Functional analysis of a cytoplasmic male sterility in Arabidopsis thaliana

• Main Author: Dehaene, Noémie
• Other Authors: Université Paris-Saclay (ComUE)
• Language: en
• Published: 2017
• Subjects: Stérilité mâle cytoplasmique; Pollen; Mitochondries; .roGFP2-Grx1; ATeam; Microscopie confocale; Cytoplasmic male sterility; Mitochondria; Confocal microscopy
• Online Access: http://www.theses.fr/2017SACLS418/document

Les stérilités mâles cytoplasmiques (SMC) résultent d'une incompatibilité nucléo-cytoplasmique. Le cytoplasme (presque toujours la mitochondrie) peut porter un gène de stérilité mâle, et le noyau peut restaurer la fertilité pollinique ou non. Les mécanismes physiologiques conduisant à la mort pollinique restent largement incompris. Plusieurs hypothèses ont été proposées, parmi lesquelles une déficience en ATP. Une SMC gamétophytique a été découverte chez A. thaliana. Une phase ouverte de lecture codant possiblement un peptide de 117 acides aminés, appelée orf117Sha, a été identifiée comme facteur de stérilité candidat.Au cours de ma thèse, j'ai cherché à valider le rôle de l'orf117Sha, et à comprendre comment une anomalie mitochondriale pouvait induire cette SMC. Aucune différence n'a pu être détectée au niveau de l'ARNm de l'orf117Sha entre les lignées stérile et restaurée, mais sa protéine semble accumulée uniquement dans la lignée stérile. La phénocopie par transgénèse de la SMC a suggéré un effet délétère de l'ORF117SHA dans les gamétophytes mâle et femelle.La description cytologique de la SMC montre une mort pollinique progressive à partir du stade binucléé. Auparavant, les mitochondries du pollen gonflent puis éclatent, et le développement s'arrête. L’utilisation de senseurs génétiquement encodés mesurant la concentration en ATP (ATeam) et l'état redox du glutathion (roGFP2-Grx1) a permis la mesure de ces facteurs en microscopie confocale, dans des tissus végétatifs et dans le pollen. La production d'ATP ne semble pas affectée dans la lignée stérile, contredisant l'hypothèse de l'ATP. Le glutathion mitochondrial est suroxydé dans la lignée stérile, à la fois dans les tissus végétatifs étudiés et le pollen, qui serait liée à la SMC car annulée par la restauration génétique de fertilité.Avec cette étude, j'apporte des arguments en faveur de l'orf117Sha dans l'induction de la SMC Sha, et je décris les évènements préalables à l'avortement du grain de pollen. Mes résultats permettent de mieux comprendre les évènements physiologiques conduisant à la mort du pollen. === This work aims at better understand the events leading to pollen abortion in a recently discovered gametophytic cytoplasmic male sterility (CMS) in Arabidopsis thaliana. Although CMS have been widely used in hybrid seed production in many crops, the physiological mechanisms leading to pollen death by the mitochondrial sterilizing genes in the permissive (maintainer) nuclear backgrounds are poorly understood. Association genetics previously identified orf117Sha as a candidate mitochondrial CMS-associated gene.In a first part, I analyzed the expression of the orf117Sha gene in sterile plants and in fertile plants carrying nuclear genes restoring male fertility. I observed unusual features of its mRNA, but detected no difference at this level between sterile and restored plants. Oppositely, the ORF117SHA protein seems to be accumulated specifically in the sterile line, supporting its role in CMS. A phenocopy attempt by transgenesis suggested a possible link between a female and male gametophytic lethality and the ORF117SHA, even though few individuals could be analyzed.In a second part, I observed pollen development in sterile plants and fertile controls using different cytological approaches. My results show a progressive pollen death starting from the binucleate stage in the sterile. Prior to abortion, pollen mitochondria swell before rupture, and the development stops. I used confocal microscopy combined with genetically encoded sensors to explore specific physiological features in pollen and vegetative tissues of sterile plants. With ATeam, which allows the assessment of ATP content in the cytosol, I could challenge the generally accepted hypothesis of an ATP deficiency leading to pollen abortion in CMS. Indeed, the ATP production does not seem to be affected in the sterile line. With a mitochondria-addressed roGFP2-Grx1, I was able to assess the redox state of the glutathione pool in vegetative tissues and in the male gametophyte. I observed an overoxydation of the glutathione pool in mitochondria of the sterile line, in vegetative tissue investigated and in the pollen grain. This overoxydation seems to be linked to the CMS as it is annihilated by the presence of restorer genes.My results pave the way for further exploration of the links between the sterility protein, mitochondrial morphology changes, mitochondrial overoxydation, and pollen development arrest and death in the A. thaliana CMS.