Evolutionary mechanisms of plant adaptation illustrated by cytochrome P450 genes under purifying or relaxed selection

par Zhenhua Liu

Thèse de doctorat en Aspects moléculaires et cellulaires de la biologie

Sous la direction de Danièle Reichhart.

Le président du jury était Philippe Hugueney.

Le jury était composé de Richard Sibout, Patrick Achard.

Les rapporteurs étaient Juergen Kroymann, Niko Geldner.

  • Titre traduit

    Mécanismes évolutifs de l'adaptation des plantes illustrés par les gènes de P450s sous sélection purifiante ou pression de sélection relâchée


  • Résumé

    Les plantes produisent une remarquable diversité de métabolites pour faire face aux contraintes d’un environnement en constante fluctuation. Cependant la manière dont les plantes ont atteint un tel degré de complexité métabolique et les forces responsables de cette diversité chimique reste largement incomprise. On considère généralement que le mécanisme de duplication des gènes contribue pour une grande part à l’évolution naturelle. En absence de transfert horizontal, les gènes d’évolution récente se cantonnent généralement chez quelques espèces et sont soumis à une évolution rapide, alors que les gènes conservés et plus anciens ont une distribution beaucoup plus large et sont porteurs de fonctions essentielles. Il est donc intéressant d’étudier l’adaptation des plantes en analysant parallèlement les gènes qui présentent soit une large distribution taxonomique, soit une distribution plus restreinte, de type lignée-spécifique. Les cytochromes P450 (CYP) constituent l’une des plus vastes familles de protéines chez les plantes, présentant des phylogénies très conservées ou très branchées qui illustrent la plasticité métabolique et la diversité chimique. Pour illustrer l’évolution des fonctions des cytochromes P450 dans le métabolisme végétal, nous avons sélectionné trois gènes, l’un très conservé au cours de l’évolution, CYP715A1 et les deux autres, CYP98A8 et CYP98A9, très récemment spécialisés de manière lignée spécifique chez les Brassicaceae. Les gènes appartenant à la famille CYP715 ont évolué avant la divergence entre gymnospermes et angiospermes, et sont le plus souvent présent en copie unique dans les génomes végétaux. Ceci suggère que leur fonction est essentielle et très conservée chez les plantes à graines (spermaphytes). Sur la base d’une analyse transcriptionnelle et de l’expression du gène GUS sous le contrôle du promoteur de CYP715A1, il est apparu que ce gène est spécifiquement exprimé au cours du développement floral, dans les cellules tapétales des jeunes boutons floraux ainsi que dans les filaments lors de l’anthèse. CYP715A1 est également fortement induit dans les cellules du péricycle de la zone d’élongation racinaire en réponse au stress salin. L’induction par le sel nécessite une région promotrice située entre 2 et 3 kb en amont de la région codante (i.e ; codon START), ce qui suggère la présence d’un facteur cis à cet endroit. Afin de déterminer la fonction de CYP715A1 chez Arabidopsis thaliana, j’ai identifié deux mutants d’insertion de T-DNA par génotypage et complémenté ces mutants avec le gène natif. La perte de fonction de CYP715A1 n’a pas d’impact sur la croissance et la fertilité de la plante en conditions de laboratoire. Cependant, une analyse par microscopie électronique en transmission montre un phénotype d’intine ondulée. La perte de fonction du gène CYP715A1 a également entraîné une réduction de la taille des pétales et un défaut d’anthèse. [...]


  • Résumé

    Plants produce a remarkable diversity of secondary metabolites to face continually challenging and fluctuating environmental constraints. However, how plants have reached such a high degree of metabolic complexity and what are the evolutionary forces responsible for this chemodiversity still remain largely unclarified. Gene evolution based on gene birth and extinction has been reported to nicely reflect the natural evolution. Without horizontal gene transfer, young genes are often restricted to a few species and have undergone rapid evolution, whereas old genes can be broadly distributed and are always indicative of essential housekeeping functions. It is thus of interest to study plant adaptation with parallel focus on both taxonomically widespread and lineage-specific genes. P450s are one of the largest protein families in plants, featuring both conserved and branched phylogenies. Examples of P450 properties reflecting metabolic versatility, chemodiversity and thus plant adaptation have been reported. To illustrate evolution of P450 functions in plant metabolism, we selected two P450 genes, one evolutionary conserved CYP715A1 and the second a recently specialized lineage-specific gene CYP98A9 in Arabidopsis thaliana.CYP715s evolved before the divergence between gymnosperms and angiosperms and are present in single copy in most sequenced plant genomes, suggesting an essential housekeeping function highly conserved across seed plants. Based on transcriptome analysis and promoter-driven GUS expression, CYP715A1 is selectively expressed in tapetal cells of young buds and filaments of open flowers during flower development. In addition, CYP715A1 is highly induced in the pericycle cells of the root elongation zone upon salt stress. The salt induction relies on the 2-3kb region of CYP715A1 promoter, suggesting some salt-response elements may exist in this area. To characterize the function of CYP715A1 in Arabidopsis, I identified two T-DNA insertion mutants by genotyping and confirmed by complementation with native CYP715A1 gene. Loss of function of CYP715A1 has no impact on plant growth and fertility in laboratory conditions. However, transmission electron microscopy (TEM) analysis has shown constant undulated intine phenotype in two knockout mutants and also the petal growth is significantly inhibited. These two phenotypes nicely match the native expression pattern of CYP715A1. Gene co-expression analysis suggests involvement of CYP715A1 in gibberellin (GA) metabolism under salt treatment. GAs profiling on mutant flowers also indicates reduced accumulation specific GAs. Unfortunately, no significant phenotype either related to root growth or root architecture under salt treatment can be observed. Recombinant expression of the CYP715A1 enzyme in yeast so far does not allow confirming GAmetabolism. However, metabolic profiling of inflorescences in mutants and over-expression lines, together with transcriptome analysis of the loss of function cyp715a1 mutants strongly support a CYP715A1 role in signaling, hormone homeostasis and volatile emission in agreement with the purifying selection leading to gene conservation observed in spermatophytes.[...]

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