Relation entre l’acide abscissique et la régulation de la traduction dans le contrôle de la germination de semences d’Arabidopsis thaliana

Relationship between abscisic acid and translation regulation in the control of seed germination in Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Frédéric Chauffour
• Direction : Loïc Rajjou
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences de la vie et de la santé
• Date : Soutenance le 14/12/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Agriculture, alimentation, biologie, environnement, santé (Paris ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean-Pierre Bourgin (Versailles ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : AgroParisTech (France ; 2007-....)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Denis Faure
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Denis Faure, Stéphane Ravanel, Olivier Leprince, Michaela Hundertmark-Bertaud
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphane Ravanel, Olivier Leprince

Mots clés

Mots clés contrôlés

Essais

Métaomique

Protéomique végétale

Transcription génétique

Germination

Tests

Qualité

Plants

Innovation

Analyse

Semences -- Dormance

Mots clés libres

Semences

Germination

Dormance

Traduction

Protéomique

Omiques

Seeds

Germination

Seed dormancy

MRNA Translation

Proteomics

Omics

Résumé

La qualité germinative (vigueur) des semences est un caractère agronomique majeur. Elle correspond à la capacité d'un lot de semences à germer de façon rapide et homogène dans une large gamme de conditions environnementales. Cette qualité germinative est notamment contrôlée par une interaction antagoniste entre deux phytohormones, l'acide abscissique (ABA) qui induit et maintient la dormance et les gibbérellines (GAs) qui stimulent la germination et la croissance de la plantule. La dormance, qui correspond à un blocage physiologique de la germination, est un paramètre non souhaitable d'un point de vue agronomique. Par conséquent la compréhension de la régulation hormonale sur la qualité des semences représente un intérêt fort pour la communauté scientifique mais aussi pour les acteurs de la filière ''semences''. De nombreuses études ont démontré l'existence d’une importante régulation de la synthèse des protéines au cours de l’imbibition des graines. Cette régulation traductionnelle contribuerait à la mise en place des programmes métaboliques différents en fonction de l’état physiologique des semences pour maintenir un état de dormance ou initier le processus de germination.Le travail réalisé dans le cadre de cette thèse s’est concentré à apporter des éléments nouveaux sur le rôle de l’ABA dans la détermination de la qualité physiologique des semences au cours du développement de la graine et au cours de la germination. L’impact de l’ABA a été particulièrement décortiqué à l’aide de mutant d’Arabidopsis thaliana présentant des teneurs en ABA endogènes contrastées. Par une approche multi-omique combinant des analyses transcriptomiques, protéomiques et métabolomiques, nous avons étudié les mécanismes moléculaires et biochimiques associées avec la mise en place de la qualité physiologique des semences en relation avec l’ABA. Nos résultats ont montré qu’au-delà du contenu en ABA, l’origine tissulaire de cette hormone dans les graines gouverne de nombreux réarrangements métaboliques qui participent au déterminisme de la profondeur de dormance et de la vigueur germinative. Il apparaît un lien entre l’ABA et l’activité traductionnelle, étroitement associé au métabolisme énergétique et à l’homéostasie RedOx.L’effet de l’ABA sur l’activité traductionnelle a été suivi par une adaptation des méthodes SILAC (stable-isotope labelled amino acids in cell culture) aux grains d’Arabidopsis. Cette technique a été utilisée pour décrire la dynamique du protéome dépendante du contenu en ABA des graines au cours de leur imbibition. Nos résultats montrent que cette approche originale permet d’enrichir les connaissances sur la biologie fondamentale des semences. En effet, nous avons montré que l’ABA est un régulateur clé de la synthèse protéique dans les graines et est un contributeur majeur dans la mise en place des différents programmes traductionnels. Cette approche a montré que l’ABA exerce un contrôle sur la traduction de plus de 400 ARNm au cours de l’imbibition des graines et ouvre de nouvelles pistes pour la compréhension de la régulation de la synthèse protéique chez les semences et chez les plantes. Ces données générées offrent un nouveau regard sur le processus germinatif et de sa régulation par l’ABA.Sur la base des données existantes au laboratoire et celles générées au cours de cette thèse, nous avons également développé une utilisation de bio-marqueurs pour l’évaluation de la qualité des semences et nous avons mis au point des traitements de semences innovants. Ces technologies ont été développé en accord avec les attentes des industriels de la filière « semences ». La récente obtention d’un financement pour ce projet de recherche appliquée démontre la complémentarité des recherches effectuées au sein du laboratoire avec les besoin des industriels de la filière « semences ».

Germination vigor is a main concern in agriculture. High seed vigor is defined as the capacity of a seed lot to germinate rapidly, uniformly and in a wide range of environmental conditions. Seed quality is controlled by a dynamic balance between two antagonistic hormones, abscisic acid (ABA), which induces and maintains dormancy and gibberellins (GAs), which stimulate seed germination and seedling establishment. Seed dormancy corresponds to a block to the completion of germination and is an undesirable characteristic from an agronomic point of view. Thus, investigation of seed quality toward a better understanding of hormonal regulation is of fundamental concern for scientific community and seed industry.Recent studies have highlighted the intensive regulation of protein synthesis during seed germination. Translational regulation would govern the implementation of different metabolic programs during seed imbibition in order to maintain seed dormancy or to initiate the germination process. In this thesis, we explore the role of ABA in the control of germination quality during seed development and seed germination, using Arabidopsis thaliana mutant displaying contrasted ABA content.By combined “omic” approaches, we have highlighted the impact of ABA level on metabolic rearrangements during seed maturation. Our results showed that ABA origin in the seeds governs many metabolic rearrangements controlling dormancy depth and germination vigor. In addition, the present work suggests an intimate linkage between translational activity and ABA content, in association with energetic pathways and redox homeostasis.The impact of ABA on proteome turnover during seed germination was studied by adapting a metabolic labeling of neosynthesized proteins based on SILAC methods (stable isotope labelled amino acids in cell culture) to Arabidopsis seeds. Our results suggest that ABA is a key regulator of protein synthesis and modulates metabolic changes during seed imbibition. Indeed, this novel approach has highlighted that ABA controls the translation of more than 400 mRNAs during seed imbibition. This work provides an original perspective on the contribution of ABA and mRNA translation in seed germination and provides a valuable basis for further investigation of translational regulation in seeds and in plants.Based on existing data and those generated during this thesis, we also developed innovative seed treatments and new biomarkers for seed quality assessment. Recent funding for a maturation program dedicated to improve these biotechnologies demonstrates that our research meets the needs of seed industry.