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Responsable d'équipe: Nathalie Gonzalez (nathalie.gonzalez@inrae.fr)

Présentation et objectifs de recherches :

L’équipe "Floraison, Développement du Fruit et Contraintes Environnementales" (anciennement « Organogenèse du Fruit et Endoréduplication ») a pour objectif de mieux comprendre la biologie du développement des fruits charnus en disséquant en particulier les mécanismes génétiques, physiologiques, cellulaires et moléculaires impliqués lors de la mise en place des organes reproducteurs. Pour cela, nos trois axes de recherche portent sur i) l’étude de l’induction florale et du devenir du méristème chez le fraisier, ii) l’étude du développement précoce du fruit chez la tomate, iii) l’étude de la réponse des plantes aux contraintes environnementales en lien avec les processus développementaux étudiés. La finalité de ces travaux est de contribuer à l'amélioration des critères de qualité du fruit et au maintien de cette qualité en cas de stress.

Les travaux de l’équipe s’appuient sur les compétences complémentaires de ses membres (génétique quantitative et d’association, édition des génomes et génomique fonctionnelle, phénologie et phénotypage, transcriptomique, cyto-histologie) et sur un large réseau de collaborations nationales et internationales.

Thèmes de recherches :

I – Devenir du méristème chez le fraisier

Le fraisier peut se reproduire sexuellement via le processus de floraison et de façon asexuée via la production de tiges allongées portant des plants-filles, appelées stolons. Les deux modes de reproduction présentent des intérêts agronomiques: la floraison a un impact sur le rendement en fruits, et le stolonnage permet la production de plants-filles pour la multiplication d'une variété. Le rendement en fruits et le rendement en plants-filles sont en concurrence. Le compromis entre les deux a lieu d'abord dans le méristème axillaire (AxM) qui peut devenir soit une nouvelle pousse (portant des fruits) ou un stolon (portant des plants-filles), et, deuxièmement, dans les méristèmes terminaux des pousses (SAM) qui peut rester à l’état végétatif ou fleurir. Ainsi la compréhension des mécanismes contrôlant le devenir des méristèmes et par conséquent l'équilibre entre floraison et stolonnage présente non seulement un intérêt fondamental mais aussi un intérêt agronomique.

Notre programme de recherche intègre des approches de physiologie, de génétique, de génomique et de caractérisation fonctionnelle pour déchiffrer au niveau du méristème, le réseau de gènes régulant l'équilibre entre la floraison et le stolonnage. Comme observé pour les mutations naturelles du gène FvGA20ox4 responsable du phénotype sans stolon [r] (pour runnerless) et du gène FvTFL1 responsable du phénotype perpétuelle floraison [PF], jouer sur ces acteurs influence l'architecture de la plante et donc le rendement en fruits et en plants-filles.

II – Développement et croissance du fruit de Tomate

Chez la Tomate (Solanum lycopersicum), après mise à fruit, deux processus principaux gouvernent la croissance du fruit : la prolifération cellulaire et l’expansion cellulaire associée à un processus appelé endoréduplication, correspondant à un cycle cellulaire altéré, se traduisant par une amplification de l’ADN génomique qui n’est pas suivie d’une division cellulaire (endocycle) et conduisant à la production de cellules fortement polyploïdes.

Nos objectifs sont de disséquer ces processus cellulaires et identifier les réseaux moléculaires de régulation de ces évènements-clés du développement du fruit. Pour cela, nous utilisons une approche multi-échelle pour l’étude de la prolifération cellulaire et de l’endoréduplication, allant de la régulation de l’expression génique au contrôle de la croissance, en combinant des analyses de biologie cellulaire, des approches globales de type  « -omics » et des analyses fonctionnelles.

1°- Coordination complexe entre cycle cellulaire, expansion cellulaire et endoréduplication

Nous étudions la mise en place des divisions cellulaires et comment les endocycles sont coordonnés avec la croissance cellulaire dans le contexte d’un tissu en développement, en mesurant in situ, les niveaux de ploïdie et la taille des cellules dans le fruit en grandissement. Afin d’évaluer le rôle respectif de ces processus dans la régulation de la croissance et pour identifier des éléments régulateurs clés, les analyses sont également réalisées sur des plants de tomate présentant des mutations ou cultivés dans des conditions (traitements hormonaux ou stress) entrainant des altérations de croissance du fruit. Ces données sont utilisées pour générer une cartographie à l’échelle du tissu afin de visualiser et modéliser les dynamiques des populations de cellules en fonction des niveaux de ploïdie.

2°- Influence de l’endoréduplication sur l’expression génique

Afin d’identifier les voies moléculaires associées à la progression de l’endoréduplication et notamment les gènes exprimés de façon ploïdie-spécifique, nous produisons et explorons des données de transcriptomique sur noyaux triés en fonction de leur niveau de ploïdie et au cours du développement du fruit. Nous allons maintenant développer une approche de transcriptomique sur noyau unique (« single nuclei ») qui permettra d’identifier des sous-populations de noyaux pour un niveau de ploïdie donné, impossible à détecter jusqu’à présent, et de reconstruire les trajectoires des cellules au cours du développement du fruit en fonction de l’évolution de leur transcriptome. A partir de l’hypothèse qu’une augmentation du contenu en ADN durant l’endoréduplication va affecter la structure, l’organisation  et l’activité de la chromatine, nous souhaitons étudier in situ et à l’échelle du génome, les changements dans cette organisation et la dynamique des marques épigénétiques en fonction des niveaux de ploïdie afin d’étudier leur rôle dans la régulation de l’expression génique.

3°- Réseaux moléculaires gouvernant la prolifération cellulaire et l’endoréduplication

Nous explorons la régulation de la prolifération cellulaire, de l’endoréduplication et par conséquent la croissance du fruit par caractérisation fonctionnelle de gènes candidats.
Nous étudions notamment la fonction du gène FW2.2, associé au QTL majeur contrôlant la masse du fruit et codant pour un régulateur négatif de la division cellulaire. Nous étudions également comment une GUANYLATE BINDING PROTEIN, dont la mutation altère l’expansion cellulaire anisotropique, affectant la croissance du fruit, et entrainant la division des cellules polyploïdes dans le mésocarpe, contrôle la sortie de l’endoréduplication (Musseau et al., 2020). Nous utilisons pour cela des approches de génomique fonctionnelle et de biologie cellulaire.

Afin d’identifier de nouveaux gènes impliqués dans la régulation de l’endoréduplication ou dans la croissance du fruit, nous recherchons également des mutants présentant respectivement une altération des niveaux de ploïdie ou du rendement total en fruit, dans une collection de mutants EMS Microtom disponible dans l’UMR (collection développée par C. Rothan et coll.). Les gènes responsables de ces caractères d’intérêt pour la régulation de la production de fruit sont identifiés par cartographie par séquençage et cartographie fine. Leurs fonctions et modes d’action sont étudiés par des analyses fonctionnelles basées sur la production de plants de tomate dites perte- (édition de génome) et/ou gain-de-fonction (expression ectopique).

4°. Cuticule et surface du fruit (ex groupe SURF)

Les travaux de l’ex groupe SURF (SURface du Fruit) portent essentiellement sur la formation et la spécialisation des tissus qui composent la peau du fruit. Celle-ci contribue non seulement à l’attractivité du fruit pour le consommateur (brillance, couleur, rugosité etc.) mais constitue également l’interface entre le fruit et son environnement (contrôle de la perte en eau, résistance aux pathogènes etc.). Des questions centrales subsistent sur la formation de la peau du fruit : comment est-elle régulée et coordonnée avec le développement des autres tissus du fruit ?  Comment sa composition et sa structure influent-elles sur ses propriétés ?

Lors de la mise en place précoce du fruit, les cellules vont se différencier, s’organiser en tissus distincts et se spécialiser. Dans ce processus, les cellules épidermiques vont jouer un rôle majeur dans la protection du fruit, en établissant une barrière lipidique complexe, la cuticule, permettant de garantir l’intégrité du fruit. Cette couche externe est responsable d’un grand nombre de propriétés agronomiques du fruit telles que l’aspect de surface, la conservation ou bien la résistance aux pathogènes (Petit et al., 2017). Elle doit également se remodeler en permanence pour permettre la croissance du fruit.

Par une approche de génétique directe exploitant une collection de mutants EMS de tomate chez la variété miniature Micro-Tom, nous avons isolé puis caractérisé des mutants atteints au niveau de gènes clés de la biosynthèse de la cuticule, comme Slcyp86a69 (Shi et al., 2013), Slgpat6-a (Petit et al., 2016 ; Philippe et al., 2016), Slcus1 (Girard et al., 2012 ; Petit et al., 2014), et de sa régulation, comme Slshn2 (Bres et al., soumis). Les analyses cytologiques, moléculaires et biochimiques menées sur ces mutants nous ont déjà permis de mieux comprendre la mise en place de la cuticule chez le fruit. L’établissement d’un réseau de mutants de cuticule (génération de double et triple mutants) nous permettra, en collaboration étroite avec divers partenaires en France et en Europe, d’approfondir notre compréhension de la régulation de la formation de la cuticule, des propriétés des polyesters cuticulaires dans la résistance aux pathogènes mais également des interactions entre composés cuticulaires et les autres polymères pariétaux. Ce dernier point fait l’objet du projet ANR COPLAnAR (COrrelative investigations of PLAnt cuticle ARchitecture associated to its functionalities) qui démarre en 2022.

III – Réponses aux contraintes environnementales

1°- Chez le fraiser

Dans presque tous les pays où le fraisier est cultivé, des programmes de sélection sont mis en œuvre en raison d'un environnement ou de techniques culturelles spécifiques et de l'acceptation des consommateurs. La plasticité phénotypique d'un génotype (G) est sa capacité à produire différents phénotypes résultant des relations complexes avec l'environnement (E) dans lequel il est cultivé, y compris les décisions de gestion des cultures.

Les objectifs de notre recherche sont de décrypter le contrôle génétique et moléculaire de la plasticité pour des caractères de  développement et de production du fruit (ex: floraison pour la précocité et la durée de la période de production) en utilisant des approches complémentaires: GWAS, détection de QTL, études GxE, génomique fonctionnelle.

Nous avons sélectionné des caractères d'intérêt soumis à de fortes interactions GxE qui sont cruciales à la fois pour les producteurs (rendement, précocité, durée de floraison, architecture du plant, résistance à l'oïdium) et pour les consommateurs (plusieurs caractères de qualité des fruits). Nos premiers résultats tendent à démontrer que chez le fraisier cultivé le fort effet de l'environnement (combinaison de la région géographique et de l'année d'essai) et de l'interaction GxE dépend de divers traits d'intérêt mesurés dans des conditions multi-environnementales.

Les recherches sur le fraisier cultivé sont menées en collaboration avec des professionnels de la fraise dont Invenio (https://www.invenio-fl.fr/), une association de producteurs français impliquée dans l'expérimentation sur les fruits et légumes ainsi que dans l'amélioration du fraisier.

2°- Chez la tomate

Le changement climatique amplifie les effets des stress abiotiques (incluant sécheresse ou hautes températures) que les plantes peuvent subir, menaçant la stabilité de la production agricole et la sécurité alimentaire.

Réponses au stress de haute température

L’augmentation des températures, notamment la survenue de vagues de chaleurs, due au changement climatique affecte la production en fruits chez la Tomate. Afin d’élucider comment le développement des organes floraux sont affectés par le stress thermique et identifier les déterminants génétiques associés, nous utilisons deux approches complémentaires: (i) le criblage de la collection de mutants EMS MicroTom afin d’isoler des mutants tolérants à des hautes températures, et (ii) la production et la comparaison de données des transcriptomes entre génotypes de tomate tolérants et sensibles, cultivés en conditions de culture standard et de hautes températures. L’analyse de ces données doit permettre d’identifier les voies de signalisation affectées par les hautes températures et de sélectionner des gènes candidats qui, après une étape de validation fonctionnelle, pourraient être utilisés comme marqueurs de sélection de variétés tolérantes.

Biostimulants, croissance et stress de haute température

La transition vers de nouvelles pratiques culturales durables permettant la réduction des produits phytosanitaires sans affecter le rendement, représente un enjeu important en agronomie. Dans ce contexte, nous étudions les effets de l’application de biostimulants, définis notamment comme des produits permettant d’améliorer la résilience des plantes à des stress, pour contrôler la réponse au stress thermique. Pour cela, nous mettons en place une étude phénotypique multi-échelle et des études mécanistiques permettant d’identifier les effets des biostimulants sur la croissance de la plante (principalement développement de la fleur et du fruit), et d’étudier les changements au niveau physiologique, cellulaire et moléculaire  qui sont induits.