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Functional and molecular evolutionary analysis of the "Brevix Radix" gene family in mono-and dicotyledonous plants

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ABSTRACTIn contrast to animals, plants cannot move from their place of birth and, therefore, need to adapt to their particular habitat in order to survive. Thus, plant development is remarkably plastic, making plants an ideal system for the isolation of genes that account for intraspecific natural variation and possibly environmental adaptation. However, to date, this approach mostly identified null alleles and missed mutations with subtle effects. For instance, BREVIS RADIX (BRX) has been isolated as a key regulator of root growth through a naturally occurring loss-of-function allele in the Arabidopsis thaliana accession Uk-1 and is the founding member of a highly-conserved plant-specific gene family.In this work, we show that a strong selective pressure is acting on the BRX gene family and dates back before the monocot-dicot divergence. However, functional diversification is observed mainly in dicotyledon BRX family genes and is correlated with acceleration in the evolutionary rates in the N-terminal regions. Population genetic data revealed that BRX is highly conserved across Arabidopsis accessions and presents signatures of adaptation. Interestingly, a seven amino acid deletion polymorphism in BRX sequence was found in a few accessions, which seems to be responsible for their enhanced primary root growth. Nevertheless, BRX might not only be active in the root, as suggested by its expression in the shoot. Indeed, leaves and cotyledons of brx mutants are significantly smaller than wild- type. This phenotype is a direct consequence of the absence of BRX function in the shoot rather than an indirect effect of an altered root system growth. Interestingly, cotyledons of brx plants reflect the same physiological defects as the root. Moreover, phenotypes in BRX gain-of-function plants, such as epinastic leaves and increased epidermal cell size, could be associated with an increase in leaf brassinosteroid content.Collectively, these results indicate that BRX contributes to local adaptation by ubiquitously regulating plant growth, probably through the modulation of brassinosteroid biosynthesis.RÉSUMÉContrairement à la plupart des animaux, les plantes ne peuvent se mouvoir et doivent ainsi s'adapter à leur environnement pour survivre. Pour cette raison, elles représentent un système idéal pour l'identification de gènes contribuant à la variation naturelle intra- spécifique, ainsi qu'à l'adaptation. Cependant, cette approche a, jusqu'à présent, surtout permis d'isoler des allèles nuls et non des mutations conférant des effets plus subtiles. C'est le cas du gène Β REVIS RADIX (BRX), un régulateur clé de la croissance racinaire, qui a été identifié grâce à un allèle non-fonctionnel présent dans l'accession naturelle d'Arabidopsis thaliana Uk-1. BRX et ses homologues des plantes mono- et dicotylédones forment une famille très conservée et spécifique aux plantes.Dans ce travail, nous démontrons que la famille de gènes BRX est soumise à une forte pression de sélection qui remonte avant la divergence entre mono- et dicotylédones. Cependant, une diversification fonctionnelle a été observée chez les gènes des dicotylédones et corrèle avec une accélération de la vitesse d'évolution dans leur région N- terminale. Une analyse génétique de différentes accessions naturelles d'Arabidopsis a révélé que BRX est hautement conservé et présente des signatures d'adaptation. Remarquablement, un polymorphisme de délétion de sept acides aminés a été détecté dans quelques accessions et a pour conséquence une plus forte croissance de la racine primaire. Néanmoins, il semble que le rôle de BRX ne se limite pas qu'à la racine, comme indiqué par son expression dans les parties aériennes de la plante. En effet, les mutants brx présentent des cotylédons et des feuilles significativement plus petits que le type sauvage, une conséquence directe de l'absence d'activité de BRX dans ces organes. Nous avons aussi noté que les cotylédons des mutants brx, à l'instar des racines, ont une perception altérée de l'auxine et peuvent être complémentés par l'application exogène de brassinostéroïdes. De plus, dans des plantes présentant un gain de fonction BRX, les feuilles sont épinastiques et les cellules de leur épiderme plus grandes. Ces phénotypes sont accompagnés d'une augmentation de la concentration de brassinostéroïdes dans les feuilles. Conjointement, ces résultats démontrent que BRX contribue à une adaptation locale de la plante par la régulation générale de sa croissance, probablement en modulant la biosynthèse des brassinostéroïdes.

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