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Theses Year : 2020

Genetic and molecular control of seed tissue and nutrient partitioning : the role of the nucellus

Contrôle génétique et moléculaire du développement de la graine et de l’accumulation des réserves : le rôle du nucelle

Jing Lu
  • Function : Author
  • PersonId : 1319204
  • IdRef : 254778089

Abstract

The architecture of the seed is shaped by the processes of tissue partitioning, which determines the volume ratio of maternal and zygotic tissues, and nutrient partitioning, which regulates nutrient distribution among tissues. In angiosperms, early seed development is characterized by the antagonistic development of the nucellus maternal tissue and the endosperm fertilization product to become the main sugar sink. Such a process marked the evolution of angiosperms and outlined the most ancient seed architectures. During my thesis, the role of the nucellus in Arabidopsis seed tissue and nutrient partitioning was investigated. The laboratory had previously demonstrated that the MADS-box transcription factor TRANSPARENT TESTA 16 (TT16) promotes the elimination of the distal region of the nucellus, the so-called transient nucellus, in response to an endosperm signal. Here, we characterized two genetic suppressors of the tt16 mutant, the SHATTER PROOF 1 (SHP1) and SHP2 MADS-box genes, which promote the survival of the nucellus. SHPs and TT16 mutually repress each other expression. Nevertheless, we detected expression overlap of SHPs, TT16, and SEPALLATA3 (SEP3) MADS-box genes in the proximal region of the nucellus, referred to as persistent nucellus as it does not degenerate. SEP3 has been shown to bridge TT16 and SHPs physical interaction, thus suggesting that nucellus elimination is coordinated by the formation of TT16 and SHPs protein complexes. Furthermore, we identified a novel path of sugar transport through the nucellus in the Arabidopsis seed. We showed that the nucellus is symplastically connected to the chalaza, the seed nutrient unloading zone, and works both as sugar sink and source alongside the seed coat. The transient nucellus accumulates starch early on after fertilization and releases it in the apoplastic space during its elimination. By contrast, the persistent nucellus and the chalaza export sugars toward the endosperm through the SWEET4 and SWEET10 sugar facilitators, a process that is partially regulated by TT16. Interestingly, we discovered that persistent and transient nucellus are symplastically disconnected. We detected relatively few plasmodesmata in the transient nucellus and their shape was reminiscent of plasmodesmata blocked by the accumulation of callose. We hypothesize that the development of a symplastic barrier between persistent and transient nucellus might prevent the spreading of the cell elimination process, which indeed affects only the distal region of the nucellus. Finally, we characterized nucellus development in the Amaranthus seed that, opposite to Arabidopsis, grows a large nucellus as primary storage tissue. To challenge the hypothesis that the TT16 transcription factor might be responsible for the evolution of such different seed architectures, we cloned TT16 orthologous gene in Amaranthus and characterized its expression pattern and function. Overall, this work gives an insight in the regulatory mechanisms that coordinate the processes of nutrient and tissue partitioning in seeds.
L’architecture de la graine est dictée par des processus de partitionnement de tissus, déterminant le ratio volumique entre les tissus maternels et les tissus zygotiques, et par des processus de partitionnement nutritif régulant l’allocation des nutriments entre ces tissus. Chez les angiospermes, le développement précoce de la graine se caractérise par un développement antagoniste, pour la mise en place de tissus puits pour les sucres, entre le nucelle, un tissu maternel, et l’endosperme, issu de la fécondation. Un tel processus témoigne de l’évolution des angiospermes et contribue aux plus anciennes architectures de graines. Durant ma thèse, le rôle du nucelle lors du partitionnement tissulaire et nutritif a été étudié dans la graine d’Arabidopsis. Le laboratoire avait précédemment démontré que le facteur de transcription à MADS-box TRANSPARENT TESTA 16 (TT16) promeut l’élimination de la région distale du nucelle, appelée nucelle transitoire, en réponse à un signal provenant de l’endosperme. Nous avons caractérisé deux suppresseurs du mutant tt16, les gènes à MADS-box SHATTERPROOF 1 (SHP1) et SHP2, qui promeuvent le maintien du nucelle. SHPs et TT16 répriment mutuellement leurs expressions. Cependant, nous avons pu détecter une superposition des expressions des gènes à MADS-box SHPs, TT16 et SEPALLATA3 (SEP3), dans la région proximale du nucelle, appelée nucelle persistant du fait de son absence de dégénérescence. Il a été montré que SEP3 établit un pont lors des interactions physiques entre TT16 et SHPs, suggérant ainsi que l’élimination du nucelle est coordonnée par la formation de complexes protéiques impliquant TT16 et SHPs. De plus, nous avons identifié une nouvelle voie de transport des sucres passant par le nucelle dans la graine d’Arabidopsis. Nous avons montré que le nucelle est connecté symplastiquement à la chalaze, la zone de de déchargement des nutriments. Le nucelle fonctionne à la fois comme puits pour les sucres et source au côté du tégument de la graine. Le nucelle transitoire accumule de l’amidon très tôt après la fécondation et le restitue dans l’espace apoplastique lors de son élimination. Le nucelle persistant et la chalaze, au contraire, exportent les sucres vers l’endosperme grâce aux facilitateurs de sucres SWEET4 et SWEET10, processus partiellement régulé par TT16. De façon intéressante, nous avons découvert que les nucelles, persistant et transitoire, étaient déconnectés symplastiquement. Nous avons détecté assez peu de plasmodesmes dans le nucelle transitoire et leurs formes rappellent celles de plasmodesmes bloqués par l’accumulation de callose. Nous émettons l’hypothèse que le développement d’une barrière symplastique entre les nucelles persistant et transitoire pourrait empêcher la propagation du processus d’élimination cellulaire, qui en effet n’affecte que la région distale du nucelle. Enfin, nous avons caractérisé le développement du nucelle dans la graine d’Amaranthe, qui, au contraire de la graine d’Arabidopsis, est très important et lui confère le statut de tissu primaire de réserve. Pour tester l’hypothèse selon laquelle le facteur de transcription TT16 pourrait être responsable de l’évolution de l’architectures des graines, nous avons cloné le gène TT16 orthologue chez l’Amaranthe et déterminé son profil expression et sa fonction. En conclusion, ce travail présente les mécanismes de régulation qui coordonnent les processus de partitionnement des tissus et des nutriments dans les graines.
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  • HAL Id : tel-04319573 , version 1

Cite

Jing Lu. Genetic and molecular control of seed tissue and nutrient partitioning : the role of the nucellus. Development Biology. Université Paris-Saclay, 2020. English. ⟨NNT : 2020UPASB008⟩. ⟨tel-04319573⟩
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