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Caractérisation moléculaire de la variabilité des réponses du maïs au déficit hydrique

La réponse des plantes au déficit hydrique est complexe et multifactorielle. De nombreux mécanismes entrent en jeu à différents niveaux d'intégration et à différentes échelles de temps, tels que la fermeture des stomates, le ralentissement de la croissance aérienne, l’ajustement osmotique et la synthèse de déhydrines. Certains effets secondaires (stress oxydatif, impact de la sécheresse sur la nutrition minérale et sur le métabolisme primaire) entraînent eux-mêmes une réponse spécifique. Les réponses dépendent également du stade de développement de la plante et du scénario de sécheresse (importance et durée de la période de déficit). Par ailleurs, en champ, le déficit hydrique s'accompagne bien souvent d'autres stress abiotiques (température, déficit hydrique de l’air) ou biotiques (champignons phytopathogènes).

Dans ce contexte notre objectif est de caractériser les mécanismes moléculaires déterminant les variations de réponse du maïs au déficit hydrique. La multiplicité des réponses possibles, tant au niveau de la plante entière que cellulaire, et leur intrication justifient une approche sans a priori. Par ailleurs, ce sont les protéines qui effectuent les fonctions cellulaires, à travers leur activité enzymatique, leur rôle structural ou leurs interactions avec d'autres protéines ou composés. On sait que leur quantité n'est que partiellement déterminée par la régulation transcriptionnelle et que leur activité est de façon très générale modulée par des modifications post-traductionnelles. C'est pourquoi notre approche privilégie l'analyse protéomique. Nous postulons que, même si le QTL lui-même (c'est à dire la séquence dont le polymorphisme est la cause de la variation du caractère d'intérêt) se situe dans une région non codante, c'est via la variation de la quantité ou de la modification post-traductionnelle d'au moins une protéine qu'il agit sur le phénotype.

La démarche « protéines candidates »

Si une protéine joue un rôle dans l'élaboration d'un caractère phénotypique, une variation génétique ayant un effet sur sa quantité ou sur ses modifications post-traductionnelles peut avoir un effet sur ce caractère. Un locus contrôlant la quantité ou la modification de la protéine (Protein Quantity Locus, PQL) est alors un QTL du caractère d'intérêt : le PQL de la protéine est le QTL du caractère. Ceci ne pré-suppose pas que le QTL se trouve dans la région du gène codant la protéine: le PQL peut en effet concerner aussi bien des mécanismes agissant en trans (régulation par des facteurs de transcription, régulations post-traductionnelles) qu'en cis (région promotrice, région codante).
La démarche « protéine candidate » consiste à rechercher les colocalisations entre PQL et QTL, et l'hypothèse qu'il faudra ensuite valider est qu'il n'y a en réalité qu'un seul polymorphisme qui agissant sur la protéine, agit en conséquence sur le caractère d'intérêt.
Dans le cas de l'analyse des caractères liés à la réponse à la sécheresse, on peut limiter les protéines candidates à celles qui sont régulées en réponse à cette contrainte ou dont la fonction est connue pour avoir un rapport avec cette réponse.
La démarche doit se conclure par une validation, c'est à dire par la preuve d'une relation de cause à effet entre la variation de la protéine et celle du caractère.
S'il n'y a pas coïncidence entre la position du PQL et celle du gène codant, le QTL n'est pas identifié, mais il est caractérisé : on connaît la protéine affectée. En termes d'application, cette information peut être utilisée par la suite en mesurant les variations quantitatives de cette protéine (voire de ses substrats ou produits) en tant que phénotype moléculaire dans différents dispositifs permettant la sélection, la génétique d'association ou l'exploration de ressources génétiques. S'il y a coïncidence entre les positions du gène codant la protéine et du QTL, aux applications déjà citées s'ajoute l'utilisation du gène lui-même comme marqueur en sélection assistée par marqueur.

 

Projets

1.Analyse de la réponse du protéome du maïs à la contrainte hydrique

L'analyse sans a priori des réponses du protéome du maïs au déficit hydrique a permis de mettre en évidence des mécanismes cellulaires impliqués dans la réponse au déficit hydrique non répertoriés auparavant. Nous avons ainsi pu montrer une décroissance de la synthèse de lignine dans la zone de différenciation située au-dessus de la zone d'élongation de la feuille de maïs : les cellules en âge de lignifier leur paroi ne le font pas en condition de déficit hydrique (Vincent et al., 2005). Ceci pourrait constituer une réponse adaptative permettant à la croissance de mieux reprendre après la période de sécheresse. Par ailleurs, nous avons entrepris une caractérisation des mécanismes dépendants de l’acide abscissique (ABA), ce qui nous a d’ores et déjà conduit à étudier différents gènes impliqués dans la biosynthèse de l’ABA et co-localisant avec des QTL de teneur en ABA dans le grain en cours de dessèchement (Capelle et al., 2010).

La caractérisation de la réponse du protéome au déficit hydrique s'étend maintenant à l'analyse du phosphoprotéome foliaire, ainsi qu'à l'analyse du protéome des ovules, dont les avortements en conditions de sécheresse sont une des causes principales de la baisse du rendement en grain chez le maïs (ANR Génomique DROMADAIR).

2. Recherche et évaluation du rôle de gènes et protéines candidats dans la réponse à la contrainte hydrique

Une première mise en oeuvre de la stratégie « protéines candidates » a permis de mettre en évidence la protéine candidate ZmASR1 (Riccardi et al., 1998, 2004 ; de Vienne et al. 1999). Son effet sur la sénescence foliaire a par la suite été validé (Jeanneau et al., 2002), et des travaux en cours montrent son effet sur d'autres caractères (Virlouvet et al., soumis). Nous avons poursuivi cette stratégie en utilisant différents dispositifs génétiques et en élargissant le spectre des approches « sans a priori » (transcriptomique, métabolomique). Nous avons ainsi caractérisé un QTL de sensibilité de la croissance foliaire au déficit hydrique du sol cartographié par l'équipe MAGE du LEPSE (Welcker et al., 2007 ; Virlouvet et al., soumis). Deux des huit gènes candidats identifiés font actuellement l’objet d’une évaluation par transgenèse (contrat de pré-valorisation avec GNP-Valor).

Les progrès réalisés dans la quantification des protéines par spectrométrie de masse permettent maintenant d'envisager l'analyse de dispositifs génétiques très importants. Ce sont ces techniques qui sont utilisées préférentiellement dans les projets actuels grâce aux développements effectués dans le cadre de la plate-forme PAPPSO (http://pappso.inra.fr/).. En particulier, la quantification sans marquage permet d'identifier et de quantifier plusieurs centaines de protéines en une injection. Dans le cas du maïs, espèce entièrement séquencée, nous avons maintenant la possibilité d'intégrer la protéomique dans des programmes de génétique d'association qui permettront à la fois d'analyser le déterminisme génétique des protéines d'intérêt et d'étudier la possibilité d'utiliser leurs variations comme des phénotypes moléculaires dans des programmes de sélection (projet « Biotechnologies et bioresssources » AMAIZING).

 

Choix de publications

 

de Vienne D, Leonardi A, Damerval C, Zivy M (1999) Genetics of proteome variation for QTL characterization : application to drought stress responses in maize. J. Exp. Bot. 50: 303-309.

Zivy M, de Vienne D (2000) Proteomics: a link between genomics, genetics and physiology. Plant Mol. Biol. 44: 575-580.

Jeanneau M, Gerentes D, Fouillassard X, Zivy M, Vidal J, Toppan A, Perez P (2002) Improvement of drought tolerance in maize: towards the functional validation of the Zm-Asr1 gene and increase of water use efficiency by over-expressing C4-PEPC. Biochimie, 84: 1127-1135.

Riccardi F, Gazeau P, Jacquemot MP, Vincent D, Zivy M (2004) Deciphering genetic variations of proteome responses to water deficit in maize leaves. Plant Physiol. Biochem. 42: 1003-1011.

Vincent D, Lapierre C, Pollet B, Cornic G, Negroni L, Zivy M (2005) Water deficits affect caffeate O-methyltransferase, lignification and related enzymes in maize leaves: a proteomic investigation. Plant Physiol. 137: 949-960.

Massonneau A, Condamine P, Wisniewski JP, Zivy M, Dumas C, Rogowsky PM (2005) Maize cystatins respond to developmental cues, cold stress and drought. Biochim. Biophys. Acta 1729: 186-199.

Tardieu F, Cruiziat P, Durand JL, Triboï E, Zivy M (2006) Perception de la sécheresse par la plante. Conséquences sur la productivité et sur la qualité des produits récoltés. In : "Sécheresse et agriculture: rapport d'expertise", INRA, pp. 49-67.

Tardieu F, Zivy M (2006) Amélioration génétique de la tolérance des cultures à la sécheresse. In : "Sécheresse et agriculture: rapport d'expertise", INRA, pp 242-257.

Capelle V, Remoué C, Moreau L, Reyss A, Mahé A, Massonneau A, Falque M, Charcosset A, Thévenot C, Rogowsky P, Coursol S, Prioul JL (2010) QTLs and candidate genes for desiccation and abscisic acid content in maize kernels. BMC Plant Biol. 10: 2-22.

 

Anciens membres de l’équipe

 

Delphine Vincent	Doctorante (2000-2003)
Luciano Consoli	Post-doctorant (2001-2002)
Sophie Bouton	Post-doctorane (2005)
Jacques Trouverie	Post-doctorant (2005-2007)
Zibandeh Dehghampour	Ingénieur sabbatique (2005)
Adrien Puppo	Stagiaire M2R (2005)
Roxanne de Rességuier	Stagiaire M1 (2005)
William Bouard	Stagiaire L3 (2008)
Thomas Vain	Stagiaire M1 (2010)