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Physiologie de la germination
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Mots-clés : Arabidopsis thaliana - acide abscissique, Arabidopsis thaliana, biosynthèse, caroténoïde, compartimentation, développement, dormance, flavonoïdes, germination, graine, hormone, longévité, métabolisme secondaire, modification post-traductionnelle, monoxyde d'azote, mucilage, mutant, Oryza sativa, pectine, proanthocyanidines, protéomique, semences, stress abiotique, tégument, tannins condensés, transparent testa, transport, vieillissement

Ecole(s) doctorale(s) de rattachement : ED435 "ABIES", ED 145 “Sciences du Végétal”


Contacts :

Institut Jean-Pierre Bourgin, UMR1318 INRA-AgroParisTech
INRA - Centre de Versailles-Grignon
Bâtiment 2
Route de Saint-Cyr (RD 10)
78026 Versailles Cedex France


tél : +33 (0)1 30 83 30 00 - fax : +33 (0)1 30 83 33 19
   
 

Responsable
Annie Marion-Poll
Directeur de recherche

Loïc Rajjou
Maître de Conférences AgroParisTech

 

François Perreau
Ingénieur de recherche

 

Béatrice Godin
Technicien AgroParisTech

 

Gwendal Cueff
Technicien AgroParisTech
Contrôle de la germination des graines

 

Boris Collet
Adjoint -Technique AgroParisTech

 

Isabelle Fabrissin
Doctorant
du 1/10/15 au 30/9/18

Jordan Brulé
Ingénieur d'études
du 1/4/2017 au 30/6/2018

Jordan.Brule@inra.fr

Edith Francoz
Post-Doctorant

Edith.Francoz@inra.fr

Stéphanie Chedraoui
Doctorant en visite

Stephanie.Chedraoui@inra.fr

Isabelle Debeaujon
Chargé de Recherche

Jeffrey Leung
Chargé de Recherche CNRS

 

 

Adeline Berger
Assistant Ingénieur

Elodie Akary
Assistant Ingénieur

 

Christine Sallé
Adjoint Technique

Frédéric Chauffour
Doctorant
du 01/10/15 au 30/09/18

 

 

Anciens membres
de l'équipe

 

 


Résumé :


L’équipe « Physiologie de la germination » étudie les mécanismes essentiels de la régulation de la dormance, la longévité et la réponse de la graine à l'environnement, dans le but d'améliorer la qualité germinative des semences. Des approches multidisciplinaires de génétique moléculaire, génomique fonctionnelle, analyse du transcriptome, protéome et métabolome, physiologie et histologie sont mises en œuvre, principalement chez Arabidopsis, mais aussi chez le riz. L’acide abscissique est une hormone essentielle qui induit la dormance et inhibe la germination, notamment en réponse aux stress environnementaux. Aussi nous travaillons à l’identification des gènes impliqués dans la régulation de sa synthèse et de son réseau de signalisation dans la graine. Nous nous intéressons également à un régulateur positif de la germination et de la tolérance aux stress, le monoxyde d’azote (NO?). Nous analysons sa capacité à réguler la fonction des protéines par modifications post-traductionnelles (S-nitrosylation, nitration…), en relation avec l'état physiologique de la graine. Nous étudions aussi d'autres mécanismes de modification des protéines importants pour la longévité et la survie des graines dans des conditions défavorables, et tout particulièrement la protéine L-isoaspartate O-méthyltransférase (PIMT). En effet, cette enzyme répare des protéines, dont la conformation est altérée par des isomérisations et déaminations spontanées des résidus aspartate et asparagine. Les propriétés du tégument des graines affectent la capacité germinative, aussi nous étudions deux classes de métabolites qui y sont accumulées : les flavonoïdes et les polysaccharides du mucilage. Les flavonoïdes sont des métabolites secondaires qui influencent les qualités agronomiques des graines (dormance, germination et longévité) et contribuent à les protéger contre différents stress biotiques ou abiotiques. Nos recherches portent sur les mécanismes de contrôle du métabolisme des flavonoïdes (biosynthèse, trafic intracellulaire et stockage) et leur intégration dans le développement de la graine d’Arabidopsis. Les polysaccharides accumulés dans le tégument externe sont libérés à l’imbibition et forment un halo de mucilage qui entoure la graine. La synthèse et la fonction de ce mucilage sont complexes et son rôle physiologique reste mal compris. Nous utilisons des mutants naturels dont les propriétés du mucilage sont altérées, afin d’identifier de nouveaux gènes responsables de sa production et de mieux comprendre ses rôles physiologiques.

 


Résultats marquants :

Contrôle hormonal de la germination
Animatrice : Annie Marion-Poll

L'acide abscissique est un régulateur essentiel du développement et de la germination des graines et de la tolérance au stress à tous les stades du développement des plantes. Le contrôle de ces processus physiologiques fait intervenir la régulation de la synthèse et la dégradation de l'hormone ainsi que la transduction du signal hormonal.
L'ABA est synthétisé à partir de caroténoïdes oxygénés à 40 carbones. Notre équipe a contribué à la compréhension de cette voie par l'identification des gènes de synthèse de la violaxanthine et de la néoxanthine, et par l'analyse fonctionnelle de la famille des gènes NCED qui codent pour la 9-cis-époxycaroténoïde dioxygénase, enzyme responsable du clivage des caroténoïdes. Actuellement nous étudions la régulation fine de la synthèse d'ABA dans la graine et cherchons à en identifier les facteurs de régulation.
Les connaissances concernant le réseau de signalisation de l'ABA restent encore fragmentaires, même si récemment des protéines impliquées dans la perception du signal hormonal ont été identifiées. Nous avons sélectionné, par observation de la température foliaire par thermographie infrarouge, des mutants suppresseurs de la mutation de déficience à l'ABA, Ataba3. Aucune de ces mutations n'augmente la teneur en ABA, et l'étude phénotypique des mutants indique que ces mutations pourraient affecter la signalisation de l'ABA. La cartographie de trois de ces mutations a été entreprise.

Analyse protéomique des graines
Animateur : Loïc Rajjou

La levée de dormance se produit naturellement au cours de la conservation à l’état sec des graines (after-ripening), ce qui augmente leur potentiel germinatif. Toutefois, en cas de stockage prolongé, les processus de vieillissement conduisent à une perte progressive de cette capacité germinative. Les membres de notre équipe étudient les bases moléculaires du contrôle de la germination des graines par des analyses protéomiques différentielles chez les espèces modèles Arabidopsis thaliana et Oryza sativa. Nous travaillons plus particulièrement sur l’effet du nitrate (NO3) et du monoxyde d’azote (NO?) sur le contrôle de la germination (dormance, vigueur germinative, longévité des graines). En effet, outre l’influence de la balance hormonale acide abscissique/gibbérellines, de récentes études montrent que le radical NO? favorise la germination des graines dans des conditions pénalisantes (état de dormance, stress abiotiques…). Néanmoins, le mode d’action de ce radical au niveau moléculaire et ses cibles préférentielles demeurent inconnus. Des pistes intéressantes indiquent qu'il est capable de réguler la fonction des protéines par modifications post-traductionnelles (MPTs) de celles-ci (S-nitrosylation, nitration…). Aussi nous nous efforçons de caractériser les protéines modifiées par le NO? dans différents états physiologiques de la graine.

Production et fonction du mucilage séminal
Animatrice : Helen North

Depuis quelques années sont développées à Versailles des approches d'analyse de la variabilité naturelle chez Arabidopsis. Notre équipe cherche plus spécifiquement à identifier des variants de gènes importants pour l'adaptation de la germination aux conditions environnementales. L'analyse de la germination de la collection d'accessions de Versailles a mis en évidence des différences de capacité germinative à basse température et à l'obscurité ainsi que pour la production de mucilage. L'étude d'une population de lignées recombinantes entre les accessions Bay-0 et Shahdara nous a permis d'identifier des QTL affectant la germination au froid et à l'obscurité. Ces deux accessions diffèrent également dans leur capacité à libérer du mucilage à l'imbibition. Nous avons étudié les propriétés de ce mucilage et isolé un gène affectant les propriétés hygroscopiques des pectines constituant le mucilage. Actuellement, dans le cadre d’un projet ANR-blanc (https://www4.versailles-grignon.inra.fr/amuse), notre groupe étudie la variabilité naturelle de la composition du mucilage.


Métabolisme et rôles biologiques des flavonoïdes de la graine
Animatrice : Isabelle Debeaujon

La graine d’Arabidopsis contient des tannins condensés (proanthocyanidines) présents spécifiquement dans le tégument interne, ainsi que des flavonols présents dans tous les compartiments de la graine. Les objectifs de notre équipe sont d’identifier et/ou caractériser les différentes fonctions nécessaires à la biosynthèse, au transport et à la compartimentation sous-cellulaire de ces flavonoïdes. Nous avons ainsi déterminé qu’une laccase codée par le gène TRANSPARENT TESTA 10 (TT10) catalyse le brunissement et la polymérisation oxydative des flavonoïdes (Pourcel et al., 2005). En collaboration avec l’équipe de Markus Klein (Université de Zürich), nous avons également démontré que le transporteur de type MATE TT12 est tonoplastique et capable de transporter des flavonoïdes (Marinova et al., 2007). Elucider la fonction de la protéine TT15 dans la biosynthèse des flavonoïdes est l’un de nos objectifs actuels. Un second aspect de nos recherches consiste à analyser les fonctions des flavonoïdes dans la physiologie de la graine et sa tolérance aux stress biotiques et abiotiques.

 

 

 

Brevets :

Ogé L, Grappin P, Collet B (2009) S-Adenosine homocysteine quantitation to monitor seed storability and seed vigor. Patent Registration submitted

Marion-Poll A, North H, Lessard P, Redondo E (2006) Identification of proteins useful for improving plant tolerance water deficit (ABA4). Patent n° 06290983 (http://www.wipo.int/pctdb/en/wo.jsp?WO=2007144775)

Grappin P, Ogé L, Bove J (2005) Using L-isoaspartyl methyltransferase as molecular marker of seed ageing. Patent n° 03 13858 (http://www.wipo.int/pctdb/fr/wo.jsp?WO=2005054499)

Debeaujon I, Devic M, Caboche M, Lepiniec L (2001) Acide nucléique régulateur permettant l'expression d'un polynucléotide d'intérêt spécifiquement dans l'endothélium d'un grain de plante, et ses applications. Brevet n°01-10365 (http://www.wipo.int/pctdb/fr/wo.jsp?WO=2003012106)


Publications représentatives :

Griffiths JS, North HM (2017) Sticking to cellulose: exploiting Arabidopsis seed coat mucilage to understand cellulose biosynthesis and cell wall polysaccharide interactions. New Phytol 214, 959-966

Leung J (2017) The first broad-spectrum abscisic acid antagonist. Plant Physiol 173, 1939

Dekkers B, He H, Hanson J, Willems L, Jamar D, Cueff G, Rajjou L, Hilhorst H, Bentsink L (2016). The Arabidopsis DELAY OF GERMINATION 1 gene affects ABSCISIC ACID INSENSITIVE 5  (ABI5) expression and genetically interacts with ABI3 during Arabidopsis seed development. Plant J 85, 451-465

Feilke K, Streb P, Cornic G, Perreau F, Kruk J, Krieger-Liszkay A (2016) Effect of Chamydomonas plastid terminal oxidase 1 expressed in tobacco on photosynthetic electron transfer. Plant J 85, 219-228

Fendrych M, Leung J, Friml J (2016) TIR1/AFB-Aux/IAA auxin perception mediates rapid cell wall acidification and growth of Arabidopsis hypocotyls. eLife 5

Griffiths JS, Crépeau M-J, Ralet M-C, Seifert GJ, North HM (2016) Dissecting seed mucilage adherence mediated by FEI2 and SOS5. Front Plant Sci 7, 1073

Leung J, Benzihizina N, Mancuso S and Valon C (2016) Revisiting the plant's dilemma. Mol Plant 9, 7-9

López-Igual R, Wilson A, Leverenz RL, Melnicki MRM, Bourcier de Carbon C, Sutter M, Turmo A, Perreau F, Kerfeld CA, Kirilovsky D (2016) Different functions of the paralogs to the N-terminal domain of the Orange Carotenoid Protein in the cyanobacterium Anabaena sp. PCC 71201. Plant Physiol 171, 1852-1866

Melnicki MR, Leverenz RL, Sutter M, López-Igual R, Wilson A, Pawlowski EG, Perreau F, Kirilovsky D, Kerfeld CA (2016) Structure, diversity and evolution of a new family of soluble carotenoid binding proteins in cyanobacteria. Mol Plant 9, 1379-1394

Ralet M-C, Crépeau M-J, Vigoroux J, Tran J,  Berger A, Sallé C, Granier F, Botran L, North HM (2016) Xylans provide the structural driving force for mucilage adhesion to the Arabidopsis seed coat. Plant Physiol 171, 165-178

Sano N, Rajjou L, North HM, Debeaujon I, Marion-Poll A, Seo M (2016) Staying alive: molecular aspects of seed longevity. Plant Cell Physiol 57, 660-674

Sechet J, Frey A, Effroy-Cuzzi D, Berger A, Perreau F, Cueff G, Charif D, Rajjou L, Mouille G, North HM, Marion-Poll A (2016) Xyloglucan metabolism differentially impacts the cell wall characteristics of the endosperm and embryo during Arabidopsis seed germination. Plant Physiol 170, 1367-1380

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Voiniciuc C, Zimmermann E, Schmidt MH, Gunl M, Fu L, North HM, Usadel B (2016) Extensive natural variation in Arabidopsis seed mucilage structure. Front Plant Sci 7, 803

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Jallet D, Thurotte A, Leverenz RL, Perreau F, Kerfeld CA, Kirilovsky D (2014) Specificity of the cyanobacterial Orange Carotenoid Protein: Influences of OCP and phycobilisome structures. Plant Physiol 164, 790-804

Jammes F, Leonhardt N, Tran D, Bousserouel H, Véry AA, Renou JP, Vavasseur A, Kwak JM, H Sentenac, F Bouteau, Leung J (2014) Acetylated 1,3 -diaminopropane antagonizes abscisic acid-mediated stomatal closing in Arabidopsis. Plant J 79, 322-333

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Saez-Aguayo S, Rondeau-Mouro C, Macquet A, Kronholm I, Ralet MC, Berger A, Salle C, Poulain D, Granier F, Botran L, Loudet O, de Meaux J, Marion-Poll A, North HM (2014) Local evolution of seed flotation in Arabidopsis. PLoS Genet 10, e1004221

Sedoud A, López-Igual R, Ur Rehman A, Wilson A, Perreau F, Boulay C, Vass I, Krieger-Liszkay A, Kirilovsky D (2014) The cyanobacterial photoactive orange carotenoid protein is an excellent singlet oxygen quencher. Plant Cell 26, 1781-1791

Albert VA, Barbazuk WB, dePamphilis CW, Der JP, Leebens-Mack J, Ma H, Palmer JD, Rounsley S, Sankoff D, Schuster SC, Soltis DE, Soltis PS, Wessler SR, Wing RA, Albert VA, Ammiraju JS, Barbazuk WB, Chamala S, Chanderbali AS, dePamphilis CW, Der JP, Determann R, Leebens-Mack J, Ma H, Ralph P, Rounsley S, Schuster SC, Soltis DE, Soltis PS, Talag J, Tomsho L, Walts B, Wanke S, Wing RA, Albert VA, Barbazuk WB, Chamala S, Chanderbali AS, Chang TH, Determann R, Lan T, Soltis DE, Soltis PS, Arikit S, Axtell MJ, Ayyampalayam S, Barbazuk WB, Burnette JM 3rd, Chamala S, De Paoli E, dePamphilis CW, Der JP, Estill JC, Farrell NP, Harkess A, Jiao Y, Leebens-Mack J, Liu K, Mei W, Meyers BC, Shahid S, Wafula E, Walts B, Wessler SR, Zhai J, Zhang X, Albert VA, Carretero-Paulet L, dePamphilis CW, Der JP, Jiao Y, Leebens-Mack J, Lyons E, Sankoff D, Tang H, Wafula E, Zheng C, Albert VA, Altman NS, Barbazuk WB, Carretero-Paulet L, dePamphilis CW, Der JP, Estill JC, Jiao Y, Leebens-Mack J, Liu K, Mei W, Wafula E, Altman NS, Arikit S, Axtell MJ, Chamala S, Chanderbali AS, Chen F, Chen JQ, Chiang V, De Paoli E, dePamphilis CW, Der JP, Determann R, Fogliani B, Guo C, Harholt J, Harkess A, Job C, Job D, Kim S, Kong H, Leebens-Mack J, Li G, Li L, Liu J, Ma H, Meyers BC, Park J, Qi X, Rajjou L, Burtet-Sarramegna V, Sederoff R, Shahid S, Soltis DE, Soltis PS, Sun YH, Ulvskov P, Villegente M, Xue JY, Yeh TF, Yu X, Zhai J, Acosta JJ, Albert VA, Barbazuk WB, Bruenn RA, Chamala S, de Kochko A, dePamphilis CW, Der JP, Herrera-Estrella LR, Ibarra-Laclette E, Kirst M, Leebens-Mack J, Pissis SP, Poncet V, Schuster SC, Soltis DE, Soltis PS, Tomsho L (2013) The Amborella genome and the evolution of flowering plants. Science. 342:1241089

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