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

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

Architecture and permeability of post-cytokinesis plasmodesmata lacking cytoplasmic sleeves

This work was supported by the grants by the Region Aquitaine (to E.M.B) and PEPS (Initial Support for Exploratory Projects to E.M.B) and National Agency for Research (Grant ANR-14-CE19-0006-01 to E.M.B).Plasmodesmata are remarkable cellular machines responsible for the controlled exchange of proteins, small RNAs and signalling molecules between cells. They are lined by the plasma membrane (PM), contain a strand of tubular endoplasmic reticulum (ER), and the space between these two membranes is thought to control plasmodesmata permeability. Here, we have reconstructed plasmodesmata three-dimensional (3D) ultrastructure with an unprecedented level of 3D information using electron tomography. We show that within plasmodesmata, ER-PM contact sites undergo substantial remodelling events during cell differentiation. Instead of being open pores, post-cytokinesis plasmodesmata present such intimate ER-PM contact along the entire length of the pores that no intermembrane gap is visible. Later on, during cell expansion, the plasmodesmata pore widens and the two membranes separate, leaving a cytosolic sleeve spanned by tethers whose presence correlates with the appearance of the intermembrane gap. Surprisingly, the post-cytokinesis plasmodesmata allow diffusion of macromolecules despite the apparent lack of an open cytoplasmic sleeve, forcing the reassessment of the mechanisms that control plant cell-cell communication.PostprintPeer reviewe

Etudes des mécanismes moléculaires impliqués dans la dormance en réponse à la température chez le cerisier doux (Prunus avium. L)

According to the last 6th IPCC report, the average temperature on Earth have already increased by at least 1.5 °C and this trend is expected to fasten in the next decades if human activities continue to generate greenhouse gas emission. In particular, global warming appears to become an important threat for fruit tree production such as sweet cherry (Prunus avium L.). Consequences on sweet cherry phenology have been already recorded, including an advance of flowering dates leading to a higher risk of damages by late spring frost. In addition, frequent mild winters reduce cold accumulation with various consequences such as bud defaults; necrosis and bud burst delays, leading to important economic losses. all these impacts of global warming can be linked to the wintering period also called dormancy, which is essential in the seasonal cycle to ensure an abundant and quality blooming allowing the reproductive success of fruit tree species and therefore fruit production. Dormancy is a phase when plant growth stops in order to protect fragile tissues from the unfavorable conditions of cold winter period. In this context, it is essential to include the response to temperature into breeding programs to create new cultivars well adapted to future climatic conditions. With this purpose, it is necessary to better characterize the molecular actors involved in the sweet cherry dormancy progression in response to temperature. Therefore, the main objective of this thesis project was to investigate how environmental conditions (temperature and photoperiod) could regulate sweet cherry dormancy and to identify the molecular mechanisms controlling dormancy progression and the response to temperature.The first part of this work proposed a physiological characterization of sweet cherry dormancy under natural conditions. A better understanding and description of the dormancy progression were established from complementary forcing experiments on both twigs and isolated flower buds giving reliable information of the capacity to respond to temperature. In addition, we studied transport capacity during bud dormancy. We could better define the timing of dormancy onset and we highlighted key genes involved in transport capacity regulation during each dormancy stages.The second part of this work was to characterize the molecular response to environmental constraints during dormancy and how temperature can influence gene expression with consequences on sweet cherry phenology stages, such as senescence and flowering date. Using RNA-seq on samples covering the entire dormancy under cold deprivation, this study highlighted key candidate genes involved in biological pathways regulating dormancy progression. Results brought a deeper understanding on the candidate genes controlling dormancy progression and how temperature can regulate their expression.All candidate genes and signaling pathways identified in this project can be included as new targets in breeding programs for markers assisted selection in order to create cultivars well adapted to future climate change. These new data and hypotheses can be also integrated into new molecular-based phenology models to predict sweet cherry phenology under future climatic scenarios and provide crucial information to anticipate the risks and opportunities for fruit production.Selon le dernier sixième rapport du GIEC, la température moyenne sur Terre a déjà augmenté d'au moins 1,5 °C et cette tendance devrait se confirmer au cours des prochaines décennies si les activités humaines continuent de générer des émissions de gaz à effet de serre. En particulier, le réchauffement climatique semble devenir une menace importante pour les arbres fruitiers tels que le cerisier doux (Prunus avium L.). Les conséquences sur la phénologie du cerisier doux ont déjà été observées, notamment une avancée des dates de floraison entraînant un risque plus élevé de dommages par le gel tardif du printemps. De plus, les hivers doux et fréquents réduisent l'accumulation de froid avec diverses conséquences telles que les défauts de bourgeons; nécroses et retards de débourrement, entraînant d'importantes pertes économiques. Tous ces impacts du réchauffement climatique peuvent être liés à la période de repos en hiver aussi appelée dormance, qui est essentielle dans le cycle saisonnier pour assurer une floraison abondante et de qualité permettant le succès reproducteur des arbres fruitiers et donc la production de fruits. La dormance est une phase où la croissance des plantes s'arrête afin de protéger les tissus fragiles des conditions défavorables de l'hiver froid. Dans ce contexte, il est essentiel d'inclure la réponse à la température dans les programmes de sélection afin de créer de nouvelles variétés mieux adaptées aux conditions climatiques futures. Dans ce contexte, il est nécessaire de mieux caractériser les acteurs moléculaires impliqués dans la progression de la dormance du cerisier doux en réponse à la température. Par conséquent, l'objectif principal de ce projet de thèse était d'étudier comment les conditions environnementales (température et photopériode) pourraient réguler la dormance du cerisier doux et d'identifier les mécanismes moléculaires contrôlant la progression de la dormance et la réponse à la température.La première partie de ce travail a porté sur la caractérisation physiologique de la dormance du cerisier doux dans des conditions naturelles. Une meilleure compréhension et une meilleure description de la progression de la dormance ont été établies à partir d'expériences de forçage complémentaires sur des rameaux et des bourgeons floraux isolés donnant des informations robustes sur la capacité à répondre à la température. De plus, la capacité de transport a été étudié pendant la dormance des bourgeons ce qui a permis de mieux définir le moment de l'entrée en dormance et de mettre en évidence des gènes clés impliqués dans la régulation de la capacité de transport au cours de la dormance.La deuxième partie de ce travail a consisté à caractériser la réponse moléculaire aux contraintes environnementales pendant la dormance et comment la température peut influencer l'expression des gènes avec des conséquences sur les stades phénologiques du cerisier doux, tels que la sénescence et la date de floraison. Une étude transcriptomique, à partir de données RNA-seq mensuelles au cours de la dormance sous privation de froid a mis en évidence des gènes candidats clés impliqués dans les voies biologiques régulant la progression de la dormance. Les résultats ont permis de mieux comprendre comment la température peut réguler l'expression des gènes candidats contrôlant la progression de la dormance.Tous les gènes candidats et les voies de signalisation identifiés dans ce projet peuvent être inclus comme de nouvelles cibles dans les programmes de sélection assistée par marqueurs afin de créer des variétés mieux adaptées aux changements climatiques futurs. Ces nouvelles données et hypothèses peuvent également être intégrées dans de nouveaux modèles de phénologie moléculaire pour prédire la phénologie du cerisier doux dans de futurs scénarios climatiques et fournir des informations cruciales pour anticiper les risques et les opportunités pour la production fruitière

Molecular mechanisms involved in dormancy in response to temperature in sweet cherry (Prunus avium L.)

Selon le dernier sixième rapport du GIEC, la température moyenne sur Terre a déjà augmenté d'au moins 1,5 °C et cette tendance devrait se confirmer au cours des prochaines décennies si les activités humaines continuent de générer des émissions de gaz à effet de serre. En particulier, le réchauffement climatique semble devenir une menace importante pour les arbres fruitiers tels que le cerisier doux (Prunus avium L.). Les conséquences sur la phénologie du cerisier doux ont déjà été observées, notamment une avancée des dates de floraison entraînant un risque plus élevé de dommages par le gel tardif du printemps. De plus, les hivers doux et fréquents réduisent l'accumulation de froid avec diverses conséquences telles que les défauts de bourgeons; nécroses et retards de débourrement, entraînant d'importantes pertes économiques. Tous ces impacts du réchauffement climatique peuvent être liés à la période de repos en hiver aussi appelée dormance, qui est essentielle dans le cycle saisonnier pour assurer une floraison abondante et de qualité permettant le succès reproducteur des arbres fruitiers et donc la production de fruits. La dormance est une phase où la croissance des plantes s'arrête afin de protéger les tissus fragiles des conditions défavorables de l'hiver froid. Dans ce contexte, il est essentiel d'inclure la réponse à la température dans les programmes de sélection afin de créer de nouvelles variétés mieux adaptées aux conditions climatiques futures. Dans ce contexte, il est nécessaire de mieux caractériser les acteurs moléculaires impliqués dans la progression de la dormance du cerisier doux en réponse à la température. Par conséquent, l'objectif principal de ce projet de thèse était d'étudier comment les conditions environnementales (température et photopériode) pourraient réguler la dormance du cerisier doux et d'identifier les mécanismes moléculaires contrôlant la progression de la dormance et la réponse à la température.La première partie de ce travail a porté sur la caractérisation physiologique de la dormance du cerisier doux dans des conditions naturelles. Une meilleure compréhension et une meilleure description de la progression de la dormance ont été établies à partir d'expériences de forçage complémentaires sur des rameaux et des bourgeons floraux isolés donnant des informations robustes sur la capacité à répondre à la température. De plus, la capacité de transport a été étudié pendant la dormance des bourgeons ce qui a permis de mieux définir le moment de l'entrée en dormance et de mettre en évidence des gènes clés impliqués dans la régulation de la capacité de transport au cours de la dormance.La deuxième partie de ce travail a consisté à caractériser la réponse moléculaire aux contraintes environnementales pendant la dormance et comment la température peut influencer l'expression des gènes avec des conséquences sur les stades phénologiques du cerisier doux, tels que la sénescence et la date de floraison. Une étude transcriptomique, à partir de données RNA-seq mensuelles au cours de la dormance sous privation de froid a mis en évidence des gènes candidats clés impliqués dans les voies biologiques régulant la progression de la dormance. Les résultats ont permis de mieux comprendre comment la température peut réguler l'expression des gènes candidats contrôlant la progression de la dormance.Tous les gènes candidats et les voies de signalisation identifiés dans ce projet peuvent être inclus comme de nouvelles cibles dans les programmes de sélection assistée par marqueurs afin de créer des variétés mieux adaptées aux changements climatiques futurs. Ces nouvelles données et hypothèses peuvent également être intégrées dans de nouveaux modèles de phénologie moléculaire pour prédire la phénologie du cerisier doux dans de futurs scénarios climatiques et fournir des informations cruciales pour anticiper les risques et les opportunités pour la production fruitière.According to the last 6th IPCC report, the average temperature on Earth have already increased by at least 1.5 °C and this trend is expected to fasten in the next decades if human activities continue to generate greenhouse gas emission. In particular, global warming appears to become an important threat for fruit tree production such as sweet cherry (Prunus avium L.). Consequences on sweet cherry phenology have been already recorded, including an advance of flowering dates leading to a higher risk of damages by late spring frost. In addition, frequent mild winters reduce cold accumulation with various consequences such as bud defaults; necrosis and bud burst delays, leading to important economic losses. all these impacts of global warming can be linked to the wintering period also called dormancy, which is essential in the seasonal cycle to ensure an abundant and quality blooming allowing the reproductive success of fruit tree species and therefore fruit production. Dormancy is a phase when plant growth stops in order to protect fragile tissues from the unfavorable conditions of cold winter period. In this context, it is essential to include the response to temperature into breeding programs to create new cultivars well adapted to future climatic conditions. With this purpose, it is necessary to better characterize the molecular actors involved in the sweet cherry dormancy progression in response to temperature. Therefore, the main objective of this thesis project was to investigate how environmental conditions (temperature and photoperiod) could regulate sweet cherry dormancy and to identify the molecular mechanisms controlling dormancy progression and the response to temperature.The first part of this work proposed a physiological characterization of sweet cherry dormancy under natural conditions. A better understanding and description of the dormancy progression were established from complementary forcing experiments on both twigs and isolated flower buds giving reliable information of the capacity to respond to temperature. In addition, we studied transport capacity during bud dormancy. We could better define the timing of dormancy onset and we highlighted key genes involved in transport capacity regulation during each dormancy stages.The second part of this work was to characterize the molecular response to environmental constraints during dormancy and how temperature can influence gene expression with consequences on sweet cherry phenology stages, such as senescence and flowering date. Using RNA-seq on samples covering the entire dormancy under cold deprivation, this study highlighted key candidate genes involved in biological pathways regulating dormancy progression. Results brought a deeper understanding on the candidate genes controlling dormancy progression and how temperature can regulate their expression.All candidate genes and signaling pathways identified in this project can be included as new targets in breeding programs for markers assisted selection in order to create cultivars well adapted to future climate change. These new data and hypotheses can be also integrated into new molecular-based phenology models to predict sweet cherry phenology under future climatic scenarios and provide crucial information to anticipate the risks and opportunities for fruit production

Opera Lilloana

International audienc

Genome-wide association mapping in a sweet cherry germplasm collection ( Prunus avium L.) reveals candidate genes for fruit quality traits

In sweet cherry (Prunus avium L.), large variability exists for various traits related to fruit quality. There is a need to discover the genetic architecture of these traits in order to enhance the efficiency of breeding strategies for consumer and producer demands. With this objective, a germplasm collection consisting of 116 sweet cherry accessions was evaluated for 23 agronomic fruit quality traits over 2–6 years, and characterized using a genotyping-by-sequencing approach. The SNP coverage collected was used to conduct a genome-wide association study using two multilocus models and three reference genomes. We identified numerous SNP–trait associations for global fruit size (weight, width, and thickness), fruit cracking, fruit firmness, and stone size, and we pinpointed several candidate genes involved in phytohormone, calcium, and cell wall metabolisms. Finally, we conducted a precise literature review focusing on the genetic architecture of fruit quality traits in sweet cherry to compare our results with potential colocalizations of marker–trait associations. This study brings new knowledge of the genetic control of important agronomic traits related to fruit quality, and to the development of marker-assisted selection strategies targeted towards the facilitation of breeding efforts