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Cours Floraison - IJPB
LA PLANTE ET SON ENVIRONNEMENT Contraintes abiotiques Contraintes biotiques O3 Herbicide Chaleur Gel Froid Température Pathogènes Les « vores » Blessures Sécheresse Salinité Inondation Sels minéraux Métaux lourds Philippe Grappin ([email protected]) 1) Introduction, environnement et floraison La floraison est l'un des caractères qui déterminent le cycle de vie d'une plante et son succès reproducteur La date de floraison détermine la durée de la phase végétative et de la phase reproductive dans le cycle de vie d'une plante Philippe Grappin ([email protected]) Objectifs: - Montrer quels sont les mécanismes biologiques, physiologiques et biochimiques mis en jeu par les végétaux dans leurs réponses aux facteurs contraignants de leur environnement. - Comprendre les mécanismes d’adaptation et de plasticité. Philippe Grappin ([email protected]) “ La Plante et son Environnement ” La floraison: Apports de la physiologie moléculaire Philippe Grappin [email protected] Philippe Grappin ([email protected]) Plan 1) Introduction, environnement et floraison 2) Modèle physiologique de la floraison 3) Approche de physiologie moléculaire 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison 5) Transposition des études chez le riz 6) Intérêts biotechnologiques 7) Conclusion Philippe Grappin ([email protected]) 1) Introduction, environnement et floraison Philippe Grappin ([email protected]) 1) Introduction, environnement et floraison Fleurir: un choix capital pour la plante - Lieu: méristème (vient de meristos=division) = Massif de cellules embryonnaires qui se divisent et donnent naissance à - tige, feuilles, racines (méristème végétatif) - la fleur (méristème reproducteur) floral végétatif transition - Transition irréversible - Si se produit au mauvais moment, conséquences sur la qualité des graines Synchronisation de la floraison avec une saison favorable Philippe Grappin ([email protected]) L’induction florale est la période où certains organes de la plante, sous l’effet de stimulus extérieurs, envoient au méristème un message, le signal de floraison. L’évocation florale est la période où le méristème se réorganise en fonction de ce programme. Elle correspond à une réorganisation de l’architecture de l’apex, préparatoire à la différenciation des ébauches. florale. L’initiation florale est la période où se différencient les ébauches des pièces florales (changements morphologiques, qui peu à peu vont lui donner 1’aspect d’un méristème préfloral ou, dans le cas d’une inflorescence, d’un méristème inflorescentiel). À cette étape fait suite la floraison qui se manifeste par le développement des pièces florales (sépales, pétales, étamines et carpelles), la méiose suivie de la formation des gamètes, le débourrement des bourgeons et enfin l’épanouissement de la fleur. Philippe Grappin ([email protected]) 1) Introduction, environnement et floraison Il existe de grandes variations entre espèces, mais aussi à l'intérieur d'une espèce, pour les stratégies de floraison, qui sont déterminées par l'environnement abiotique (photopériode, température, nutriments) ou biotique (compétition pour la lumière, herbivores, pollinisateurs) Climat tempéré : les contraintes principales sont les périodes froides durant l'hiver → vernalisation permet d'ajuster la date de floraison (blé, orge, pois, A. thaliana) Climat tropical : la photopériode est un indicateur de la transition entre saison sèche et saison humide → sensibilité à la photopériode plantes de jours courts / plantes de jours longs Autres facteurs environnementaux : lumière, température, nutriments, hormones Philippe Grappin ([email protected]) semis avril Phase végétative développement des feuilles floraison Maturation des graines juillet/aout récolte octobre Limitant Culture du maïs en région tempérée. La floraison précoce pour permettre la maturation des graines, mais les plantes sont sensibles au gel et l'ensemble du cycle doit se dérouler entre avril et octobre. Philippe Grappin ([email protected]) 1) Introduction, environnement et floraison Plusieurs voies à intégrer Lumière -Longueur -Qualité Température -Ambiante -Période de froid Développement Hormone (GA) Age, Sucre, rapport C/N Détection / Transduction des signaux Intégrateurs floraux Transition florale Philippe Grappin ([email protected]) 2) Modèle physiologique de la floraison Philippe Grappin ([email protected]) 2) Modèle physiologique de la floraison Plusieurs types de plantes - Plantes de jours longs La plante fleurit printemps-été, quand les jours sont longs ex: Arabidopsis, pois, œillet… - Plantes de jours courts La plante fleurit automne-hiver, quand les jours sont courts ex: riz, soja, caféier, chrysanthème… - Plantes indifférentes La plante est indifférente à la longueur du jour ex: concombre, tomate, pomme de terre… - Plantes aphotiques La plante est capable de fleurir à l’obscurité ex: jacinthe Philippe Grappin ([email protected]) 2) Modèle physiologique de la floraison Photorécepteurs - Perçoivent la qualité de la lumière 400 500 600 700 nm Phytochromes: perçoivent le rouge et le rouge lointain Cryptochromes: perçoivent le bleu - Identification des photorécepteurs par analyse de mutants Philippe Grappin ([email protected]) Philippe Grappin ([email protected]) 2) Modèle physiologique de la floraison Modèle de coincidence pour la floraison Modèle de coincidence externe (Pittendrigh and Minnis): En jours longs, la phase lumineuse coincide à la présence d’un facteur régulé de façon circadienne - induit la floraison des plantes de jours longs - inhibe ou retarde la floraison des plantes de jours courts Modèle de coincidence externe Philippe Grappin ([email protected]) 3) Approche de physiologie moléculaire Philippe Grappin ([email protected]) 3) Approche de physiologie moléculaire Génétique moléculaire : on exploite les variations / modifications de séquences (aléatoires/ciblées, induites /naturelles) sur un génome entre individus (affectent l’activité d’un gène): Génétique forward (phénotype gène) 1- Identifier un gène impliqué dans une fonction biologique Génétique reverse (gène phénotype) 2- Démontrer la fonction d’un gène 3- Caractériser les modes d’action des produits de ce gène, dans la plante, la cellule et avec d’autres molécules partenaires Philippe Grappin ([email protected]) 3) Approche de physiologie moléculaire Approche globale pour caractériser de nouvelles fonctions biologiques : Question biologique Physiologie Rôle fonctionnel Biochimie Vision Globale Relation entre - Régulation - Interaction - Métabolisme phénotype et biochimie Génomique Ressources génétiques - Génétique inverse - Diversité allélique fonctionnelle Hypothèses de travail Philippe Grappin ([email protected]) 3) Approche de physiologie moléculaire Durée d’éclairement journalier Floraison Voie autonome Vernalisation Photopériode FRI FLC GA CO FD, SOC, FT (intégrateurs de floraison) PNY, PNF LFY, AP1 (Méristème floral, gènes d’identité) Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Découverte de la photopériode en 1920 Philippe Grappin ([email protected]) Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison La photopériode est perçue par les feuilles signal = florigène Greffon non induit Greffon non induit Porte-greffe Non induit Porte-greffe induit Bryophyllum diagremontianum Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Induction de la floraison en jours longs chez Arabidopsis 30 jours après germination Jours courts (12h de lumière) Jours longs (16h de lumière) Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Identification des régulateurs de la floraison Génétique classique : recherche de mutants à floraison tardive en jours longs 3 Classes Floraison tardive en jours longs Floraison normale en jours courts Insensible à la vernalisation On bloque un inducteur en jours longs co, ft, gi, cry2 Floraison tardive en jours longs Floraison tardive en jours courts Floraison précoce après vernalisation On bloque un inhibiteur d’inhibiteur de floraison fca, fpa, fy, ld Floraison tardive en jours longs Floraison tardive en jours courts Affecté dans la synthèse ou réponse aux gibbérellines On bloque l’induction hormonale ga1, gai Les doubles mutants d’un même groupe sont identiques Les doubles mutants issus de 2 groupes ont un phénotype additif Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Jours Longs CO FT Floraison Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison La surexpression de CO ou de FT est suffisante pour induire une floraison précoce, même en jours courts 35S::CO Confirmation des propriétés d’induction de CO et de FT Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison CO induit l’accumulation de l’ARN FT WT 35S CO CO ARN FT Hepworth et al., 2002 JL induisent FT part le biais de CO Micro-arrays JL CO Wigge et al., 2005 ARN FT Philippe Grappin ([email protected]) Oscillation cyclique de l’accumulation de l’ARNm CO Les mutants de gènes impliqués dans le rythme circadien ont des phénotypes de floraison altérée ARNm CO régulé par le rythme circadien ARN de CO chez les mutants lhy et gi perturbés dans le rythme circadien Horloge GI LHY ARN CO Suarez-Lopez et al., 2001 Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Certains types de lumière stabilisent la protéine CO 35S:GFP::CO Condition de lumière favorable à l’activation de CO Condition de lumière favorable à l’inactivation de CO Lumière Obscurité Protéine CO Coupland 2005 Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Rythme circadien Photopériode Stabilité à la lumière 35S:GFP::CO Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Modèle de régulation de la floraison par CO Jours courts Jours longs Printemps Hiver ARNm CO Protéine CO 24 heures Dégradée à l’obscurité Protéine CO produite à la lumière gène FT FT n’est pas exprimé gène FT exprimé Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Facteur migrant des feuilles au méristème : ARNm ou protéine FT ? Induction florale Jours courts Jours long Jours courts ARN FT = florigène ? ARNm FT Portegreffe Greffon La protéine FT-GFP est détectée au niveau du meristème mais pas l’ARNm FT (hybridation in situ) Mouvement de FT-GFP du porte-greffe au greffon Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison FD est nécessaire pour l’induction florale via FT Le phénotype floraison précoce de 35S::FT est aboli dans un fond mutant fd Wigge et al., 2005 FT FD Floraison Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Cartes physiques et génétiques à haute résolution de la région Hd1 sur le chromosome 6 Yano et al., 2000 Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Résumé sur les acteurs de la voie des jours longs Jours longs Photorécepteurs Horloge circadienne CONSTANS FT LFY Transition florale Philippe Grappin ([email protected]) 4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison Réseau de régulation de la floraison complexe Voie autonome BLH11 BLH4= SAW2 Vernalisation Photopériode BLH2= SAW1 BEL1 CO PNY ATH1 FRI FLC GA PNF BLH5 ATH1 BLH1 GIGANTEA BLH3 BLH10 FD, SOC, FT (intégrateurs de floraison) PNY, PNF BLH7 BLH6 BLH3 BLH10 LFY, AP1 (Méristème floral, gènes d’identité) Philippe Grappin ([email protected]) 5) Transposition des études chez le riz Philippe Grappin ([email protected]) 5) Transposition des études chez le riz Identification des gènes de floraison du riz sur la base de similitudes de séquences avec les gènes d’Arabidopsis Conservations de séquences et de profils d’expression des gènes de floraison d’Arabidopsis chez le riz Le gène orthologue de GI chez le riz = OsGI Le gène orthologue de CO chez le riz = HEADING DATE 1 Le gène orthologue de FT chez le riz = HEADING DATE 3 HD3 est exprimé en jours courts à l’inverse de FT chez Arabidopsis HD1 du riz orthologue de CO iden0fié par analyses QTL Orthologue de GI iden0fié par « differen0al display » Philippe Grappin ([email protected]) 5) Transposition des études chez le riz « Differential display » Transcription inverse PCR avec une amorce polyT et une amorce « aléatoire » DD-PCR Tissu 1 DD-PCR Tissu 2 ADNc à accumulation différentielle Philippe Grappin ([email protected]) 5) Transposition des études chez le riz Identification de GIGANTEA chez le riz Isaza et al., 2002 Mutant phytochrome déficient se5 Hayama et al., 2002 Philippe Grappin ([email protected]) 5) Transposition des études chez le riz Expression de OsGI est contrôlée par le rythme circadien Expression comparable à celle de GIGANTEA d’Arabidopsis Hayama et al., 2002 Philippe Grappin ([email protected]) 5) Transposition des études chez le riz Riz et Arabidopsis : Une voie de floraison conservée confère un effet contraire en jours longs Arabidopsis Jours longs Riz Jours longs GI OsGI CO (OsCO) Hd1 FT (OsFT) Hd3 floraison Inhibition de la floraison Hayama et al., 2003 Philippe Grappin ([email protected]) Arabidopsis Philippe Grappin ([email protected]) 5) Transposition des études chez le riz Chez le riz,la floraison intervient en jours courts car CO réprime FT en jours longs Philippe Grappin ([email protected]) 6) Intérêts biotechnologiques Philippe Grappin ([email protected]) 6) Intérêts biotechnologiques Applications biotechnologiques du contrôle de la floraison : Induction de la floraison: Permettre la culture d’espèces nécessitant des conditions strictes de floraison dans des environnements non-favorables (photoperiode ou temperatures) Domestication d’espèces Accélérer le processus de sélection variétale chez les arbres (fleurissant tard : 40ans) Intérêt en horticulture pour augmenter le nombre d’inflorescences (orchidées) Répression/prévention de la floraison : Augmenter les rendements en biomasse (canne à sucre) Augmenter les rendements en fuits (ananas) Permet d’éviter une floraison durant les gelées printanières (abricots) Philippe Grappin ([email protected]) 7) Conclusion Philippe Grappin ([email protected]) 6) Intérêts biotechnologiques La production florale est une activité économique importante d’un chiffre d’affaire d’un peu moins d’un milliard d’euros en France, avec une forte focalisation sur un nombre limité d’espèces: roses (40%), œillets (20%) et une localisation géographique sur le Var et les Alpes Maritimes. La production d’effectue en serres pour l’essentiel et il s’agit d’un secteur fortement déficitaire sur le plan de la balance commerciale avec une forte pénétration des produits hollandais. La connaissance et le contrôle de la floraison sont importants pour ces activités ainsi qu’au niveau de l’arboriculture fruitière. Philippe Grappin ([email protected]) 7) Conclusion Régulation propice à l’adaptation aux conditons géoclimatiques – Besoin de maîtrise de ce contrôle en prévision des changements climatiques Plasticité: Aptitude d’un individu à modifier sa physiologie en réponse à des changements environnementaux Philippe Grappin ([email protected]) 7) Conclusion Plasticité phénotypique pour la morphologie florale Différentes plantes de l'espèce hybride Solanum ruiz-lealii Brüch. (2n = 2x = 24). Les variations de la morphologie des fleurs sont dues à des différences de méthylation du génome Marfil et al., 2009 Philippe Grappin ([email protected]) 7) Conclusion Plasticité phénotypique pour la floraison Entre les plantes de même génotype Hypericum perforatum Arabidopsis thaliana Entre les fleurs d'une même plante Sarcocornia fruticosa Corydalis rutifolia ssp. uniflora Philippe Grappin ([email protected]) 3) Approche de physiologie moléculaire Exploitation de la transgenèse chez les végétaux : Mutations induites : - Effet mutagène de l’insertion d’ADN-T suite à un événement de transgenèse (génétique forward / reverse) Mutations ciblées : - Effet de l’expression ectopique du gène porté par l’ADN-T (génétique reverse) Philippe Grappin ([email protected]) 5) Transfert chez le riz Philippe Grappin ([email protected])
