rapport au niveau de l’ADN sauvage et causer un phénotype de variégation. L’étude des mutants des gènes Whirly a mené à la mise au point d’un test de sensibilité à un antibiotique, la ciprofloxacine, qui cause des bris double brin spécifiquement au niveau de l’ADN des organelles. Le mutant d’Arabidopsis ne contenant plus de protéines Whirly dans les plastides est plus sensible à ce stress que la plante sauvage. L’agent chimique induit en effet une augmentation du nombre de réarrangements dans le génome du plastide. Bien qu’un autre mutant ne possédant plus de protéines Whirly dans les mitochondries ne soit pas plus sensible à la ciprofloxacine, on retrouve néanmoins plus de réarrangements dans son ADN mitochondrial que dans celui de la plante sauvage. Ces résultats suggèrent donc une implication pour les protéines Whirly dans la réparation des bris double brin de l’ADN des organelles de plantes. Notre étude de la stabilité des génomes des organelles a ensuite conduit à la famille des protéines homologues des polymérases de l’ADN de type I bactérienne. Plusieurs groupes ont en effet suggéré que ces enzymes étaient responsables de la synthèse de l’ADN dans les plastides et les mitochondries. Nous avons apporté la preuve génétique de ce lien grâce à des mutants des deux gènes PolI d’Arabidopsis, qui encodent des protéines hautement similaires. La mutation simultanée des deux gènes est létale et les simples mutants possèdent moins d’ADN dans les organelles des plantes en bas âge, confirmant leur implication dans la réplication de l’ADN. De plus, les mutants du gène PolIB, mais non ceux de PolIA, sont hypersensibles à la ciprofloxacine, suggérant une fonction dans la réparation des bris de l’ADN. En accord avec ce résultat, la mutation combinée du gène PolIB et des gènes des protéines Whirly du plastide produit des plantes avec un phénotype très sévère. En définitive, l’identification de deux nouveaux facteurs impliqués dans le métabolisme de l’ADN des organelles nous permet de proposer un modèle simple pour le maintien de ces deux génomes.

Implication des protéines RECA dans le maintien de la stabilité du génome des chloroplastes d’Arabidopsis thaliana.

La stabilité génomique des organelles de plantes suscite un grand intérêt dans le domaine de la biologie végétale. En effet, plusieurs études récentes suggèrent que ce type d’instabilité génomique pourrait mener à l’isolation de traits intéressants en l’agronomie. Plusieurs protéines sont d’ailleurs déjà été identifiés comme étant impliqués dans le maintien de la stabilité de ces génomes, tels que MSH1, la famille des POLI, OSB1, les protéines Whirly et les Recombinases A (RECA). Le génome nucléaire d’Arabidopsis thaliana encode trois protéines s’apparentant à la Recombinase A bactérienne et qui sont ciblées à la mitochondrie et/ou au chloroplaste, soit RECA1, RECA2 et RECA3. Globalement, ces gènes partagent une similarité de séquence de 61% avec leur homologue bactérien chez Escherichia coli. Chez les bactéries ces protéines jouent un rôle essentiel dans la recombinaison homologue et sont impliquées dans la réparation de l’ADN. Chez Arabidopsis, il a été démontré que RECA2 et RECA3 sont nécessaires au maintien de l’intégrité du génome mitochondriale. Toutefois leur contribution à la stabilité du génome chloroplastique ainsi que le rôle de RECA1 restent obscures. Le but de ce projet est donc de déterminer la contribution éventuelle des protéines RECA d’Arabidopsis dans la réparation de l’ADN chloroplastique et plus précisément le rôle du gène RECA1. Nous énonçons l’hypothèse que les RECA de plantes se comportent effectivement comme leurs orthologues bactériens en étant impliqués dans la recombinaison homologue. Dans le cadre de ce projet, nous avons tenté d’isoler des lignées mutantes pour chacun des gènes RECA d’Arabidopsis. En somme, nous avons pu obtenir des lignées convenables pour notre étude que dans le cas du gène RECA1. Ces lignées ont été utilisées pour évaluer la contribution de ce gène à la stabilité du génome du chloroplaste. Ensuite, pour étudier la relation épistatique des gènes RECA1, WHY1 et WHY3, un croisement des différentes lignées mutantes pour ces gènes a été réalisé. Nous avons ensuite étudié la sensibilité de toutes ces lignées mutantes à la ciprofloxacine, un agent causant des bris double brin exclusivement dans les organelles de plantes. Finalement, iii nous avons testé la présence de réarrangements dans le génome du chloroplaste en condition normal ou en présence de stress génotoxique. Nos résultats démontrent que les protéines Whirly et RECA1 sont impliquées dans deux voies de réparation de l’ADN différentes et que les Whirly sont suffisantes pour s’occuper des bris d’ADN double brin en l’absence de RECA1. Nous démontrons également que l’absence de Whirly et RECA1 entraine une forte augmentation de la quantité de réarrangements dans le génome du chloroplaste. De plus nous proposons que la polymérase POLIB est impliquée dans la même voie de réparation que RECA1. Finalement nous proposons un modèle pour expliquer nos résultats et impliquons RECA1 dans un mécanisme de réparation d’ADN et aussi un rôle potentiel dans la réplication.

Impacts des réarrangements génomiques chloroplastiques sur l'apparition des phénotypes de variégation chez Arabidopsis thaliana

Contrairement à la plupart des eucaryotes non-photosynthétiques, les végétaux doivent assurer la stabilité d’un génome additionnel contenu dans le plastide, un organite d’origine endosymbiotique. Malgré la taille modeste de ce génome et le faible nombre de gènes qu’il encode, celui-ci est absolument essentiel au processus de photosynthèse. Pourtant, même si ce génome est d’une importance cruciale pour le développement de la plante, les principales menaces à son intégrité, ainsi que les conséquences d’une déstabilisation généralisée de sa séquence d’ADN, demeurent largement inconnues. Dans l’objectif d’élucider les conséquences de l’instabilité génomique chloroplastique, nous avons utilisé le mutant why1why3polIb d’Arabidopsis thaliana, qui présente d’importants niveaux de réarrangements génomiques chloroplastiques, ainsi que la ciprofloxacine, un composé induisant des brisures double-brins dans l’ADN des organites. Ceci nous a permis d’établir qu’une quantité importante de réarrangements génomiques provoque une déstabilisation de la chaîne de transport des électrons photosynthétique et un grave stress oxydatif associé au processus de photosynthèse. Étonnamment, chez why1why3polIb, ces hautes concentrations d’espèces oxygénées réactives ne mènent ni à la perte de fonction des chloroplastes affectés, ni à la mort cellulaire des tissus. Bien au contraire, ce déséquilibre rédox semble être à l’origine d’une reprogrammation génique nucléaire permettant de faire face à ce stress photosynthétique et conférant une tolérance aux stress oxydatifs subséquents. Grâce à une nouvelle méthode d’analyse des données de séquençage de nouvelle génération, nous montrons également qu’un type particulier d’instabilité génomique, demeuré peu caractérisé jusqu’à maintenant, constitue une des principales menaces au maintien de l’intégrité génomique des organites, et ce, tant chez Arabidopsis que chez l’humain. Ce type d’instabilité génomique est dénommé réarrangement de type U-turn et est vraisemblablement associé au processus de réplication. Par une approche génétique, nous démontrons que les protéines chloroplastiques WHY1, WHY3 et RECA1 empêchent la formation de ce type d’instabilité génomique, probablement en favorisant la stabilisation et le redémarrage des fourches de réplication bloquées. Une forte accumulation de réarrangements de type U-turn semble d’ailleurs être à l’origine d’un sévère trouble développemental chez le mutant why1why3reca1. Ceci soulève de nombreuses questions quant à l’implication de ce type d’instabilité génomique dans de nombreux troubles et pathologies possédant une composante mitochondriale.

Le maintien de la stabilité génomique du plastide : un petit génome d’une grande importance

Chez les plantes, le génome plastidique est continuellement exposé à divers stress mutagènes, tels l’oxydation des bases et le blocage des fourches de réplication. Étonnamment, malgré ces menaces, le génome du plastide est reconnu pour être très stable, sa stabilité dépassant même celle du génome nucléaire. Néanmoins, les mécanismes de réparation de l’ADN et du maintien de la stabilité du génome plastidique sont encore peu connus. Afin de mieux comprendre ces processus, nous avons développé une approche, basée sur l’emploi de la ciprofloxacine, qui nous permet d’induire des bris d’ADN double-brins (DSBs) spécifiquement dans le génome des organelles. En criblant, à l’aide de ce composé, une collection de mutants d’Arabidopsis thaliana déficients pour des protéines du nucléoïde du plastide, nous avons identifié 16 gènes vraisemblablement impliqués dans le maintien de la stabilité génomique de cette organelle. Parmi ces gènes, ceux de la famille Whirly jouent un rôle primordial dans la protection du génome plastidique face aux réarrangements dépendants de séquences de microhomologie. Deux autres familles de gènes codant pour des protéines plastidiques, soit celle des polymérases de types-I et celle des recombinases, semblent davantage impliquées dans les mécanismes conservateurs de réparation des DSBs. Les relations épistatiques entre ces gènes et ceux des Whirly ont permis de définir les bases moléculaires des mécanismes de la réparation dépendante de microhomologies (MHMR) dans le plastide. Nous proposons également que ce type de mécanismes servirait en quelque sorte de roue de secours pour les mécanismes conservateurs de réparation. Finalement, un criblage non-biaisé, utilisant une collection de plus de 50,000 lignées mutantes d’Arabidopsis, a été réalisé. Ce criblage a permis d’établir un lien entre la stabilité génomique et le métabolisme des espèces réactives oxygénées (ROS). En effet, la plupart des gènes identifiés lors de ce criblage sont impliqués dans la photosynthèse et la détoxification des ROS. Globalement, notre étude a permis d’élargir notre compréhension des mécanismes du maintien de la stabilité génomique dans le plastide et de mieux comprendre l’importance de ces processus.

Production of haploids and doubled haploids in oil palm

Background: Oil palm is the world’s most productive oil-food crop despite yielding well below its theoretical maximum. This maximum could be approached with the introduction of elite F1 varieties. The development of such elite lines has thus far been prevented by difficulties in generating homozygous parental types for F1 generation. Results: Here we present the first high-throughput screen to identify spontaneously-formed haploid (H) and doubled haploid (DH) palms. We secured over 1,000 Hs and one DH from genetically diverse material and derived further DH/mixoploid palms from Hs using colchicine. We demonstrated viability of pollen from H plants and expect to generate 100% homogeneous F1 seed from intercrosses between DH/mixoploids once they develop female inflorescences. Conclusions: This study has generated genetically diverse H/DH palms from which parental clones can be selected in sufficient numbers to enable the commercial-scale breeding of F1 varieties. The anticipated step increase in productivity may help to relieve pressure to extend palm cultivation, and limit further expansion into biodiverse rainforest.

Root phenomics of crops: opportunities and challenges

Reliable techniques for screening large numbers of plants for root traits are still being developed, but include aeroponic, hydroponic and agar plate systems. Coupled with digital cameras and image analysis software, these systems permit the rapid measurement of root numbers, length and diameter in moderate ( typically <1000) numbers of plants. Usually such systems are employed with relatively small seedlings, and information is recorded in 2D. Recent developments in X-ray microtomography have facilitated 3D non-invasive measurement of small root systems grown in solid media, allowing angular distributions to be obtained in addition to numbers and length. However, because of the time taken to scan samples, only a small number can be screened (typically<10 per day, not including analysis time of the large spatial datasets generated) and, depending on sample size, limited resolution may mean that fine roots remain unresolved. Although agar plates allow differences between lines and genotypes to be discerned in young seedlings, the rank order may not be the same when the same materials are grown in solid media. For example, root length of dwarfing wheat ( Triticum aestivum L.) lines grown on agar plates was increased by similar to 40% relative to wild-type and semi-dwarfing lines, but in a sandy loam soil under well watered conditions it was decreased by 24-33%. Such differences in ranking suggest that significant soil environment-genotype interactions are occurring. Developments in instruments and software mean that a combination of high-throughput simple screens and more in-depth examination of root-soil interactions is becoming viable.

Quantifying the relationship between temperature regulation in the ear and floret development stage in wheat (Triticum aestivum L.) under heat and drought stress

Thermal imaging is a valuable tool for the elucidation of gas exchange dynamics between a plant and its environment. The presence of stomata in wheat glumes and awns offers an opportunity to assess photosynthetic activity of ears up to and during flowering. The knowledge of spatial and temporal thermodynamics of the wheat ear may provide insight into interactions between floret developmental stage (FDS), temperature depression (TD) and ambient environment, with potential to be used as a high-throughput screening tool for breeders. A controlled environment study was conducted using six spring wheat (Triticum aestivum L.) genotypes of the elite recombinant inbred line Seri/Babax. Average ear temperature (AET) was recorded using a hand held infrared camera and gas exchange was measured by enclosing ears in a custom built cuvette. FDS was monitored and recorded daily throughout the study. Plants were grown in pots and exposed to a combination of two temperature and two water regimes. In the examined wheat lines, TD varied from 0.1°C to 0.6°C according to the level of stress imposed. The results indicated that TD does not occur at FDS F3, the peak of active flowering, but during the preceding stages prior to pollen release and stigma maturity (F1-F2). These findings suggest that ear temperature during the early stages of anthesis, prior to pollen release and full extension of the stigma, are likely to be the most relevant for identifying heat stress tolerant genotypes.

The pgip family in soybean and three other legume species: evidence for a birth-and-death model of evolution

Background Polygalacturonase-inhibiting proteins (PGIPs) are leucine-rich repeat (LRR) plant cell wall glycoproteins involved in plant immunity. They are typically encoded by gene families with a small number of gene copies whose evolutionary origin has been poorly investigated. Here we report the complete characterization of the full complement of the pgip family in soybean (Glycine max [L.] Merr.) and the characterization of the genomic region surrounding the pgip family in four legume species. Results BAC clone and genome sequence analyses showed that the soybean genome contains two pgip loci. Each locus is composed of three clustered genes that are induced following infection with the fungal pathogen Sclerotinia sclerotiorum (Lib.) de Bary, and remnant sequences of pgip genes. The analyzed homeologous soybean genomic regions (about 126 Kb) that include the pgip loci are strongly conserved and this conservation extends also to the genomes of the legume species Phaseolus vulgaris L., Medicago truncatula Gaertn. and Cicer arietinum L., each containing a single pgip locus. Maximum likelihood-based gene trees suggest that the genes within the pgip clusters have independently undergone tandem duplication in each species. Conclusions The paleopolyploid soybean genome contains two pgip loci comprised in large and highly conserved duplicated regions, which are also conserved in bean, M. truncatula and C. arietinum. The genomic features of these legume pgip families suggest that the forces driving the evolution of pgip genes follow the birth-and-death model, similar to that proposed for the evolution of resistance (R) genes of NBS-LRR-type.

High night temperature induces contrasting responses for spikelet fertility, spikelet tissue temperature, flowering characteristics and grain quality in rice

Climate change is increasing night temperature (NT) more than day temperature (DT) in rice-growing areas. Effects of combinations of NT (24-35°C) from microsporogenesis to anthesis at one or more DT (30 or 35°C) at anthesis on rice spikelet fertility, temperature within spikelets, flowering pattern, grain weight per panicle, amylose content and gel consistency were investigated in contrasting rice cultivars under controlled environments. Cultivars differed in spikelet fertility response to high NT, with higher fertility associated with cooler spikelets (P < 0.01). Flowering dynamics were altered by high NT and a novel high temperature tolerance complementary mechanism, shorter flower open duration in cv. N22, was identified. High NT reduced spikelet fertility, grain weight per panicle, amylose content and gel consistency, whereas high DT reduced only gel consistency. Night temperature >27°C was estimated to reduce grain weight. Generally, high NT was more damaging to grain weight and selected grain quality traits than high DT, with little or no interaction between them. The critical tolerance and escape traits identified, i.e. spikelet cooling, relatively high spikelet fertility, earlier start and peak time of anthesis and shorter spikelet anthesis duration can aid plant breeding programs targeting resilience in warmer climates.

Proteomic analysis of Artemisia annua – towards elucidating the biosynthetic pathways of the antimalarial pro-drug artemisinin

Background: MS-based proteomics was applied to the analysis of the medicinal plant Artemisia annua, exploiting a recently published contig sequence database (Graham et al. (2010) Science 327, 328–331) and other genomic and proteomic sequence databases for comparison. A. annua is the predominant natural source of artemisinin, the precursor for artemisinin-based combination therapies (ACTs), which are the WHO-recommended treatment for P. falciparum malaria. Results: The comparison of various databases containing A. annua sequences (NCBInr/viridiplantae, UniProt/ viridiplantae, UniProt/A. annua, an A. annua trichome Trinity contig database, the above contig database and another A. annua EST database) revealed significant differences in respect of their suitability for proteomic analysis, showing that an organism-specific database that has undergone extensive curation, leading to longer contig sequences, can greatly increase the number of true positive protein identifications, while reducing the number of false positives. Compared to previously published data an order-of-magnitude more proteins have been identified from trichome-enriched A. annua samples, including proteins which are known to be involved in the biosynthesis of artemisinin, as well as other highly abundant proteins, which suggest additional enzymatic processes occurring within the trichomes that are important for the biosynthesis of artemisinin. Conclusions: The newly gained information allows for the possibility of an enzymatic pathway, utilizing peroxidases, for the less well understood final stages of artemisinin’s biosynthesis, as an alternative to the known non-enzymatic in vitro conversion of dihydroartemisinic acid to artemisinin. Data are available via ProteomeXchange with identifier PXD000703.

Root distributions of Australian herbaceous perennial legumes in response to phosphorus placement

Many Australian plant species have specific root adaptations for growth in phosphorus-impoverished soils, and are often sensitive to high external P concentrations. The growth responses of native Australian legumes in agricultural soils with elevated P availability in the surface horizons are unknown. The aim of these experiments was to test the hypothesis that increased P concentration in surface soil would reduce root proliferation at depth in native legumes. The effect of P placement on root distribution was assessed for two Australian legumes, Kennedia prorepens F. Muell. and Lotus australis Andrews, and the exotic Medicago sativa L. Three treatments were established in a low-P loam soil: amendment of 0.15 g mono-calcium phosphate in either (i) the top 50 mm (120 µg P g–1) or (ii) the top 500 mm (12 µg P g–1) of soil, and an unamended control. In the unamended soil M. sativa was shallow rooted, with 58% of the root length of in the top 50 mm. K. prorepens and L. australis had a more even distribution down the pot length, with only 4 and 22% of their roots in the 0–50 mm pot section, respectively. When exposed to amendment of P in the top 50 mm, root length in the top 50 mm increased 4-fold for K. prorepens and 10-fold for M. sativa, although the pattern of root distribution did not change for M. sativa. L. australis was relatively unresponsive to P additions and had an even distribution of roots down the pot. Shoot P concentrations differed according to species but not treatment (K. prorepens 2.1 mg g–1, L. australis 2.4 mg g–1, M. sativa 3.2 mg g–1). Total shoot P content was higher for K. prorepens than for the other species in all treatments. In a second experiment, mono-ester phosphatases were analysed from 1-mm slices of soil collected directly adjacent to the rhizosphere. All species exuded phosphatases into the rhizosphere, but addition of P to soil reduced phosphatase activity only for K. prorepens. Overall, high P concentration in the surface soil altered root distribution, but did not reduce root proliferation at depth. Furthermore, the Australian herbaceous perennial legumes had root distributions that enhanced P acquisition from low-P soils.

Analysis of the genetic diversity and structure across a wide range of germplasm reveals prominent gene flow in apple at the European level

Abstract Background: The amount and structure of genetic diversity in dessert apple germplasm conserved at a European level is mostly unknown, since all diversity studies conducted in Europe until now have been performed on regional or national collections. Here, we applied a common set of 16 SSR markers to genotype more than 2,400 accessions across 14 collections representing three broad European geographic regions (North+East, West and South) with the aim to analyze the extent, distribution and structure of variation in the apple genetic resources in Europe. Results: A Bayesian model-based clustering approach showed that diversity was organized in three groups, although these were only moderately differentiated (FST=0.031). A nested Bayesian clustering approach allowed identification of subgroups which revealed internal patterns of substructure within the groups, allowing a finer delineation of the variation into eight subgroups (FST=0.044). The first level of stratification revealed an asymmetric division of the germplasm among the three groups, and a clear association was found with the geographical regions of origin of the cultivars. The substructure revealed clear partitioning of genetic groups among countries, but also interesting associations between subgroups and breeding purposes of recent cultivars or particular usage such as cider production. Additional parentage analyses allowed us to identify both putative parents of more than 40 old and/or local cultivars giving interesting insights in the pedigree of some emblematic cultivars. Conclusions: The variation found at group and sub-group levels may reflect a combination of historical processes of migration/selection and adaptive factors to diverse agricultural environments that, together with genetic drift, have resulted in extensive genetic variation but limited population structure. The European dessert apple germplasm represents an important source of genetic diversity with a strong historical and patrimonial value. The present work thus constitutes a decisive step in the field of conservation genetics. Moreover, the obtained data can be used for defining a European apple core collection useful for further identification of genomic regions associated with commercially important horticultural traits in apple through genome-wide association studies.

The role of TaABF1 in abscisic acid-mediated suppression of -amylase gene expression in cereal grains

The phytohormones gibberellin (GA) and abscisic acid (ABA) regulate important developments events in germinating seeds. Specifically, GA induces the expression of hyrolase genes, like the α-amylase gene Amy32b, which mobilizes starch reserves to be used by the embryo, and ABA suppresses this induction. Recent advancements identified ABA and GA receptors and key components in the signaling pathways, however, the mechanism of crosstalk between the hormones remains largely unknown. To further elucidate the mechanism of ABA suppression of GA-induced genes, we focused on the transcription factor TaABF1, a member of the ABA response element binding factor family. TaABF1 has been shown to physically interact with the SnRK2 kinase PKABA1 and overexpression of TaABF1 or PKABA1 can suppress Amy32b. We carried out particle bombardment experiments to investigate how TaABF1 suppresses Amy32b and how TaABF1 is activated by ABA. The role of TaABF1 in ABA-mediated suppression of Amy32b is more complicated than hypothesized. Unlike PKABA1, overexpression of TaABF1 did not cause a decrease of GAMyb expression and in fact resulted in an increase of GAMyb expression. When TaABF1 and GAMyb were simultaneously overexpressed in aleurone, the GAMyb induction of Amy32b was unaffected, indicating that the target of TaABF1 action must be upstream of GAMyb. Furthermore, TaABF1 and ABA demonstrated an additive effect on the suppression of Amy32b. Based on our findings, we propose a model in which PKABA1 activates two separate targets, one being TaABF1 which then modifies an unknown target upstream of GAMyb and the other being an unknown transcription factor that suppresses GAMyb transcription.

The Role of Phytochrome in Stress Tolerance

It is well-documented that phytochromes can control plant growth and development from germination to flowering. Additionally, these photoreceptors have been shown to modulate both biotic and abiotic stress. This has led to a series of studies exploring the molecular and biochemical basis by which phytochromes modulate stresses, such as salinity, drought, high light or herbivory. Evidence for a role of phytrochromes in plant stress tolerance is explored and reviewed.