La régulation génique chez Solanum chacoense : de la pollinisation jusqu’à l’embryogenèse

Chez les végétaux supérieurs, l’embryogenèse est une phase clé du développement au cours de laquelle l’embryon établit les principales structures qui formeront la future plante et synthétise et accumule des réserves définissant le rendement et la qualité nutritionnelle des graines. Ainsi, la compréhension des évènements moléculaires et physiologiques menant à la formation de la graine représente un intérêt agronomique majeur. Toutefois, l'analyse des premiers stades de développement est souvent difficile parce que l'embryon est petit et intégré à l'intérieur du tissu maternel. Solanum chacoense qui présente des fleurs relativement grande facilitant l’isolation des ovules, a été utilisée pour l’étude de la biologie de la reproduction plus précisément la formation des gamètes femelles, la pollinisation, la fécondation et le développement des embryons. Afin d'analyser le programme transcriptionnel induit au cours de la structuration de ces étapes de la reproduction sexuée, nous avons mis à profit un projet de séquençage de 7741 ESTs (6700 unigènes) exprimés dans l’ovule à différents stades du développement embryonnaire. L’ADN de ces ESTs a été utilisé pour la fabrication de biopuces d’ADN. Dans un premier temps, ces biopuces ont été utilisé pour comparer des ADNc issus des ovules de chaque stade de développement embryonnaire (depuis le zygote jusqu’au embryon mature) versus un ovule non fécondé. Trois profils d’expression correspondant au stade précoce, intermédiaire et tardive ont été trouvés. Une analyse plus approfondie entre chaque point étudié (de 0 à 22 jours après pollinisation), a permis d'identifier des gènes spécifiques caractérisant des phases de transition spécifiques. Les annotations Fonctionnelles des gènes differentiellement exprimés nous ont permis d'identifier les principales fonctions cellulaires impliquées à chaque stade de développement, révélant que les embryons sont engagés dans des actifs processus de différenciation. Ces biopuces d’ADN ont été par la suite utilisé pour comparer différent types de pollinisation (compatible, incompatible, semi-compatible et inter-espèce) afin d’identifier les gènes répondants à plusieurs stimuli avant l'arrivé du tube pollinique aux ovules (activation à distance). Nous avons pu démontrer que le signal perçu par l’ovaire était différent et dépend de plusieurs facteurs, incluant le type de pollen et la distance parcourue par le pollen dans le style. Une autre analyse permettant la comparaison des différentes pollinisations et la blessure du style nous a permis d’identifier que les programmes génétiques de la pollinisation chevauchent en partie avec ceux du stress. Cela était confirmé en traitant les fleurs par une hormone de stress, méthyle jasmonate. Dans le dernier chapitre, nous avons utilisé ces biopuces pour étudier le changement transcriptionnel d’un mutant sur exprimant une protéine kinase FRK2 impliqué dans l’identité des ovules. Nous avons pu sélectionner plusieurs gènes candidat touchés par la surexpression de cette kinase pour mieux comprendre la voie se signalisation. Ces biopuces ont ainsi servi à déterminer la variation au niveau transcriptionnelle des gènes impliqués lors de différents stades de la reproduction sexuée chez les plantes et nous a permis de mieux comprendre ces étapes.

Événements de signalisation impliqués dans la production des gamètes, la pollinisation et l'embryogenèse chez Solanum chacoense Bitt

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Événements de signalisation impliqués dans la production des gamètes, la pollinisation et l'embryogenèse chez Solanum chacoense Bitt

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Multiple paternity and its consequences in the white campion " Silene latifolia "

Summary Several studies have demonstrated that the number of pollen donors siring seeds of individual fruits is frequently greater than one and, consequently, that plants have multiple mates. Multiple paternity can have important consequences at the population level. It influences the genetic variability of a population, the reproductive success of males and the fitness of females and future generations. It also influences male-male interactions for fertilization and it is fundamental in providing opportunity of female choice. I investigated the occurrence and the importance of multiple paternity within fruits in natural populations of the dioecious Silene latifolia using microsatellite DNA markers, especially developed for this study. I found that multiple paternity occurs in all populations investigated in the European range of the species, varying from one to nine sires per fruit with a mean of three, suggesting that multiple paternity is highly prevalent in natural populations. In the presence of multiple paternity I investigated if there was a female genotype influence on siring success of the males. I used the same pollen mixture from two males and applied it to three replicate females of different relatedness (two full sisters and one unrelated). I found female genotype influence in one of the two populations investigated, which might reflect different population history. Since these results suggested some degree of female choice, we investigated whether the occurrence of multiple paternity and post-pollination selection could provide opportunity for inbreeding avoidance. First, I measured inbreeding depression at different life-cycle stages for offspring obtained by single-donor crosses with brothers or unrelated males replicated on distinct flowers on the same female plant. To address inbreeding avoidance, I determined paternity in crosses using mixed pollen loads of the two males. I found significant inbreeding depression in the studied population, even under benign experimental conditions, and although the unrelated male did not sire significantly more offspring, there was an effect of genetic dissimilarity on paternity. This suggests that paternity is affected by relatedness among mates, but maybe additionally affected by other factors such as pollen competitive ability or male-female interactions. Using inbred and outbred crosses, I further investigated sex ratio bias inheritance in this species, and found that sex ratio bias of the parental generation was significantly correlated to pollen germination success of the F2 generation, which suggests that sex ratio bias in this species results from the specific X/Y combination and not only on Y performance. An effect of X and Y is consistent with sex chromosome meiotic drive. In conclusion, I found multiple paternity to be widespread in the study species and that females of similar genotype produce similar paternity shares. I found that inbreeding depression is substantial, therefore receiving pollen from several donors might lead to fewer inbred offspring, I also found an effect of genetic dissimilarity on paternity shares, which indicates that there is some ability to discriminate against related pollen, although this seems not to be the only determinant of paternity outcome. Finally I found sex ratio bias to be dependent on both X and Y chromosomes as predicted by sex chromosome meiotic drive. Résumé Plusieurs études ont démontré qu'il n'était pas rare que les graines contenues dans un même fruit soient issues de la fécondation par plusieurs pollens provenant de mâles différents, ce qui sous-entend que les plantes peuvent avoir plusieurs partenaires sexuels. La paternité multiple peut avoir d'importantes conséquences au niveau populationnel dans la mesure où elle peut influencer le degré de variabilité génétique de la population, le succès reproducteur des mâles, la fitness des femelles et des futures générations. La paternité multiple peut également avoir un impact sur les interactions mâle-mâle lors de la fertilisation et peut être considérée comme fondamentale vis-à-vis de la femelle, qui y trouve alors une opportunité de choisir son ou ses partenaires. Dans le cadre de ce travail de thèse j'ai cherché à déterminer si la paternité multiple était un phénomène observable et important dans les populations naturelles de l'espèce dioïque, Silene latifolia. Pour ce faire, j'ai utilisé des marqueurs microsatellites, spécialement développés pour cette étude. J'ai observé des phénomènes de paternité multiple dans toutes les populations de l'étude, réparties dans l'aire de distribution européenne de l'espèce. Le nombre de pères par fruit varie de un à neuf, avec un nombre moyen de trois, ce qui signifie que la paternité multiple est très répandue dans les populations naturelles. En raison de ces résultats, je me suis demandée si le génotype de la femelle influence le succès de paternité des mâles. J'ai alors réalisé des pollinisations manuelles sur la base d'un mélange de pollens issus de deux mâles, que j'ai appliqué sur trois femelles (réplicats) présentant différents degrés d'apparentement (deux soeurs. et une femelle étrangère). Il ressort de cette expérience que le génotype de la femelle peut influencer la paternité dans l'une des deux populations étudiées, ce qui pourrait refléter des différences en terme d'histoire des populations. Dans la mesure où ces résultats suggèrent un certain degré de choix chez la femelle, j'ai cherché à savoir si la paternité multiple et la sélection post-pollinisation pouvaient être des moyens d'éviter les croisements consanguins. Dans un premier temps, j'ai évalué la dépression de consanguinité à différentes étapes du cycle de vie chez des descendants issus de croisements à un seul donneur, celui-ci étant alternativement un frère ou un étranger, répliqués sur plusieurs fleurs d'une même plante femelle. Afin d'estimer l'évitement de croisements consanguins, j'ai effectué des croisements dont le pollen était un mélange des deux mâles (frère et étranger), puis j'ai déterminé la paternité dans les fruits obtenus. J'ai pu mettre en évidence un effet de dépression de consanguinité- significatif dans les populations étudiées, même dans des conditions expérimentales moins rudes qu'à l'extérieur. Bien que le mâle étranger n'ait pas engendré un nombre significativement plus important de graines, il y avait un effet de dissimilarité génétique sur la paternité. Ceci suggère que la paternité est affectée par le degré d'apparentement entre les partenaires, mais qu'elle peut aussi être affectée par d'autres facteurs tels que la compétitivité du pollen ou encore par les interactions mâles-femelles. L'utilisation de croisements consanguins et hybrides m'a également permis d'étudier l'héritabilité du biais de sex ratio chez cette espèce. Il s'est avéré que le biais de sex ratio de la génération parentale était significativement corrélé au succès de germination du pollen de la génération F2, ce qui signifie que, chez cette espèce, le biais de sex ratio résulte d'une combinaison spécifique de X/Y et non uniquement de la performance de Y. Un effet de X et Y est compatible avec l'hypothèse de distorsion de ségrégation méiotique des chromosomes sexuels. En conclusion, il ressort de mes résultats que la paternité multiple est un phénomène largement répandu chez S. latifolia et la paternité accomplie par un mâle est plus similaire entre soeurs qu'avec une femelle étrangère J'ai également mis en évidence que la dépression de consanguinité a un impact considérable; aussi, recevoir du pollen de plusieurs donneurs différents pourrait permettre à la femelle de produire moins de descendants consanguins. J'ai aussi trouvé un effet de la dissimilarité génétique sur le partage de paternité, ce qui indique que la discrimination contre le pollen d'apparentés est possible, bien que cela ne semble pas être le seul facteur déterminant dans le résultat de la paternité. Enfin, j'ai trouvé que le biais de sex ratio est dépendant des deux chromosomes X et Y, conformément à la théorie de distorsion de ségrégation méiotique des chromosomes sexuels.

Rôle de la protéine ScFRK1 dans le développement du sac embryonnaire et son impact sur le guidage des tubes polliniques

Le gène Solanum chacoense Fertilization-Related Kinase 1 (ScFRK1) code pour une protéine de la famille des MAPKK kinases exprimée spécifiquement dans les ovules. Son transcrit s’accumule principalement dans la zone micropylaire du sac embryonnaire à l’anthèse et diminue rapidement après pollinisation. Ces résultats suggèrent un rôle possible avant ou pendant la fécondation. Bien qu'aucune expression ne soit détectée dans le pollen à maturité, la protéine est cependant présente dans les cellules mères de microspores. Des plantes transgéniques sous-exprimant ScFRK1 ne montrent aucun phénotype au niveau des tissus végétatifs, mais présentent de petits fruits dépourvus de graines. L’étude microscopique du gamétophyte femelle révèle que son développement ne progresse pas au-delà du stade de la mégaspore fonctionnelle et une grande proportion de sacs embryonnaires anormaux est corrélée avec une faible expression de ScFRK1. De plus, la production de pollen viable diminue en fonction de la baisse des niveaux d’expression du gène, ce qui pourrait s’expliquer par un problème au cours de la mitose I. Puisque l’intégrité du sac embryonnaire est essentielle au guidage des tubes polliniques, nous avons conçu un système de guidage semi-in vivo permettant d’évaluer la capacité des ovules du mutant ScFRK1 à les attirer. L’attraction est sévèrement affectée dans de telles conditions, ce qui confirme l'implication des cellules de la zone micropylaire comme source attractive. Notre système nous a également permis de démontrer que le guidage est très spécifique à l’espèce et que cette attraction constitue un mécanisme important favorisant la spéciation et la maintenance des barrières interspécifiques dans la reproduction sexuée des végétaux.

Influence d’un supplément alimentaire sur le développement des colonies d’abeilles domestiques (Apis mellifera, Linnaeus 1758) au Québec

La malnutrition est identifiée comme l’un des facteurs potentiellement responsables des mortalités élevées de colonies d’abeilles des dernières années au Québec. Pour contrer cela, les apiculteurs donnent des suppléments de pollen à leurs colonies, mais les impacts d’une telle pratique à diverses périodes sont méconnus. Les effets de la disponibilité du pollen sur le développement de colonies d’abeilles ont été mesurés pendant 3 différentes périodes : au printemps, durant la pollinisation de la canneberge et à la fin de l’été. À chacune des périodes correspondait une expérience distincte utilisant 40 colonies. Pour chaque expérience, des conditions d’abondance de supplément de pollen et de restriction de pollen naturel étaient créées chez les colonies pendant un mois selon un plan d’expérience factorielle 2x2. L’élevage du couvain et la récolte de miel ont été mesurés jusqu’à la fin de l’été (début de l’été suivant pour l’expérience de fin d’été). Au printemps, les colonies restreintes en pollen naturel ont élevé 18% moins de couvain (p<0.05) pendant la période de restriction et 11% de moins à la fin de l’été alors que l’utilisation du supplément n’a eu aucun effet (p>0.05). Les colonies supplémentées durant la pollinisation des canneberges ont élevé moins de couvain (p<0.05) à la fin de l’été. Pour l’expérience de fin d’été, les colonies supplémentées ont eut une meilleure reprise printanière (p<0.05) de l’élevage du couvain (60% de plus) alors qu’une restriction en pollen naturel avait un effet négatif (p>0.05). Les récoltes de miel ont été augmentées (p<0.05) de 1,3 kg pendant la pollinisation de la canneberge alors qu’elles ont été diminuées (p<0.05)par une restriction en pollen naturel de 4,2 kg à la fin de l’été et de 15 kg au printemps.

Aménagement agroécologique intégrant les pollinisateurs : une contribution à la production agricole du café en Mésoamérique

Les services écologiques sont essentiels au maintien de la vie humaine sur terre, puisqu’entre autres, ils participent à la production d’oxygène, de nourriture et de matériaux divers, régulent les cycles de l’eau et des nutriments et contribuent au bien-être humain ; ces services nous sont fournis depuis toujours, gratuitement et continuellement. Toutefois, les activités humaines compromettent de plus en plus ces services écologiques en déréglant les processus écologiques qui en sont à l’origine. Dans les paysages agricoles, les perturbations anthropiques sont connues pour affecter grandement la biodiversité et les services écologiques. L’intensification agricole ainsi que la perte et la fragmentation des habitats naturels menacent notamment les services de pollinisation, lesquels permettent la production de fruits et de graines, pour la reproduction des plantes et la consommation humaine. Cet essai évalue la perspective du service de pollinisation dans le cas précis du café en Mésoamérique. Le premier objectif de cet essai est de déterminer les enjeux écologiques, économiques et sociaux auxquels sont liés les pollinisateurs et la production durable et rentable de café. Le deuxième objectif de cet essai est d’identifier les mécanismes expliquant comment certains facteurs clés de la biodiversité et de l’aménagement peuvent augmenter les rendements du café à travers sa pollinisation par les abeilles. Le troisième objectif de cet essai est de proposer des mesures d’aménagement qui permettent d’intégrer davantage les pollinisateurs aux exploitations de café. Le quatrième et dernier objectif consiste à développer et prioriser des stratégies locales et régionales, qui puissent concilier l’application de ces mesures d’aménagement avec les réalités économiques et sociales. La revue de la littérature a permis de constater qu’en Mésoamérique, ce sont à la fois les populations d’abeilles sauvages et domestiques qui assurent la pollinisation du café. Ces insectes sont sensibles à la perturbation de leurs habitats, bien que certains soient plus tolérants que d’autres. De fait, l’aménagement local et l’aménagement régional peuvent soit bénéficier, soit nuire à la biodiversité d’abeilles et au service de pollinisation du café. Au niveau local, les systèmes agroforestiers de café, malgré de plus faibles rendements en comparaison à des monocultures intensives, sont plus résilients et maintiennent un service de pollinisation de qualité. Ils doivent donc être encouragés pour ne pas accentuer la dépendance des exploitations agricoles à des intrants externes (engrais, pesticides, herbicides, main d’œuvre supplémentaire ou mécanisation de l’agriculture) qui deviennent nécessaires pour compenser la perte des services écologiques et maintenir de hauts rendements. Au niveau régional, la forêt est essentielle au maintien de communautés de pollinisateurs abondants et riches en espèces. À l’échelle du paysage, des efforts doivent donc être investis pour préserver des habitats naturels de qualité et limiter l’isolement des exploitations de café. Cela est particulièrement vrai dans les paysages tropicaux où, contrairement aux paysages tempérés, il reste une proportion importante d’habitats naturels encore préservés. Ces habitats naturels et les terres destinées à d’autres usages (agriculture, élevage, etc.) forment une mosaïque complexe, si bien que l’aménagement du territoire soulève des enjeux majeurs aux niveaux politiques et institutionnels. Des efforts diversifiés sont donc nécessaires pour développer des solutions efficaces qui bénéficient durablement aux petits producteurs de café. Pour cela, il est essentiel que tous les membres de la chaîne de valeur du café soient des parties prenantes actives dans ces efforts. De l’échelle locale à l’échelle régionale, les producteurs, les coopératives, les gouvernements et les consommateurs ont tous une influence sur l’aménagement des paysages agricoles de café et sur les modes de vie ruraux. Bien que le rôle des insectes pollinisateurs dans l’augmentation des rendements soit reconnu, leur conservation requiert de meilleurs prix pour le café quand il est cultivé de façon respectueuse de la biodiversité, ainsi que des subventions directes pour préserver les forêts aux abords des exploitations et empêcher leur conversion en terres agricoles. À condition d’être ciblée et concertée, l’application de ces stratégies d’aménagement devrait permettre de maintenir le service de pollinisation du café en Mésoamérique.