L'insertion d'un transposon dans le gène de signalisation de l'éthylène entraîne une transition sexuelle chez le melon

Transposon insertion in ethylene signaling gene leads to sex transition in melon

• Auteur / Autrice : Hsin-Ya Huang
• Direction : Abdelhafid Bendahmane
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 25/11/2021
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences des plantes de Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Université Paris-Saclay. Faculté des sciences d’Orsay (Essonne ; 2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Valérie Geffroy
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nebahat Sari, Adi Avni, Catherine Dogimont
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nebahat Sari, Adi Avni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Transcription génétique

Transcriptome

Transposons

Plantes -- Effets de l'éthylène

Détermination génétique du sexe

Melon

Mots clés libres

C. melo

Détermination du sexe

Androïsme

Éthylène

Éléments transposables

Transcriptome

C. melo

Sex determination

Androecy

Ethylene

Transposable elements

Transcriptome

Résumé

La manière dont le sexe d'une fleur ou d'une plante est déterminé est une question importante en biologie du développement des plantes. La compréhension de ce processus a également des applications pratiques dans le domaine de l'agriculture et de la sélection végétale, car le sexe d'une fleur ou d'une plante limite souvent son mode de sélection et de culture. La détermination du sexe est un processus qui conduit à la séparation physique des structures productrices de gamètes mâles et femelles dans des fleurs distinctes sur la même plante (espèces monoïques) ou sur des individus séparés (espèces dioïques). Plusieurs espèces de Cucurbitaceae, dont le melon, possèdent des primordia floraux bisexués, mais leurs fleurs sont souvent limitées à un seul sexe. La détermination du sexe se fait par l'arrêt sélectif de l'étamine mâle ou du carpelle femelle au cours du développement. Chez le melon, la détermination du sexe est régie par trois gènes : andromonoïque (M), androïque (A) et gynoïque (G). L'interaction des allèles de ces trois gènes donne lieu à une gamme de types sexuels. En outre, les modèles d'expression du sexe des cucurbitacées peuvent être modifiés par des hormones, comme l'éthylène, et par des facteurs environnementaux. En produisant une collection mutagénisée au méthanesulfonate d'éthyle (EMS) à partir de la lignée GSN et en criblant les mutants de transition sexuelle GSN106, nous avons identifié un mutant récessif de transition sexuelle androïque. Nous désignons ci-après cette nouvelle mutation androïque par le terme a2. En utilisant le séquençage NGS de l'ADN génomique en vrac et la cartographie fine, nous avons délimité a2 à un seul gène, codant pour une protéine de signalisation de l'éthylène. Dans GSN106, nous avons trouvé une insertion d'un transposon d'ADN de la famille PIF/Harbinger, désormais appelé AndroPIF, à l'intérieur de l'UTR 5' de a2. Les éléments transposables représentent une grande proportion des génomes végétaux et sont exposés à des modifications épigénétiques, avec des conséquences sur l'expression des gènes liés, notamment par la propagation génomique de la méthylation de l'ADN. Nous avons examiné le statut de méthylation de l'ADN d'AndroPIF en utilisant le séquençage au bisulfite et avons observé une propagation significative de la méthylation dans la première région de 500pb de l'UTR 5'a2 après l'insertion d'AndroPIF. En utilisant une analyse d'épistasie, nous avons positionné A2 dans la voie de la détermination du sexe. Le transcriptome du type sauvage et du mutant a2 à perte de fonction montre que l'éthylène inhibe le développement des étamines et favorise celui des carpelles via une interaction avec d'autres phytohormones telles que l'auxine, GA, la cytokinine et l'ABA, ainsi que le sucre. De plus, les transposons sont connus pour être à l'origine de variations et d'adaptations phénotypiques. La mobilisation à l'échelle du génome de ce TE Harbinger/PIF indique que le TE Harbinger/PIF du melon est toujours actif chez ce dernier, contribuant à la génération de la diversité des séquences et probablement à l'adaptation.

How the gender of a flower or plant is determined is an important issue in plant developmental biology. Understanding this process also has practical applications in agriculture and plant breeding, as the gender of a flower or plant often limits how it is bred and cultivated. Sex determination is a process that leads to the physical separation of male and female gamete producing structures in separate flowers on the same plant (monoecious species) or on separate individuals (dioecious species). Several species in the Cucurbitaceae, including melon, have bisexual floral primordia, but often have flowers limited to a single sex. Sex determination occurs by the selective arrest of either the male stamen or female carpel during development.In melon, sex determination is governed by three genes andromonoecious (M), androecious gene (A) and gynoecious (G). The interplay of alleles of these three genes results in a range of sexual types. In addition, cucurbit sex expression patterns can be modified by hormones, such as ethylene, and by environmental factors.By producing an ethyl methanesulfonate (EMS) mutagenized collection from the GSN line and screening for sex transition mutants GSN106, we identified an androecious sex transition recessive mutant. We refer hereafter to this novel androecious mutation as a2.Using NGS sequencing bulked-genomic DNA and fine mapping, we further delimited a2 to a single gene, encoding an ethylene signaling protein. In GSN106, we found an insertion of a DNA transposon of the PIF/Harbinger family, henceforth termed AndroPIF, inside the 5’ UTR of a2.Transposable elements represent a large proportion of plant genomes and are exposed to epigenetic modification, with consequences on the expression of linked genes, especially by the genomic spreading of DNA methylation. We examined the DNA methylation status of AndroPIF using bisulfite sequencing and observed significant methylation spreading in the first 500bp region of the a2 5’UTR after AndroPIF insertion. Using epistasis analysis we positioned A2 in the sex determination pathway. The transcriptome of wildtype and a2 loss of function mutant shows that ethylene inhibits stamen and promotes carpel development via interaction with other phytohormones such as auxin, GA, cytokinin, and ABA, as well as sugar. Moreover, transposons are known to drive phenotypic variation and adaptation. The genome-wide mobilization of this Harbinger/PIF TE indicates that the melon Harbinger/PIF TE is still active in melon contributing to the generation of sequence diversity and likely to adaptation.