Transport capacity is uncoupled with endodormancy breaking in sweet cherry buds: physiological and molecular insights

IntroductionTo avoid the negative impacts of winter unfavorable conditions for plant development, temperate trees enter a rest period called dormancy. Winter dormancy is a complex process that involves multiple signaling pathways and previous studies have suggested that transport capacity between cells and between the buds and the twig may regulate the progression throughout dormancy stages. However, the dynamics and molecular actors involved in this regulation are still poorly described in fruit trees.MethodsHere, in order to validate the hypothesis that transport capacity regulates dormancy progression in fruit trees, we combined physiological, imaging and transcriptomic approaches to characterize molecular pathways and transport capacity during dormancy in sweet cherry (Prunus avium L.) flower buds. ResultsOur results show that transport capacity is reduced during dormancy and could be regulated by environmental signals. Moreover, we demonstrate that dormancy release is not synchronized with the transport capacity resumption but occurs when the bud is capable of growth under the influence of warmer temperatures. We highlight key genes involved in transport capacity during dormancy. DiscussionBased on long-term observations conducted during six winter seasons, we propose hypotheses on the environmental and molecular regulation of transport capacity, in relation to dormancy and growth resumption in sweet cherry

ChIP-seq and RNA-seq for complex and low-abundance tree buds reveal chromatin and expression co-dynamics during sweet cherry bud dormancy

Funder: CIFREAbstract: Chromatin immunoprecipitation-sequencing (ChIP-seq) is a robust technique to study interactions between proteins, such as histones or transcription factors and DNA. This technique in combination with RNA-sequencing (RNA-seq) is a powerful tool to better understand biological processes in eukaryotes. We developed a combined ChIP-seq and RNA-seq protocol for tree buds (Prunus avium L., Prunus persica L Batch, Malus x domestica Borkh.) that has also been successfully tested on Arabidopsis thaliana and Saccharomyces cerevisiae. Tree buds contain phenolic compounds that negatively interfere with ChIP and RNA extraction. In addition to solving this problem, our protocol is optimised to work on small amounts of material. Furthermore, one of the advantages of this protocol is that samples for ChIP-seq are cross-linked after flash freezing, making it possible to work on trees growing in the field and to perform ChIP-seq and RNA-seq on the same starting material. Focusing on dormant buds in sweet cherry, we explored the link between expression level and H3K4me3 enrichment for all genes, including a strong correlation between H3K4me3 enrichment at the DORMANCY-ASSOCIATED MADS-BOX 5 (PavDAM5) loci and its expression pattern. This protocol will allow analysis of chromatin and transcriptomic dynamics in tree buds, notably during its development and response to the environment

From bud formation to flowering: transcriptomic state defines the cherry developmental phases of sweet cherry bud dormancy.

Funder: Centre Mondial de l’Innovation Roullier (FR)BACKGROUND: Bud dormancy is a crucial stage in perennial trees and allows survival over winter to ensure optimal flowering and fruit production. Recent work highlighted physiological and molecular events occurring during bud dormancy in trees. However, they usually examined bud development or bud dormancy in isolation. In this work, we aimed to further explore the global transcriptional changes happening throughout bud development and dormancy onset, progression and release. RESULTS: Using next-generation sequencing and modelling, we conducted an in-depth transcriptomic analysis for all stages of flower buds in several sweet cherry (Prunus avium L.) cultivars that are characterized for their contrasted dates of dormancy release. We find that buds in organogenesis, paradormancy, endodormancy and ecodormancy stages are defined by the expression of genes involved in specific pathways, and these are conserved between different sweet cherry cultivars. In particular, we found that DORMANCY ASSOCIATED MADS-box (DAM), floral identity and organogenesis genes are up-regulated during the pre-dormancy stages while endodormancy is characterized by a complex array of signalling pathways, including cold response genes, ABA and oxidation-reduction processes. After dormancy release, genes associated with global cell activity, division and differentiation are activated during ecodormancy and growth resumption. We then went a step beyond the global transcriptomic analysis and we developed a model based on the transcriptional profiles of just seven genes to accurately predict the main bud dormancy stages. CONCLUSIONS: Overall, this study has allowed us to better understand the transcriptional changes occurring throughout the different phases of flower bud development, from bud formation in the summer to flowering in the following spring. Our work sets the stage for the development of fast and cost effective diagnostic tools to molecularly define the dormancy stages. Such integrative approaches will therefore be extremely useful for a better comprehension of complex phenological processes in many species

La floraison chez le pois par une approche de biologie intégrative : du réseau de gènes à la plante au champ

Pea (Pisum sativum) represents a valuable model species for systems biology approaches, as it is both a crop and a model species that has been used for decades to investigate developmental processes. In particular, various approaches led to a tremendous amount of data on flowering: (i) genetic and physiological approaches carried out on non-allelic flowering mutants under controlled conditions allowed the development of a descriptive, non-predictive model for the genetic regulation of flowering in pea; (ii) extensive studies on environmental control of flowering led to agroecophysiological models for flowering time prediction, which are not based on genotype and therefore, extrapolation of these results to other genotypes is limited. Additionally, recent molecular advances in pea and the model species Arabidopsis thaliana improved the knowledge on the regulation of flowering. The objective of this work was to integrate this wide range of data into a predictive model in which the time of flower initiation has been broken down into two component variables: the node of first open flower (NFI) and the duration between initiation of two nodes (plastochron). I developed a first predictive model for NFI, based on genetic and photoperiodic control of flowering in pea. Furthermore, analyses of lines grown under field conditions allowed a better understanding of NFI and plastochron responses to environmental conditions. These systems biology approaches were complemented by the molecular study of the two pea flowering key genes LATE FLOWERING (LF) and HIGH RESPONSE TO PHOTOPERIOD (HR). In particular, HR was shown to be involved in the light transduction pathway to the circadian clock, which allowed identification of new candidate genes. These results, together with the new molecular data, lead to a better understanding of the genetic control of flowering and development in pea. This work opens new avenues to modelling approaches for flowering in pea.Le pois (Pisum sativum), par son double statut d’espèce modèle pour l’étude du développement, et d’espèce agronomique, représente une espèce modèle idéale pour des études intégrées à différentes échelles biologiques. La transition florale est un caractère clé du développement et des approches variées ont conduit à l’obtention de nombreuses données pour la floraison chez le pois : (i) les approches de génétique et physiologie menées en conditions contrôlées sur une large gamme de mutants ont conduit au développement d’un modèle descriptif, mais sans capacité de prédiction, développant les interactions entre les gènes connus contrôlant la floraison ; (ii) l’étude approfondie en conditions de plein champ du contrôle de la floraison a permis de développer des modèles écophysiologiques de la date de floraison en fonction de la photopériode et de la température à forte capacité de prédiction mais qui ne prennent pas en compte le génotype. Plus récemment, les données sur Arabidopsis thaliana permettent d’avoir une compréhension au niveau moléculaire des mécanismes en jeu. Ce projet est une première approche pour intégrer ce large jeu de données au sein d’un modèle prédictif de la date d’initiation florale, décomposé sous la forme du produit mathématique du premier noeud d’initiation florale (NFI) et du temps nécessaire à l’initiation d’un nouveau noeud à l’apex (plastochrone). Un premier modèle mathématique pour la régulation génétique du NFI a été développé qui permet de prédire le NFI pour différents génotypes et photopériodes. Les réponses du NFI et du plastochrone aux conditions environnementales et en particulier à la photopériode ont été analysées précisément. Afin de compléter le modèle, je me suis intéressée particulièrement aux deux gènes clés de floraison, LATE FLOWERING (LF) et HIGH RESPONSE TO PHOTOPERIOD (HR). Des approches moléculaires pour HR ont permis de montrer que le gène était impliqué dans la voie de transduction de la lumière vers l’horloge circadienne, et de nouveaux gènes candidats ont été proposés. Ce travail propose des pistes pour exploiter l’approche de modélisation pour la floraison chez le pois à la lumière des nouvelles données moléculaires

Showing science in action through scientific writings

L'image que le jeune public a de la science est bien éloignée de la « science en train de se faire » que les sociologues des sciences ont décrite et formalisée. Avec l'ambition de donner les clés de lecture de ce monde incertain et chaotique, nous sommes partis des richesses des bibliothèques pour présenter de manière ludique les écrits scientifiques: cahiers de laboratoire, articles scientifiques ou de vulgarisation, thèses de doctorat, brevets... Cet atelier a été conduit à plusieurs reprises et nous faisons ici le compte-rendu de cette expérience, à la fois sous les angles pratique et théorique

Montrer la science en train de se faire par les écrits scientifiques

International audienceDas BiId, das das junge Publikum von der Wissenschaft hat, ist weit von der,,Wissenschaft in Aktion» entfernt, die die Wissenschaftssoziologen beschrieben und formalisiert haben. Mit der Ambition, Leseschlüssel für diese ungewisse und chaotische WeIt zu geben, sind wir von den Reichtümern der Bibliotheken ausgegangen, um wissenschaftliche Texte spielerisch vorzustellen: Laborhefte, wissenschaftliche Artikel und Popularisierungsartikel, Doktorarbeiten, Patente... Dieses Workshop wurde mehrmals geführt und es wird hier über diese Erfahrung berichtet, unter dem praktischen wie unter dem theoretischen Blickwinkel.The image of science among young people is far from the "science in action" that sociologists of science have described and theorized. With the aim of giving the keys to that uncertain and chaotic world, we drew from the wealth oflibraries to present a ludic picture ofscientific writings: laboratory notebooks, scientific or popular science articles, PhD thesis, patents... This workshop was held several times and we report here on this experience, from both practical and theoretical perspectives.La imagen que el público joven tiene de la ciencia está muy alejada de la ciencia en acción que los sociólogos de ciencias han descrito y formalizado. Con la ambición de dar las claves de lectura de este mundo incierto y caótico, hemos empezado con las riquezas de las bibliotecas para presentar de manera lúdica los escritos científicos : cuadernos de laboratorio artículos científicos o de divulgación, tesis de doctorado, patentes. Este tallerse ha realizado varias veces y hacemos aquíel informe de esta experiencia, a la vez bajo el ángulo práctico y teórico.L'image que le jeune public a de la science est bien éloignée de la « science en train de se faire » que les sociologues des sciences ont décrite et formalisée. Avec l'ambition de donner les clés de lecture de ce monde incertain et chaotique, nous sommes partis des richesses des bibliothèques pour présenter de manière ludique les écrits scientifiques : cahiers de laboratoire, articles scientifiques ou de vulgarisation, thèses de doctorat, brevets... Cet atelier a été conduit à plusieurs reprises et nous faisons ici le compte-rendu de cette expérience, à la fois sous les anglespratique et théorique

Flowering time in pea (a systems biology approach from the genetic network to the field)

Le pois, à la fois espèce modèle pour l étude du développement et espèce agronomique, représente un sujet idéal pour des études intégrées à différentes échelles. La transition florale est un caractère clé du développement et des approches variées ont conduit à différents modèles. Les approches de génétique et physiologie menées en conditions contrôlées sur une large gamme de mutants ont conduit au développement d un modèle descriptif pour les interactions entre les gènes connus contrôlant la floraison. Les études en plein champ ont permis de développer des modèles écophysiologiques de la date de floraison en fonction de la photopériode et de la température qui ne prennent pas en compte le génotype. Plus récemment, les données sur Arabidopsis thaliana permettent d avoir une compréhension au niveau moléculaire des mécanismes en jeu. Ce projet est une première approche pour intégrer ce large jeu de données au sein d un modèle prédictif de la date d initiation florale, décomposé sous la forme du produit mathématique du premier nœud d initiation florale (NFI) et du temps nécessaire à l initiation d un nouveau nœud à l apex (plastochrone). Un premier modèle mathématique pour la régulation génétique du NFI a été développé qui permet de prédire le NFI pour différents génotypes et photopériodes. Les réponses du NFI et du plastochrone aux conditions environnementales ont été analysées précisément. Je me suis intéressée particulièrement aux deux gènes clés de floraison LATE FLOWERING (LF) et HIGH RESPONSE TO PHOTOPERIOD (HR). Ce travail propose des pistes pour exploiter l approche de modélisation pour la floraison chez le pois à la lumière des nouvelles données moléculaires.Pea (Pisum sativum) represents a valuable model species for systems biology approaches, as it is both a crop a model species that has been used for decades to investigate developmental processes. Various approaches led to a tremendous amount of data on flowering : (i) genetic and physiological approaches carried out on non-allelic flowering mutants under controlled conditions allowed the development of a descriptive, non-predictive model for the genetic regulation of flowering in pea; (ii) extensive studies on environmental control of flowering led to agroecophysiological models for flowering time prediction. Additionally, recent molecular advances in pea and the model species Arabidopsis thaliana improved the knowledge on the regulation of flowering. The objective of this work was to integrate this wide range of date into a predictive model in which the time of flower initiation has been broken down into two components variables: the node of first open flower (NFI) and the duration between initiation of two nodes (plastochron). I developed a first predictive model for NFI, based on genetic and photoperiodic control of flowering in pea. Furthermore, analyses of lines grown under field conditions allowed a better understanding of NFI and plastochron responses to environmental conditions. These systems biology approaches were complemented by the molecular study of the two pea flowering key genes LATE FLOWERING (LF) and HIGH RESPONSE TO PHOTOPERIOD (HR). These results, together with the new molecular data, lead to a better understanding of the genetic control of flowering and development in pea. This work opens new avenues to modelling approaches for flowering in pea.ORSAY-PARIS 11-BU Sciences (914712101) / SudocSudocFranceF

Bud Dormancy in Perennial Fruit Tree Species: A Pivotal Role for Oxidative Cues

For perennial plants, bud dormancy is a crucial step as its progression over winter determines the quality of bud break, flowering, and fruiting. In the past decades, many studies, based on metabolic, physiological, subcellular, genetic, and genomic analyses, have unraveled mechanisms underlying bud dormancy progression. Overall, all the pathways identified are interconnected in a very complex manner. Here, we review early and recent findings on the dormancy processes in buds of temperate fruit trees species including hormonal signaling, the role of plasma membrane, carbohydrate metabolism, mitochondrial respiration and oxidative stress, with an effort to link them together and emphasize the central role of reactive oxygen species accumulation in the control of dormancy progression