Evolution de la cutine chez les plantes et son rôle durant la terrestrialisation

Evolution of cutin and its role during plant terrestrialization

• Auteur / Autrice : Duchesse Lacours Mbadinga Mbadinga
• Direction : Christophe Dunand, Pierre-Marc Delaux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Développement des plantes
• Date : Soutenance le 03/12/2020
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales (Toulouse ; 2010-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Cormophytes

Bryophytes

Cuticules végétales

Mots clés libres

Terrestrialisation des plantes

Stress environnementaux

Algues

Plantes terrestres

Evolution

Innovations

Polymères hydrophobes

Cutine

Monomères de cutine

GPATs

Marchantia polymorpha

Arabidopsis thaliana

Plant terrestrialization

Environmental stresses

Algae

Land plants

Evolution

Innovations

Hydrophobic polymers

Cutin

Cutin monomers

GPATs

Marchantia polymorpha

Arabidopsis thaliana

Résumé

La colonisation réussie et durable des terres par les plantes a nécessité l'apparition de certains traits afin de survivre aux nouvelles contraintes telles que l'accès limité aux nutriments et à l'eau, la gravité, l'environnement oxydatif et les radiations UV. Chez les plantes terrestres existantes, les polymères hydrophobes déposés à la surface de différents tissus, tels que la sporopollénine, la cuticule, la subérine et la lignine, sont connus pour contribuer à la limitation de la perte d'eau et à la résistance à d'autres stress abiotiques, ce qui en fait des ''innovations de terrestrialisation'' potentielles. Comment et quand ces traits ont évolué chez les plantes restent insaisissables. Les données fossiles et l'analyse phylogénétique des gènes impliqués dans la biosynthèse de ces polymères chez les plantes ont proposé la cutine, la partie hydrophobe et polymérisée de la cuticule, comme le meilleur candidat pour la terrestrialisation des plantes. Cette thèse décrit des recherches menées pour déterminer la distribution de la cutine dans les plantes, l'évolution des gènes nécessaires à sa biosynthèse et la fonction de deux d'entre eux chez la Bryophyte modèle, Marchantia polymorpha. La présence de la cutine dans les espèces de Zygnematophyceae, qui sont les algues les plus proches des plantes terrestres, et dans diverses plantes terrestres a été surveillée par des observations microscopiques et des analyses biochimiques. La cutine n'a été détectée que dans les plantes terrestres, de même qu'une enzyme terminale de la biosynthèse des monomères de cutine, les glycérol-phosphates acyle transférases (GPATs). Pour confirmer l'origine de la cutine chez les Embryophytes, nous avons étudié les GPATs chez M. polymorpha. Tout d'abord, le pattern d'expression des GPATs de M. polymorpha a été étudié en utilisant la fusion promoteur:GUS. Les activités de ces promoteurs ont été principalement détectées là où la cutine est formée. Ensuite, une lignée mutante GPAT de M. polymorpha a été isolée. Des analyses macroscopiques de ce mutant ont montré que, comme chez les autres Embryophytes, les gènes liés à la cutine de Marchantia sont impliqués dans le développement des organes aériens. L'analyse biochimique, la génétique inverse et la phylogénétique ont été combinées pour parvenir à la conclusion selon laquelle la cutine a évolué dans les premières plantes terrestres avec une classe d'enzymes de biosynthèse de la cutine, les GPATs, et joue probablement une fonction dans le développement chez les Bryophytes.

The successful and long-lasting colonization of lands by plants required the evolution of innovations in order to survive to the novel constraints such as limited nutrient and water access, gravity, oxidative environment and UV radiations. In extant land plants, hydrophobic polymers deposited on the surface of different tissues, such as sporopollenin, cuticle, suberin and lignin, are known to contribute to the limitation of water loss, and resistance to other abiotic stresses, making them potential ''terrestrialization innovations''. How and when these traits evolved in plants remains elusive. Fossils data and phylogenetical analysis of genes involved in cutin biosynthesis in plants proposed cutin as the best candidate for plant terrestrialization. However, works testing this hypothesis are actually scares and the evidence limited. This thesis describes conducted investigations to determine the distribution of cutin in plants, the evolution of the genes required for its biosynthesis and the function of two of them in the model bryophyte, Marchantia polymorpha. The presence of cutin in species from the zygnematophyceae, which are the closest algal relatives to land plants, and in diverse land plants was monitored through microscopic observations and biochemical analyses. Cutin was only detected in land plants, as was one terminal enzyme in the biosynthesis of the cutin monomer, the Glycerol-Phosphate Acyl Transferases (GPATs). To confirm the origin of cutin in Embryophytes we have studied GPAT in the Bryophyte M. polymorpha. First, the expression pattern of M. polymorpha GPAT were studied using promoter:GUS fusion. The M. polymorpha GPATs promoter activities were mainly detected where cutin is formed. Then a mutant line of M. polymorpha GPAT was isolated. Macroscopic analysis of this mutant have shown that such as in Embryophytes, Marchantia cutin-related genes are involved in development of aerial organs. Biochemical analysis, reverse-genetics and phylogenetics were combined to reach the conclusion that cutin evolved in the first land plants together with one class of cutin-biosynthesis enzymes, the GPATs, and likely play a function in development in Bryophytes. This works indicates that cutin evolution in Embryophytes played a role in the terrestrialization event.