Actin cytoskeleton regulates pollen tube growth and tropism

La fertilisation chez les plantes dépend de la livraison des cellules spermatiques contenues dans le pollen à l’ovule. Au contact du stigmate, le grain de pollen s’hydrate et forme une protubérance, le tube pollinique, chargé de livrer les noyaux spermatiques à l’ovule. Le tube pollinique est une cellule à croissance rapide, anisotrope et non autotrophe; ainsi tout au long de sa croissance à travers l’apoplaste du tissu pistillaire, le tube pollinique puise ses sources de carbohydrates et de minéraux du pistil. Ces éléments servent à la synthèse des constituants de la paroi qui seront acheminés par des vésicules de sécrétion jusqu’à l’apex du tube. Ce dernier doit aussi résister à des pressions mécaniques pour maintenir sa forme cylindrique et doit répondre à différents signaux directionnels pour pouvoir atteindre l’ovule. Mon projet de doctorat était de comprendre le rôle du cytosquelette dans la croissance anisotrope du tube pollinique et d’identifier les éléments responsables de sa croissance et de son guidage. Le cytosquelette du tube pollinique est composé des microfilaments d’actine et des microtubules. Pour assurer une bonne croissance des tubes polliniques in vitro, les carbohydrates et les éléments de croissance doivent être ajoutés au milieu à des concentrations bien spécifiques. J’ai donc optimisé les conditions de croissance du pollen d’Arabidopsis thaliana et de Camellia japonica qui ont été utilisés avec le pollen de Lilium longiflorum comme modèles pour mes expériences. J’ai développé une méthode rapide et efficace de fixation et de marquage du tube pollinique basée sur la technologie des microondes. J’ai aussi utilisé des outils pharmacologiques, mécaniques et moléculaires couplés à différentes techniques de microscopie pour comprendre le rôle du cytosquelette d’actine lors de la croissance et le tropisme du tube pollinique. J’ai trouvé que le cytosquelette d’actine et plus précisément l’anneau d’actine localisé dans la partie sub-apicale du tube est fortement impliqué dans la croissance et le maintien de l’architecture du tube à travers le contrôle de la livraison des vésicules de sécrétion. J’ai construit une chambre galvanotropique qui peut être montée sur un microscope inversé et qui sert à envoyer des signaux tropistiques bien précis à des tubes polliniques en croissance. J’ai trouvé que les filaments d’actine sont impliqués dans la capacité du tube pollinique à changer de direction. Ce comportement tropistique dépend de la concentration du calcium dans le milieu de croissance et du flux de calcium à travers des canaux calciques. Le gradient de calcium établi dans le tube pollinique affecte l’activité de certaines protéines qui se lient à l’actine et dont le rôle est la réorganisation des filaments d’actine. Parmi ces protéines, il y a celles de dépolymérisation de l’actine (ADF) dont deux spécifiquement exprimées dans le gamétophyte mâle d’Arabidopsis (ADF7 et ADF10). Par marquage avec des proteins fluorescents, j’ai trouvé que l’ADF7 et l’ADF10 ont des expressions différentielles pendant la microsporogenèse et la germination et croissance du tube pollinique et qu’elles partagent entre elles des rôles importants durant ces différents stades.

Studying the cytomechanic aspects of pollen tube growth behavior using Lab-On-Chip technology

L'élongation cellulaire de cellules cultivant bout comme hyphae fongueux, inculquez hairs, des tubes de pollen et des neurones, est limité au bout de la cellule, qui permet à ces cellules d'envahir l'encerclement substrate et atteindre une cible. Les cellules cultivant bout d'équipement sont entourées par le mur polysaccharide rigide qui régule la croissance et l'élongation de ces cellules, un mécanisme qui est radicalement différent des cellules non-walled. La compréhension du règlement du mur de cellule les propriétés mécaniques dans le contrôle de la croissance et du fonctionnement cellulaire du tube de pollen, une cellule rapidement grandissante d'équipement, est le but de ce projet. Le tube de pollen porte des spermatozoïdes du grain de pollen à l'ovule pour la fertilisation et sur sa voie du stigmate vers l'ovaire le tube de pollen envahit physiquement le stylar le tissu émettant de la fleur. Pour atteindre sa cible il doit aussi changer sa direction de croissance les temps multiples. Pour évaluer la conduite de tubes de pollen grandissants, un dans le système expérimental vitro basé sur la technologie de laboratoire-sur-fragment (LOC) et MEMS (les systèmes micro-électromécaniques) ont été conçus. En utilisant ces artifices nous avons mesuré une variété de propriétés physiques caractérisant le tube de pollen de Camélia, comme la croissance la croissance accélérée, envahissante et dilatant la force. Dans une des organisations expérimentales les tubes ont été exposés aux ouvertures en forme de fente faites de l'élastique PDMS (polydimethylsiloxane) la matière nous permettant de mesurer la force qu'un tube de pollen exerce pour dilater la croissance substrate. Cette capacité d'invasion est essentielle pour les tubes de pollen de leur permettre d'entrer dans les espaces intercellulaires étroits dans les tissus pistillar. Dans d'autres essais nous avons utilisé l'organisation microfluidic pour évaluer si les tubes de pollen peuvent s'allonger dans l'air et s'ils ont une mémoire directionnelle. Une des applications auxquelles le laboratoire s'intéresse est l'enquête de processus intracellulaires comme le mouvement d'organelles fluorescemment étiqueté ou les macromolécules pendant que les tubes de pollen grandissent dans les artifices LOC. Pour prouver que les artifices sont compatibles avec la microscopie optique à haute résolution et la microscopie de fluorescence, j'ai utilisé le colorant de styryl FM1-43 pour étiqueter le système endomembrane de tubes de pollen de cognassier du Japon de Camélia. L'observation du cône de vésicule, une agrégation d'endocytic et les vésicules exocytic dans le cytoplasme apical du bout de tube de pollen, n'a pas posé de problèmes des tubes de pollen trouvés dans le LOC. Pourtant, le colorant particulier en question a adhéré au sidewalls du LOC microfluidic le réseau, en faisant l'observation de tubes de pollen près du difficile sidewalls à cause du signal extrêmement fluorescent du mur. Cette propriété du colorant pourrait être utile de refléter la géométrie de réseau en faisant marcher dans le mode de fluorescence.

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.

The pollen tube: a soft shell with a hard core

Plant cell expansion is controlled by a fine-tuned balance between intracellular turgor pressure, cell wall loosening and cell wall biosynthesis. To understand these processes, it is important to gain in-depth knowledge of cell wall mechanics. Pollen tubes are tip-growing cells that provide an ideal system to study mechanical properties at the single cell level. With the available approaches it was not easy to measure important mechanical parameters of pollen tubes, such as the elasticity of the cell wall. We used a cellular force microscope (CFM) to measure the apparent stiffness of lily pollen tubes. In combination with a mechanical model based on the finite element method (FEM), this allowed us to calculate turgor pressure and cell wall elasticity, which we found to be around 0.3 MPa and 20–90 MPa, respectively. Furthermore, and in contrast to previous reports, we showed that the difference in stiffness between the pollen tube tip and the shank can be explained solely by the geometry of the pollen tube. CFM, in combination with an FEM-based model, provides a powerful method to evaluate important mechanical parameters of single, growing cells. Our findings indicate that the cell wall of growing pollen tubes has mechanical properties similar to rubber. This suggests that a fully turgid pollen tube is a relatively stiff, yet flexible cell that can react very quickly to obstacles or attractants by adjusting the direction of growth on its way through the female transmitting tissue.

Organ-specific and Agamous-regulated expression and glycosylation of a pollen tube growth-promoting protein.

Transmitting tissue-specific (TTS) protein is a pollen tube growth-promoting and attracting glycoprotein located in the stylar transmitting tissue extracellular matrix of the pistil of tobacco. The TTS protein backbones have a deduced molecular mass of about 28 kDa, whereas the glycosylated stylar TTS proteins have apparent molecular masses ranging between 50 and 100 kDa. TTS mRNAs and proteins are ectopically produced in transgenic tobacco plants that express either a cauliflower mosaic virus (CaMV) 35S promoter-TTS2 transgene or a CaMV 35S-promoter-NAG1 (NAG1 = Nicotiana tabacum Agamous gene) transgene. However, the patterns of TTS mRNA and protein accumulation and the quality of the TTS proteins produced are different in these two types of transgenic plants. In 35S-TTS transgenic plants, TTS mRNAs and proteins accumulate constitutively in vegetative and floral tissues. However, the ectopically expressed TTS proteins in these transgenic plants accumulate as underglycosylated protein species with apparent molecular masses between 30 and 50 kDa. This indicates that the capacity to produce highly glycosylated TTS proteins is restricted to the stylar transmitting tissue. In 35S-NAG transgenic plants, NAG1 mRNAs accumulate constitutively in vegetative and floral tissues, and TTS mRNAs are induced in the sepals of these plants. Moreover, highly glycosylated TTS proteins in the 50- to 100-kDa molecular mass range accumulate in the sepals of these transgenic, 35S-NAG plants. These results show that the tobacco NAGI gene, together with other yet unidentified regulatory factors, control the expression of TTS genes and the cellular capacity to glycosylate TTS proteins, which are normally expressed very late in the pistil developmental pathway and function in the final stage of floral development. The sepals in the transgenic 35S-NAG plants also support efficient pollen germination and tube growth, similar to what normally occurs in the pistil, and this ability correlates with the accumulation of the highest levels of the 50- to 100-kDa glycosylated TTS proteins.

Researches on the germination of the pollen grain and the nutrition of the pollen tube /

Includes bibliographical references.

An extracellular transglutaminase is required for apple pollen tube growth

An extracellular form of the calcium-dependent protein-cross-linking enzyme TGase (transglutaminase) was demonstrated to be involved in the apical growth of Malus domestica pollen tube. Apple pollen TGase and its substrates were co-localized within aggregates on the pollen tube surface, as determined by indirect immunofluorescence staining and the in situ cross-linking of fluorescently labelled substrates. TGase-specific inhibitors and an anti-TGase monoclonal antibody blocked pollen tube growth, whereas incorporation of a recombinant fluorescent mammalian TGase substrate (histidine-tagged green fluorescent protein: His6-Xpr-GFP) into the growing tube wall enhanced tube length and germination, consistent with a role of TGase as a modulator of cell wall building and strengthening. The secreted pollen TGase catalysed the cross-linking of both PAs (polyamines) into proteins (released by the pollen tube) and His6-Xpr-GFP into endogenous or exogenously added substrates. A similar distribution of TGase activity was observed in planta on pollen tubes germinating inside the style, consistent with a possible additional role for TGase in the interaction between the pollen tube and the style during fertilization.

Defensin-Like ZmES4 Mediates Pollen Tube Burst in Maize via Opening of the Potassium Channel KZM1

In contrast to animals and lower plant species, sperm cells of flowering plants are non-motile and are transported to the female gametes via the pollen tube, i.e. the male gametophyte. Upon arrival at the female gametophyte two sperm cells are discharged into the receptive synergid cell to execute double fertilization. The first players involved in inter-gametophyte signaling to attract pollen tubes and to arrest their growth have been recently identified. In contrast the physiological mechanisms leading to pollen tube burst and thus sperm discharge remained elusive. Here, we describe the role of polymorphic defensin-like cysteine-rich proteins ZmES1-4 (Zea mays embryo sac) from maize, leading to pollen tube growth arrest, burst, and explosive sperm release. ZmES1-4 genes are exclusively expressed in the cells of the female gametophyte. ZmES4-GFP fusion proteins accumulate in vesicles at the secretory zone of mature synergid cells and are released during the fertilization process. Using RNAi knock-down and synthetic ZmES4 proteins, we found that ZmES4 induces pollen tube burst in a species-preferential manner. Pollen tube plasma membrane depolarization, which occurs immediately after ZmES4 application, as well as channel blocker experiments point to a role of K(+)-influx in the pollen tube rupture mechanism. Finally, we discovered the intrinsic rectifying K(+) channel KZM1 as a direct target of ZmES4. Following ZmES4 application, KZM1 opens at physiological membrane potentials and closes after wash-out. In conclusion, we suggest that vesicles containing ZmES4 are released from the synergid cells upon male-female gametophyte signaling. Subsequent interaction between ZmES4 and KZM1 results in channel opening and K(+) influx. We further suggest that K(+) influx leads to water uptake and culminates in osmotic tube burst. The species-preferential activity of polymorphic ZmES4 indicates that the mechanism described represents a pre-zygotic hybridization barrier and may be a component of reproductive isolation in plants.

Cell wall composition regulates cell shape and growth behaviour in pollen tubes

L’une des particularités fondamentales caractérisant les cellules végétales des cellules animales est la présence de la paroi cellulaire entourant le protoplaste. La paroi cellulaire joue un rôle primordial dans (1) la protection du protoplaste, (2) est impliquée dans les mécanismes de filtration et (3) est le lieu de maintes réactions biochimiques nécessaires à la régulation du métabolisme et des propriétés mécaniques de la cellule. Les propriétés locales d’élasticité, d’extensibilité, de plasticité et de dureté des composants pariétaux déterminent la géométrie et la forme des cellules lors des processus de différentiation et de morphogenèse. Le but de ma thèse est de comprendre les rôles que jouent les différents composants pariétaux dans le modelage de la géométrie et le contrôle de la croissance des cellules végétales. Pour atteindre cet objectif, le modèle cellulaire sur lequel je me suis basé est le tube pollinique ou gamétophyte mâle. Le tube pollinique est une protubérance cellulaire qui se forme à partir du grain de pollen à la suite de son contact avec le stigmate. Sa fonction est la livraison des cellules spermatiques à l’ovaire pour effectuer la double fécondation. Le tube pollinique est une cellule à croissance apicale, caractérisée par la simple composition de sa paroi et par sa vitesse de croissance qui est la plus rapide du règne végétal. Ces propriétés uniques font du tube pollinique le modèle idéal pour l’étude des effets à courts termes du stress sur la croissance et le métabolisme cellulaire ainsi que sur les propriétés mécaniques de la paroi. La paroi du tube pollinique est composée de trois composantes polysaccharidiques : pectines, cellulose et callose et d’une multitude de protéines. Pour comprendre les effets que jouent ces différents composants dans la régulation de la croissance du tube pollinique, j’ai étudié les effets de mutations, de traitements enzymatiques, de l’hyper-gravité et de la gravité omni-directionnelle sur la paroi du tube pollinique. En utilisant des méthodes de modélisation mathématiques combinées à de la biologie moléculaire et de la microscopie à fluorescence et électronique à haute résolution, j’ai montré que (1) la régulation de la chimie des pectines est primordiale pour le contrôle du taux de croissance et de la forme du tube et que (2) la cellulose détermine le diamètre du tube pollinique en partie sub-apicale. De plus, j’ai examiné le rôle d’un groupe d’enzymes digestives de pectines exprimées durant le développement du tube pollinique : les pectate lyases. J’ai montré que ces enzymes sont requises lors de l’initiation de la germination du pollen. J’ai notamment directement prouvé que les pectate lyases sont sécrétées par le tube pollinique dans le but de faciliter sa pénétration au travers du style.

Destins des S-RNases et interactions moléculaires dans le tube pollinique dans le cadre de l’auto-incompatibilité gamétophytique chez Solanum chacoense

L’auto-incompatibilité (AI) est une barrière reproductive prézygotique qui permet aux pistils d’une fleur de rejeter leur propre pollen. Les systèmes d’AI peuvent prévenir l’autofertilisation et ainsi limiter l’inbreeding. Dans l’AI gamétophytique, le génotype du pollen détermine son propre phénotype d’incompatibilité, et dans ce système, les déterminants mâles et femelles de l’AI sont codés par un locus multigénique et multi-allélique désigné le locus S. Chez les Solanaceae, le déterminant femelle de l’AI est une glycoprotéine stylaire extracellulaire fortement polymorphique possédant une activité ribonucléase et désignée S-RNase. Les S-RNases montrent un patron caractéristique de deux régions hypervariables (HVa et HVb), responsables de leur détermination allélique, et cinq régions hautement conservées (C1 à C5) impliquées dans l’activité catalytique ou la stabilisation structurelle de ces protéines. Dans ce travail, nous avons investigué plusieurs caractéristiques des S-RNases et identifié un nouveau ligand potentiel aux S-RNases chez Solanum chacoense. L’objectif de notre première étude était l’élucidation du rôle de la région C4 des S-RNases. Afin de tester l’hypothèse selon laquelle la région C4 serait impliquée dans le repliement ou la stabilité des S-RNases, nous avons généré un mutant dans lequel les quatre résidus chargés présents en région C4 furent remplacés par des résidus glycine. Cette protéine mutante ne s’accumulant pas à des niveaux détectables, la région C4 semble bien avoir un rôle structurel. Afin de vérifier si C4 est impliquée dans une liaison avec une autre protéine, nous avons généré le mutant R115G, dans lequel un acide aminé chargé fût éliminé afin de réduire les affinités de liaison dans cette région. Ce mutant n’affectant pas le phénotype de rejet pollinique, il est peu probable que la région C4 soit impliquée dans la liaison des S-RNases avec un ligand ou leur pénétration à l’intérieur des tubes polliniques. Enfin, le mutant K113R, dans lequel le seul résidu lysine conservé parmi toutes les S-RNases fût remplacé par un résidu arginine, fût généré afin de vérifier si cette lysine était un site potentiel d’ubiquitination des S-RNases. Toutefois, la dégradation des S-RNases ne fût pas inhibée. Ces résultats indiquent que C4 joue probablement un rôle structurel de stabilisation des S-RNases. Dans une seconde étude, nous avons analysé le rôle de la glycosylation des S-RNases, dont un site, en région C2, est conservé parmi toutes les S-RNases. Afin d’évaluer la possibilité que les sucres conjugués constituent une cible potentielle d’ubiquitination, nous avons généré une S11-RNase dont l‘unique site de glycosylation en C2 fût éliminé. Ce mutant se comporte de manière semblable à une S11-RNase de type sauvage, démontrant que l’absence de glycosylation ne confère pas un phénotype de rejet constitutif du pollen. Afin de déterminer si l’introduction d’un sucre dans la région HVa de la S11-RNase pourrait affecter le rejet pollinique, nous avons généré un second mutant comportant un site additionnel de glycosylation dans la région HVa et une troisième construction qui comporte elle aussi ce nouveau site mais dont le site en région C2 fût éliminé. Le mutant comportant deux sites de glycosylation se comporte de manière semblable à une S11-RNase de type sauvage mais, de manière surprenante, le mutant uniquement glycosylé en région HVa peut aussi rejeter le pollen d’haplotype S13. Nous proposons que la forme non glycosylée de ce mutant constitue un allèle à double spécificité, semblable à un autre allèle à double spécificité préalablement décrit. Il est intéressant de noter que puisque ce phénotype n’est pas observé dans le mutant comportant deux sites de glycosylation, cela suggère que les S-RNases ne sont pas déglycosylées à l’intérieur du pollen. Dans la dernière étude, nous avons réalisé plusieurs expériences d’interactions protéine-protéine afin d’identifier de potentiels interactants polliniques avec les S-RNases. Nous avons démontré que eEF1A, un composant de la machinerie de traduction chez les eucaryotes, peut lier une S11-RNase immobilisée sur résine concanavaline A. Des analyses de type pull-down utilisant la protéine eEF1A de S. chacoense étiquetée avec GST confirment cette interaction. Nous avons aussi montré que la liaison, préalablement constatée, entre eEF1A et l’actine est stimulée en présence de la S11-RNase, bien que cette dernière ne puisse directement lier l’actine. Enfin, nous avons constaté que dans les tubes polliniques incompatibles, l’actine adopte une structure agrégée qui co-localise avec les S-RNases. Ces résultats suggèrent que la liaison entre eEF1A et les S-RNases pourrait constituer un potentiel lien fonctionnel entre les S-RNases et l’altération du cytosquelette d’actine observée lors des réactions d’AI. Par ailleurs, si cette liaison est en mesure de titrer les S-RNases disponibles à l’intérieur du tube pollinique, ce mécanisme pourrait expliquer pourquoi des quantités minimales ou « seuils » de S-RNases sont nécessaires au déclenchement des réactions d’AI.

Influence of climate changes on cross allergies: possible involvement of pollen transglutaminase

Allergies are a complex of symptoms derived from altered IgE-mediated reactions of the immune system towards substances known as allergens. Allergic sensibilization can be of food or respiratory origin and, in particular, apple and hazelnut allergens have been identified in pollens or fruits. Allergic cross-reactivity can occur in a patient reacting to similar allergens from different origins, justifying the research in both systems as in Europe a greater number of people suffers from apple fruit allergy, but little evidence exists about pollen. Apple fruit allergies are due to four different classes of allergens (Mal d 1, 2, 3, 4), whose allergenicity is related both to genotype and tissue specificity; therefore I have investigated their presence also in pollen at different time of germination to clarify the apple pollen allergenic potential. I have observed that the same four classes of allergens found in fruit are expressed at different levels also in pollen, and their presence might support that the apple pollen can be considered allergenic as the fruit, deducing that apple allergy could also be indirectly caused by sensitization to pollen. Climate changes resulting from increases in temperature and air pollution influence pollen allergenicity, responsible for the dramatic raise in respiratory allergies (hay fever, bronchial asthma, conjunctivitis). Although the link between climate change and pollen allergenicity is proven, the underlying mechanism is little understood. Transglutaminases (TGases), a class of enzymes able to post-translationally modify proteins, are activated under stress and involved in some inflammatory responses, enhancing the activity of pro-inflammatory phospholipase A2, suggesting a role in allergies. Recently, a calcium-dependent TGase activity has been identified in the pollen cell wall, raising the possibility that pollen TGase may have a role in the modification of pollen allergens reported above, thus stabilizing them against proteases. This enzyme can be involved also in the transamidation of proteins present in the human mucosa interacting with surface pollen or, finally, the enzyme itself can represent an allergen, as suggested by studies on celiac desease. I have hypothesized that this pollen enzyme can be affected by climate changes and be involved in exhacerbating allergy response. The data presented in this thesis represent a scientific basis for future development of studies devoted to verify the hypothesis set out here. First, I have demonstrated the presence of an extracellular TGase on the surface of the grain observed either at the apical or the proximal parts of the pollen-tube by laser confocal microscopy (Iorio et al., 2008), that plays an essential role in apple pollen-tube growth, as suggested by the arrest of tube elongation by TGase inhibitors, such as EGTA or R281. Its involvement in pollen tube growth is mainly confirmed by the data of activity and gene expression, because TGase showed a peak between 15 min and 30 min of germination, when this process is well established, and an optimal pH around 6.5, which is close to that recorded for the germination medium. Moreover, data show that pollen TGase can be a glycoprotein as the glycosylation profile is linked both with the activation of the enzyme and with its localization at the pollen cell wall during germination, because from the data presented seems that the active form of TGase involved in pollen tube growth and pollen-stylar interaction is more exposed and more weakly bound to the cell wall. Interestingly, TGase interacts with fibronectin (FN), a putative SAMs or psECM component, inducing possibly intracellular signal transduction during the interaction between pollen-stylar occuring in the germination process, since a protein immunorecognised by anti-FN antibody is also present in pollen, in particular at the level of pollen grain cell wall in a punctuate pattern, but also along the shank of the pollen tube wall, in a similar pattern that recalls the signal obtained with the antibody anti TGase. FN represents a good substrate for the enzyme activity, better than DMC usually used as standard substrate for animal TGase. Thus, this pollen enzyme, necessary for its germination, is exposed on the pollen surface and consequently can easily interact with mucosal proteins, as it has been found germinated pollen in studies conducted on human mucus (Forlani, personal communication). I have obtained data that TGase activity increases in a very remarkable way when pollen is exposed to stressful conditions, such as climate changes and environmental pollution. I have used two different species of pollen, an aero allergenic (hazelnut, Corylus avellana) pollen, whose allergenicity is well documented, and an enthomophylus (apple, Malus domestica) pollen, which is not yet well characterized, to compare data on their mechanism of action in response to stressors. The two pollens have been exposed to climate changes (different temperatures, relative humidity (rH), acid rain at pH 5.6 and copper pollution (3.10 µg/l)) and showed an increase in pollen surface TGase activity that is not accompanied to an induced expression of TGase immunoreactive protein with AtPNG1p. Probably, climate change induce an alteration or damage to pollen cell wall that carries the pollen grains to release their content in the medium including TGase enzyme, that can be free to carry out its function as confirmed by the immunolocalisation and by the in situ TGase activity assay data; morphological examination indicated pollen damage, viability significantly reduced and in acid rain conditions an early germination of apple pollen, thus possibly enhancing the TGase exposure on pollen surface. Several pollen proteins were post-translationally modified, as well as mammalian sPLA2 especially with Corylus pollen, which results in its activation, potentially altering pollen allergenicity and inflammation. Pollen TGase activity mimicked the behaviour of gpl TGase and AtPNG1p in the stimulation of sPLA2, even if the regulatory mechanism seems different to gpl TGase, because pollen TGase favours an intermolecular cross-linking between various molecules of sPLA2, giving rise to high-molecular protein networks normally more stable. In general, pollens exhibited a significant endogenous phospholipase activity and it has been observed differences according to the allergenic (Corylus) or not-well characterized allergenic (Malus) attitude of the pollen. However, even if with a different intensity level in activation, pollen enzyme share the ability to activate the sPLA2, thus suggesting an important regulatory role for the activation of a key enzyme of the inflammatory response, among which my interest was addressed to pollen allergy. In conclusion, from all the data presented, mainly presence of allergens, presence of an extracellular TGase, increasing in its activity following exposure to environmental pollution and PLA2 activation, I can conclude that also Malus pollen can behave as potentially allergenic. The mechanisms described here that could affect the allergenicity of pollen, maybe could be the same occurring in fruit, paving the way for future studies in the identification of hyper- and hypo- allergenic cultivars, in preventing environmental stressor effects and, possibly, in the production of transgenic plants.

Pyruvate decarboxylase provides growing pollen tubes with a competitive advantage in petunia

Rapid pollen tube growth places unique demands on energy production and biosynthetic capacity. The aim of this work is to understand how primary metabolism meets the demands of such rapid growth. Aerobically grown pollen produce ethanol in large quantities. The ethanolic fermentation pathway consists of two committed enzymes: pyruvate decarboxylase ( PDC) and alcohol dehydrogenase ( ADH). Because adh mutations do not affect male gametophyte function, the obvious question is why pollen synthesize an abundant enzyme if they could do just as well without. Using transposon tagging in Petunia hybrida, we isolated a null mutant in pollen- specific Pdc2. Growth of the mutant pollen tubes through the style is reduced, and the mutant allele shows reduced transmission through the male, when in competition with wild- type pollen. We propose that not ADH but rather PDC is the critical enzyme in a novel, pollen- specific pathway. This pathway serves to bypass pyruvate dehydrogenase enzymes and thereby maintain biosynthetic capacity and energy production under the unique conditions prevailing during pollen - pistil interaction.

The ethanolic fermentation pathway supports respiration and lipid biosynthesis in tobacco pollen

Rapid pollen tube growth requires a high rate of sugar metabolism to meet energetic and biosynthetic demands. Previous work on pollen sugar metabolism showed that tobacco pollen carry out efficient ethanolic fermentation concomitantly with a high rate of respiration (Bucher et al ., 1995). Here we show that the products of fermentation, acetaldehyde and ethanol, are further metabolised in a pathway that bypasses mitochondrial PDH. The enzymes involved in this pathway are pyruvate decarboxylase, aldehyde dehydrogenase and acetyl-CoA synthetase. Radiolabelling experiments show that during tobacco pollen tube growth label of C-14-ethanol is incorporated into CO2 as well as into lipids and other higher molecular weight compounds. A role for the glyoxylate cycle appears unlikely since activity of malate synthase, a key enzyme of the glyoxylate cycle, could not be detected.