Projet H2020 RiceStyle : Évolution des carpelles : une promenade du côté du riz

Avec environ 352 000 espèces vivantes sur Terre, les plantes à fleurs ou angiospermes constituent le groupe existant le plus grand et le plus diversifié du règne végétal, et environ 90 % des espèces de plantes terrestres. L'émergence et la diversification rapides des angiospermes, documentées par des fossiles, ont été définies comme un « mystère abominable » par Charles Darwin. Sans aucun doute, l’évolution de nouvelles structures reproductrices, telles que la fleur et sa partie femelle, le pistil, a joué un rôle fondamental dans l’extraordinaire succès évolutif des angiospermes.

Cependant, la manière dont ces structures ont évolué, y compris au niveau moléculaire, reste inconnue. De plus, après la pollinisation, le pistil et l'ovule(s) qu'il contient deviennent respectivement des fruits et des graines, qui sont la partie comestible de la plupart des cultures. Par conséquent, les études moléculaires du développement du pistil peuvent aider à percer l’un des plus grands « secrets » de l’évolution des plantes et fournir des avantages et des outils importants pour l’amélioration ciblée des cultures.

Bien que des informations sur le contrôle génétique de l'identité et de la structure du pistil soient déjà disponibles, ces données concernent principalement Arabidopsis et certaines autres plantes modèles eudicotylédones. Par conséquent, ces mécanismes génétiques pourraient expliquer l’évolution du pistil chez les premiers ancêtres de toutes les plantes à fleurs ou représenter des développements plus récents reflétant l’adaptation des eudicotées. Des études comparatives sont donc nécessaires dans l’autre groupe de plantes à fleurs le plus grand et le plus évolué, les monocotylédones, ainsi que dans les angiospermes basales.

Cette action Marie Curie Ricestyle vise à clarifier une partie de « l'abominable mystère » en étudiant comparativement le développement du pistil et sa base génétique chez le riz, qui est de loin la plante modèle monocotylédone la plus importante et, avec d'autres céréales, la principale source de calories dans l'alimentation humaine. Au cours de la première phase du projet, dans le laboratoire du professeur Dabing Zhang (Université Jiao Tong de Shanghai, Chine), nous avons développé tous les outils nécessaires à la caractérisation fonctionnelle des gènes candidats qui pourraient être impliqués dans l'identité et le modèle du tissu pistillé.

Sur la base de l'homologie avec des gènes connus chez Arabidopsis thaliana et d'autres plantes modèles eudicotylédones, nous avons recherché dans le génome du riz des gènes phylogénétiquement apparentés et fonctionnellement équivalents. Nos travaux ont abouti à une étude complète de l’histoire évolutive de ces familles de gènes, qui servira de base à nos études fonctionnelles. De plus, la collaboration entre les deux laboratoires hôtes a permis la caractérisation de trois autres facteurs de transcription appartenant à la sous-famille SEPALLATA MADS-box.

Ces facteurs confèrent l’identité de tous les organes floraux, y compris le pistil, et sont donc des régulateurs clés qui agissent également en amont dans le réseau moléculaire du développement des carpelles. Le travail a été récemment publié dans Plant Physiology (Wu D, Liang W, Zhu W, Chen M, Ferrandiz C, Burton RA, Dreni L, Zhang D. Plant Physiol. 7 décembre 2017. pii : pp.00704.2017. doi : 10.1104/pp.17.00704). De plus, nous avons isolé un gène codant pour la glutarédoxine, qui est importante pour le développement du pistil chez le riz. Les mutants à perte de fonction ne parviennent pas à produire de pistils dans environ la moitié de l’épillet ; Sinon, ils produisent des pistils réduits.

Ces résultats sont, d’une certaine manière, inattendus et pourraient représenter une innovation évolutive chez les monocotylédones ou, à défaut, être également importants chez les dicotylédones, bien qu’ils n’aient pas encore été explorés. Ils pourraient donc fournir une voie à double sens pour améliorer nos connaissances sur la morphogenèse du pistil chez les angiospermes. Un premier article décrivant la fonction de cette glutarédoxine et son interaction génétique avec les gènes d'identité florale et carpelle sera présenté prochainement. Dans la deuxième phase du projet, nous avons poursuivi le phénotypage et la caractérisation des mutants susmentionnés, et nous avons également créé des mutants d'ordre supérieur. Les données de ces expériences ont indiqué plusieurs gènes ayant une fonction essentielle dans la détermination de la morphologie correcte des carpelles du riz. Nous caractérisons en profondeur les réseaux moléculaires régulés par ces gènes et visons à publier prochainement nos résultats.