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Clonal reproduction by seed is now possible in crops

Cultivated all over the world, F1 hybrides plants, despite real advantages, are still expensive to be produced. Not for a long time anymore. Modifiing some genes expression, Raphaël Mercier, the group leader of "Mécanisms of meiose" from l'IJPB, INRA, Versailles, in collaboration with the University of Californie Davis and the China National Rice Research Institute, managed to create hybride rice plants wityh seeds identical to mother plant. These works, which as just been published in Nature et Nature Biotechnology, are major breakthroughts.

Les méthodes d’amélioration des plantes reposent, d’une part, sur la capacité à produire des combinaisons génétiques performantes à partir de croisements entre lignées et, d’autre part, à stabiliser ces combinaisons pour produire des semences possédant les mêmes caractéristiques.

Les hybrides F1 sont utilisés depuis les années 1930 en agriculture. Issus du croisement entre deux lignées pures de plantes présentant des gènes d'intérêt, ils cumulent les avantages de chacun des parents, ce qui se traduit par une vigueur hybride supérieure à la valeur de chacune des lignées parentales. Ils sont produits par l’élimination des organes mâles suivie de pollinisation manuelles (maïs, tomate) ou par la pollinisation contrôlée de plantes exclusivement femelles (colza, betterave). Cependant, en raison des échanges qui s’effectuent entre les chromosomes des hybrides F1 lors de la méiose, leur descendance ne possède pas leurs caractéristiques. Pour obtenir des plantes identiques, il est donc nécessaire de semer chaque année des graines hybrides F1 obtenues à partir des mêmes lignées parentales.

De la méiose à la mitose
Depuis plusieurs dizaines d'années, les scientifiques cherchent un moyen de stabiliser les combinaisons hybrides performantes. Ils se sont notamment intéressés à l'apomixie, autrement dit la capacité de certains végétaux (notamment certaines espèces de pissenlits et d’aubépines) à produire des graines sans méiose ni fécondation, donc sans reproduction sexuée. Les plantes issues de ces graines étant génétiquement identiques à la plante mère, il s’agit donc de reproduction clonale par graines. Les chercheurs de l'INRA ont récemment démontré qu'en inactivant, chez la plante modèle arabidopsis puis chez le riz, trois gènes impliqués dans la méiose, on transforme celle-ci en mitose (MiMe process), avec pour conséquence des chromosomes identiques à ceux de la plante mère dans les cellules reproductrices ou gamètes. Mais pour parvenir à l'apomixie, une autre condition est nécessaire. Il faut que le gamète femelle produise un embryon sans fécondation. C'est cette étape fondamentale qui vient d'être franchie, de deux manières différentes, grâce à deux collaborations entre l'Inra et l’équipe de Venkatesan Sundaresan de l'Université de Californie Davis d’une part, et celle de Kejian Wang du China National Rice Research Institute d’autre part. Ces deux équipes ont en effet découvert indépendamment deux moyens de lancer l’embryogénèse sans fécondation du gamète femelle par un gamète mâle.

Tout le portrait de sa mère
Pour cela, elles ont inactivé chez le riz, à l’aide de CRISPR-Cas9, les trois gènes impliqués dans le MiMe process mis en évidence par l'équipe de Raphaël Mercier en collaboration. L’équipe de Venkatesan Sundaresan aux Etats-Unis a ensuite activé dans les gamètes femelles un gène dénommé BABYBOOM 1 qui, en temps normal, ne s'exprime qu’après la fécondation. En parallèle, l’équipe de Kejian Wang en Chine a inactivé le gène MATRILINEAL (aussi nommé NOT LIKE DAD), impliqué dans la fécondation. De cette façon, les deux équipes sont parvenus à déclencher l'embryogénèse sans fécondation, et à produire des grains de riz génétiquement identiques à la plante mère hybride. Mieux, l’équipe américaine a montré que ces clones produisent à leur tour des clones : après trois générations, ils sont encore identiques aux semences initiales. Il est donc possible de fixer la vigueur hybride dans la descendance d’hybrides F1 de riz !

Des perspectives phénoménales
Pour le moment, les taux de production de clones de graines obtenus par les équipes américaines et chinoises sont insuffisants pour envisager une application immédiate en production de semences, mais les chercheurs étudient déjà comment les améliorer.

Cette découverte pourrait, à terme, révolutionner les stratégies d’amélioration des plantes en permettant de créer des clones d'hybrides F1 pour la plupart des espèces d'intérêt agronomique. La simplicité du processus permettrait en outre de multiplier les combinaisons hybrides testées pour créer de nouvelles variétés, ce qui se pourrait se traduire par un accroissement de la diversité des variétés cultivées. Autre perspective lié à cette découverte : les agriculteurs pourraient ressemer les graines des plantes qu’ils ont cultivées, avec l'assurance d'obtenir la même vigueur hybride de génération en génération. Un avantage pour les agriculteurs, et plus particulièrement ceux des pays émergents, pour qui l'achat annuel de semences représente un coût non négligeable. Pour être profitable à tous, cette révolution méthodologique devra s’accompagner de l’évolution du modèle économique des filières de création variétale et de production de semences.

Les plantes à graines cultivées se propagent par reproduction sexuée : un gamète mâle contenant la moitié des chromosomes du parent mâle féconde un gamète femelle contenant la moitié des chromosomes du parent femelle. L’embryon de la graine qui résulte de cette fécondation, et la plante qui en descend, contient donc les chromosomes de ses deux parents. Au cours de la méiose, les chromosomes parentaux de cette plante recombinent et les gamètes mâles et femelles possèdent des chromosomes portant un mélange de l’information génétique de leurs parents. Ce processus se reproduit à chaque génération. Si les plantes s’autofécondent (cas du blé par exemple), leurs gamètes mâles et femelles s’homogénéisent au bout d’un certain nombre de générations et on aboutit à des lignées pures stables d’une génération à l’autre. Si les plantes se reproduisent par fécondation croisée (cas du maïs par exemple), leur descendance est différente des plantes mères à chaque génération.

En revanche, certaines plantes à graines se reproduisent par apomixie : leurs embryons se développent sans méiose ni fécondation. Les plantes qui en dérivent contiennent et transmettent donc uniquement l’information génétique de la plante mère. Certaines plantes non cultivées comme des pissenlits et des aubépines utilisent ce processus de reproduction clonale par graine.

Communiqué de presse INRA 10/01/19

Contact:
Raphaël Mercier (01 30 83 39 89)
Institut Jean-Pierre Bourgin (INRA, AgroParisTech, ERL CNRS)

Contact(s) presse:
Inra service de presse (01 42 75 91 86)
Département associé :
Biologie et amélioration des plantes
Centre associé :
Versailles-Grignon

Références:
Imtiyaz Khanday, Debra Skinner, Bing Yang, Raphael Mercier & Venkatesan Sundaresan.A male-expressed rice embryogenic trigger redirected for asexual propagation through seeds. Nature (2019). https://doi.org/10.1038/s41586-018-0785-8 Abstract

Chun Wang, Qing Liu, Yi Shen, Yufeng Hua, Junjie Wang, Jianrong Lin, Mingguo Wu, Tingting Sun, Zhukuan Cheng, Raphael Mercier & Kejian Wang. Clonal seeds from hybrid rice by simultaneous genome engineering of meiosis and fertilization genes.Nature Biotechnology (2019). https://doi.org/10.1038/s41587-018-0003-0 Abstract

See also:
Raphaël Mercier, INRA award "Scientific challenge" 2016

10th January 2019


Small is big in Arabidopsis mitochondrial ribosome:
machinery translating proteins

 

Ribosomes are the molecular machines that translate messenger RNAs into proteins. They consist of two subunits. The small one decodes messenger RNA and the large one carries out the polymerization of amino acids to form the corresponding protein. Hakim Mireau, INRA senior scientistand collaborators of the group "Organelles and reproduction" from IJPB, INRA, Versailles in collaboration with the teams of Philippe Giegé (IBMP, Strasbourg university) and Yaser Hashem (IECB, INSERM, Bordeaux) has determined the specific composition and architecture of Arabidopsis mitochondrial ribosomes. This study is published in the journal Nature Plants january the 9th 2019.

Mitochondria represent the energy center of eukaryotic cells. For their metabolism as well as for their gene expression, mitochondria combine bacterial-like traits with traits that have evolved in eukaryotes. Translation is the least well-known step of mitochondrial gene expression. In plants, pentatricopeptide repeat (PPR) proteins are involved in all steps of gene expression but their function in mitochondrial translation remains unclear.

Using a biochemical approach, researchers have characterized the mitochondrial ribosome (mitoribosome) of the model plant Arabidopsis and identified its protein composition. 19 plant-specific mitoribosome proteins have been found, among which 10 are PPR proteins. Mutant analysis of genes encoding these PPR proteins, in particular using ribosome profiling, revealed their role in translation. Finally, a cryo-electron microscopy analysis revealed the unique three-dimensional architecture of these mitoribosomes. They are characterized by a very large small subunit, in particular with a new elongated domain never observed to date in other ribosomes.

This work contributes to understand the evolutionary diversity of translation systems. It illustrates remarkably how evolution has played with mitoribosomes to optimize protein synthesis in mitochondria.

Figure legend : Structural comparison between Arabidopsis mitoribosome and animal mitoribosome as well as with Arabidopsis cytosolic ribosome, which highlights the originality of this mitoribosome architecture. In particular, it is characterized by the presence of additional domains (circled in red). “SSU” represents small subunits and “LSU” large ribosomal subunits.

Contact:
Hakim Mireau  
Institut Jean-Pierre Bourgin (INRA, AgroParisTech, ERL CNRS)

Référence :
Florent Waltz F, Tan-Trung Nguyen, Mathilde Arrivé, Anthony Bochle, Johana Chicher, Philippe Hammann, Lauriane Kuhn, Martine Quadrado, Hakim Mireau, Yaser Hashem, Philippe Giegé. Small is big in Arabidopsis mitochondrial ribosome. Nature Plants doi: https://doi.org/10.1038/s41477-018-0339-y Abstract

 

9th January 2019


Recombination increased in crops by the RECQ4 gene inactivation

During the process of sexual reproduction, chromosomes exchange genetic material by recombination (crossing-over) so participating in diversity. But shuffling is limited, exchanges being scarce, genes inhibiting this mechanism. Raphaël Mercier leader of the group "Mecanism of Meiosis", IJPB, INRA, Versailles, and other scientist of INRA and CIRAD have shown that when one of these genes: RECQ4, is desactivated, the number of recombinations is 3 fold higher in crops as rice, pea and tomatoe. That breakthrough published in Nature Plants, the 26th november 2018, could allow to speed up the selection process in plant breeding and the production of plants better adapted to environment conditions (pests resistance, climate change adaptation).

Recombination is a natural mechanism common to all organisms practicing sexual reproduction, as plants, fungi or animals. Genetic diversity within species takes its origin in chromosomes shuffling. Plant breeding, as practiced since ten thousand years, consisting in crossing two plants chosen for interesting and complementary characters is based on this mechanism. Then, to obtain a new tasty tomato variety resistant to a biopest, successive crosses are performed to select the suitable combination of characters (genes involved in taste and resistance). But this process takes a very long time, consequence of the low number of crossing-over i.e. - exchange points of genetic material (CO), during reproduction. In average, between 1 to 3 CO occur for each cross. Consequently, it is impossible for example to associate 6 interesting genes in a single generation, constituting an important curb to plant breeding.

But what limits the number of recombinations ?
To understand this the limitation of the number of recombination, scientists from INRA identified and studied, in the model plant Arabidopsis thaliana, genes involved in the control of recombination level. They discovered that REQ4, one of them, harbor a high anti-crossing-over activity. Recombination frequency is twice to four fold higher when RECQ4 is inactivated!

But what happens in cultivated plants?
It has been evaluated by the consortium associating INRA and CIRAD, studying the following important crops: pea, tomato and rice. The RECQ4 gene has been successfully switched of in these species, increasing by an average of three the number of crossing-over and consequently increasing chromosome shuffling and diversity for each generation. INRA, as an applied research Institute will focus now of integrating such a tool in plant breeding programs.

But why recombinations are so infrequent?
More recently, what explains the active mechanisms as RECQ4 which limits this process, and then the rhythm of diversity, within the majority of living organisms with sex reproduction? The question is still open. The most shared theory by scientists to explain this phenomenon is that the evolution of species happens in a quite globally stable environment. Consequently, combinations selected within the previous generations are well adapted to the environment where new individual develop themselves. Diversity being necessary to adapt to survive, to shuffle cards, as we could say jeopardize the equilibrium within each generation, is probably not the most optimum solution. In brief, diversity is needed but not too much.

Communiqué de presse INRA 26/11/18

Contact:
Raphaël Mercier (01 30 83 39 89) Institut Jean-Pierre Bourgin (INRA, AgroParisTech, ERL CNRS)

Contact(s) press:
Inra service de presse (01 42 75 91 86)
Scientific department associated:
Biologie et amélioration des plantes
Center associated:
Versailles-Grignon

Référence:
Delphine Mieulet, Gregoire Aubert, Cecile Bres, Anthony Klein, Gaëtan Droc, Emilie Vieille, Celine Rond-Coissieux, Myriam Sanchez, Marion Dalmais, Jean-Philippe Mauxion, Christophe Rothan, Emmanuel Guiderdoni and Raphael Mercier, Unleashing meiotic crossovers in crops, Nature Plants doi: https://doi.org/10.1101/343509 Abstract

See also:
Raphaël Mercier, INRA award "Scientific challenge" 2016

26th november 2018


Séminars
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Monday 14 January 2019
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2:00 PM

Invited Speaker IJPB/SPS

Dr. John LUNN
System Regulation, Max Planck Institute of Molecular Plant Physiology,
MPIMPP, Potsdam, Allemagne

Sucrose signalling and regulation of sucrose metabolism by trehalose 6-phosphate

Trehalose 6-phosphate (Tre6P), the intermediate of trehalose biosynthesis, is an essential signal metabolite in plants that links developmental processes, such as flowering, shoot branching and embryogenesis, to the metabolic status of the plant. The sucrose-Tre6P nexus model postulates that Tre6P is both a signal and negative feedback regulator of sucrose levels in plant cells. The model envisages a role for Tre6P in sucrose homeostasis in plants that is analogous to the regulation of blood glucose levels by insulin in animals. In source leaves, Tre6P controls sucrose levels by regulating the partitioning of photoassimilates during the day and the turnover of transitory starch reserves at night. It also has a particularly important function in guard cells, affecting the sensitivity of stomata to abscisic acid. In sink organs, Tre6P regulates the import and utilization of sucrose for growth and the accumulation of storage reserves. We are using forward and reverse genetics approaches to dissect the functions of Tre6P in specific source and sink tissues, to understand the molecular mechanisms that underlie the sucrose-Tre6P nexus and how Tre6P links plant growth and development to the availability of sucrose.

Invited by

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Monday 21 January 2019
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2:00 PM

Invited Speaker IJPB/SPS

Dr. Marie-Cécile CAILLAUD
Laboratoire Reproduction et Développement des Plantes, ENS, Lyon

INTERPLAY between phosphoinositide and cytoskeleton during cell division in Arabidopsis

Invited by
Poster

Registration compulsory except for INRA Versailles members 17/01/19

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Seminars location except other indications
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Amphitheatre, Building 10
INRA Centre de Versailles-Grignon
Route de St Cyr (RD10)
F-78026 Versailles Cedex
France

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Page Intranet séminaires IJPB



Events
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Symposium IJPB 2018

March 19-20th 2018, INRA, Versailles, France

The First Symposium IJPB will offer a chance to listen to some of the best research developed at IJPB (but only a fraction of it!) with talks from David Bouchez, Nicolas Arnaud, Hervé Vaucheret, José Jiménez-Gómez, Raphaël Mercier, Enrico Magnani, Helen North, Stéphanie Baumberger, Bertrand Hirel. Contacts
As well as talks from prestigious external invited speakers:
Thomas Greb (Heidelberg University, Germany)
Claudia Köhler (Swedish University of Agricultural Sciences, Uppsala, Sweden)
Gwyneth Ingram (ENS Lyon, France)
Yves Van de Peer (Ghent University, Belgium)
Jonathan Jones (Sainsbury Laboratory, Norwich, United Kingdom)


Anne Krapp et Olivier Loudet

Programme and flyer

Scientific Committee : Nicolas Bouché, Jasmine Burguet, Sylvie Dinant, Jean-Denis Faure, Martine Gonneau, Herman Höfte, Anne Krapp, Patrick Laufs, Loïc Lepiniec, Olivier Loudet, Céline Masclaux-Daubresse, Raphaël Mercier, Christian Meyer, Helen North et Jean-Christophe Palauqui

Organizing Committee : Corine Enard (Institut Jean-Pierre Bourgin (IJPB), Versailles), Maria-Jesus Lacruz (IJPB, Versailles), Philippe Poré (INRA, Versailles) et Stéphane Raude (IJPB, Versailles)

Contact and more information: Symposium IJPB 2018 website



21th November 2017


Archives news: 2019 - 2018 - 2017 - 2016 - 2015 - 2014 - 2013 - 2012 - 2011 - 2010 - 2009 - 2008 - 2007 - 2006 - 2005 - 2004


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