The identification of laccases involved in lignin formation in Brachypodium distachyon culm and the regulation of laccases in Arabidopsis stems

par Yin Wang

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Richard Sibout.

Soutenue le 27-08-2015

à Paris 11 , dans le cadre de Ecole doctorale Sciences du Végétal (1992-2015 ; Orsay, Essonne) , en partenariat avec Institut Jean-Pierre Bourgin (Versailles) (laboratoire) .

Le président du jury était Elisabeth Jamet.

Le jury était composé de Richard Sibout, Elisabeth Jamet, Christian Dubos, Danièle Reichhart, Mylène Durand-Tardif, Patrick Saindrenan.

Les rapporteurs étaient Christian Dubos, Danièle Reichhart.

  • Titre traduit

    L'identification des laccases impliquée dans la formation de lignine Brachypodium distachyon chaume et la réglementation des laccases chez Arabidopsis tiges


  • Résumé

    Les lignines sont des hétéropolymères phénoliques de la paroi cellulaire, principalement à base de p-coumaryl, coniférylique et sinapylique alcools. Ces monolignols sont synthétisées dans le cytoplasme de la voie des phénylpropanoïdes, peut ensuite transportées vers les parois des cellules où ils sont polymérisés par oxydation en p-hydroxyphényl (H), guaiacyle (G) et syringyle (S) des unités de lignine. Cette étape de polymérisation par oxydation est conduite par les peroxydases dépendantes H₂O₂ et / ou laccases dépendantes O₂. Dans cette étude, nous avons signalé pour la première fois que les laccases sont également impliqués dans la lignification du les herbes. Un gène de laccase spécifique (BdLAC5) a été identifié parmi les 29 gènes de laccase non redondants dans Brachypodium génome, qui est responsable de la lignification dans les tiges de Brachypodium distachyon, une plante modèle pour les graminées. BdLAC5 gène a été retrouvé fortement exprimé dans les organes lignifiées (internodal, nœud et le pédoncule) et mal exprimé dans les organes avec faible niveau de lignine (jeunes feuilles et épillet), ni dans les tissus non-lignifiée (endosperme). Deux autres laccases BdLAC6 et BdLAC8 sont également trouvés coexprimés avec BdLAC5 et curieusement ils appartiennent à la même clade phylogénétique. BdLAC6 et BdLAC8 sont orthologues de Arabidopsis LAC4 et LAC2 respectivement. Dans les expériences d'hybridation in situ ont démontré le signal le plus intense dans les fibres interfasciculaires de l'entre-nœud a été détectée avec des sondes BdLAC5. En outre, des essais ont révélé que les protéines immunomarquages BdLAC5 pourraient être sécrétés dans la matrice de la paroi cellulaire, car nous avons détecté des particules fluorescentes dans ou à proximité de la paroi cellulaire. Le double mutant laccase touchée BdLAC5 et BdLAC8 a clairement montré que la lignification dans les fibres interfasciculaires impliqué différents gènes / protéines que la lignification dans les cellules métaxylème de Brachypodium. Métaxylème cellules ont été que faiblement affectés dans le double mutant lorsque les fibres interfasciculaires montré diminution dramatique de Wiesner coloration. Les différents mécanismes de lignification entre xylème et fibres est discutée. L'interaction physique et la synergie entre réglementation spécifique R2R3-MYB, bHLH et WDR protéines est bien étudiée dans la biosynthèse des flavonoïdes, racine des cheveux, trichomes et le développement en mucilage de graines de différentes espèces de plantes. Dans cette étude, nous avons essayé de comprendre les rôles de MYB-bHLH-WDR pour la régulation de la biosynthèse de la lignine.


  • Résumé

    Lignins are cell wall phenolic heteropolymers, mainly made from p-coumaryl, coniferyl, and sinapyl alcohols. These monolignols are synthesized in the cytoplasm from the phenylpropanoid pathway, then may transported to the cell walls where they are oxidatively-polymerized into p_hydroxyphenyl (H), guaiacyl (G) and syringyl (S) lignin units. This oxidative polymerization step is driven by H₂O₂-dependent peroxidases and/or O₂-dependent laccases. In this study we reported for the first time that laccases are also involved in lignification in grasses. A specific laccase gene (BdLAC5) was identified among 29 non-redundant laccase genes in Brachypodium genome, which is responsible for the lignification in stems of Brachypodium distachyon, a model plant for grasses. BdLAC5 gene was found highly expressed in lignified organs (internode, node and peduncle) and poorly expressed in organs with low lignin level (young leaf and spikelet) nor in non-lignified tissue (endosperm). Two other laccases BdLAC6 and BdLAC8 are also found coexpressed with BdLAC5 and interestingly enough they belong to the same phylogenetic clade. BdLAC6 and BdLAC8 are close orthologues of Arabidopsis LAC4 and LAC2 respectively. In situ hybridization experiments demonstrated the most intense signal in the interfascicular fibers of the internode was detected with BdLAC5 probes and then for BdLAC8 and BdLAC6 probes. Furthermore, immunolabelling assays revealed that BdLAC5 proteins might be secreted into the cell wall matrix because we detected some fluorescent particles close to or in the cell wall. The double laccase mutant affected in BdLAC5 and BdLAC8 (5ho8ho) clearly showed that the lignification in interfascicular fibers involved different genes/proteins than the lignification in metaxylem cells of Brachypodium. Metaxylem cells were only poorly affected in the double mutant when interfascicular fibers showed dramatic decrease of Wiesner staining. The different mechanisms of lignification between xylem and fibers is discussed. The physical interaction and regulatory synergy between specific R2R3-MYB, bHLH and WD repeat protein is well studied in the biosynthesis of flavonoids, root hair, trichome and seed mucilage development in different plant species. In this study, we were trying to figure out the roles of MYB- bHLH-WDR for the regulation of lignin biosynthesis.


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