Régulation et études de fonction de facteurs de transcription MADS-box associés à la vernalisation chez le blé (Triticum aestivum L.)

La floraison, une des étapes cruciales du cycle de vie des plantes, est influencée par les facteurs environnementaux tels que la température et la durée d'ensoleillement. La majorité des espèces végétales évoluant en zones tempérées ont fort avantageusement développé des mécanismes d'adaptation leur permettant de mieux synchroniser leur développement en condition de basses températures et de courte durée d'ensoleillement. En réponse au stress causé par une longue exposition aux basses températures, les plantes induisent un processus nommé vernalisation qui consiste à induire une floraison précoce chez les plantes sensibles. Cette capacité à promouvoir la floraison peut également être acquise selon la sensibilité de chaque plante par une longue ou courte exposition de lumière (photopériode). Ces mécanismes d'adaptation favorisent une floraison au moment opportun et assurent une bonne reproduction. Chez Arabidopsis, des analyses génétiques et moléculaires ont démontré que l'expression de nombreux gènes était modulée en réponse aux variations de basses températures et de lumière afin de bien synchroniser la transition florale. La plupart des gènes ayant un rôle majeur dans la régulation de la floraison en réponse aux variations de températures et de lumière code pour des protéines conservées chez les eucaryotes et impliquées dans divers aspects du développement et la reproduction des espèces: les facteurs de transcription de type MADS-box. D'ailleurs, toutes les voies de régulation de la floraison chez Arabidopsis convergent vers un répresseur central, le gène FLC (Flowering locus C) qui code pour un facteur de transcription de type MADS-box. Chez les céréales, aucun homologue de FLC n'est, à ce jour, identifié et très peu de gènes MADS-box ont une fonction connue. Afin de pousser la caractérisation des gènes MADS-box chez les céréales et d'élucider leurs rôles lors de la régulation de la floraison, l'identification de cette famille de gènes a été entreprise chez le blé. Le blé hexaploïde a été choisi comme modèle d'étude à cause de sa grande variabilité de réponses face aux stress, ce qui lui confère une grande résistance et aptitude à pousser dans des zones où le climat et les saisons sont variables. De plus. il est plus intéressant au niveau agronomique, nutritif et économique qu'Arabidopsis. Par contre, ce choix s'accompagne d'un grand défi du fait de la taille et de la complexité du génome du blé. mais également des caractéristiques structurales et évolutives de la famille de gènes MADS-box. Pour ces raisons, une approche génomique combinant des outils bioinformatiques et des études moléculaires a été utilisée. L'identification d'ADNc de MADS-box chez le blé hexaploïde, par recherche de bases de données, par PCR ou criblage de banques, montre que plus d'une cinquantaine de facteurs MADS-box sont codés par ses génomes. En général, ces facteurs présentent une grande conservation de structures et de fonctions durant l'évolution chez les angiospermes. Une analyse moléculaire sommaire de membres de la famille MADS-box, en réponse à la vernalisation et à la photopériode, a permis d'identifier et d'associer un de ces facteurs, nommé TaVRT-2, à la régulation de la floraison. En réponse à la vernalisation, l'ARNm de TaVRT-2 s'accumule seulement durant la phase végétative du blé d'hiver et ce profil est inversement proportionnel à celui du gène majeur de vernalisation VRNl/TaVRT-l. Ce résultat suggérait que TaVRT-2 pouvait retarder la transition florale en réprimant l'expression de TaVRT-l ou bien que Ta VRT-I induisait la floraison après la répression de TaVRT-2. Or, les études génétiques indiquaient que l'accumulation de TaVRT-l était un des événements les plus tardifs dans l'induction de la floraison. De plus, les études d'interactions protéiques indiquent que TaVRT-2 est capable de former des hétérodimères, surtout avec TaVRT-l. Enfin, la présence au niveau de son promoteur d'un élément cis spécifique au MADS-box suggérait plutôt que TaVRT-2 régule négativement l'expression de TaVRT-l. Toutes ces données soutenaient l'hypothèse que TaVRT-2 est un régulateur négatif de TaVRT-l et donc de la transition florale chez le blé. Grâce à des études de liaisons in vitro et par expression transitoire in vivo, il est démontré que la protéine TaVRT-2 réprime la transcription du gène TaVRT-l en se liant directement sur le promoteur et probablement en recrutant d'autres facteurs importants. Des études chez des plantes transgéniques confirment que TaVRT-2 est capable de retarder la floraison et qu'il est impliqué dans la voie autonome de régulation de la floraison. Le clonage des gènes MADS-box de blé a permis de voir que les acteurs majeurs impliqués dans la régulation de la vernalisation sont différents entre espèces monocotylédones et dicotylédones. En ce sens, l'identification de TaVRT-2 constitue une contribution importante dans l'étude des mécanismes de régulation de la floraison. L'implication de TaVRT-2 dans les voies de régulation de la floraison (vernalisation, photopériode et autonome) démontre qu'il est un répresseur central de la floraison chez les céréales à l'instar de FLC chez Arabidopsis. Ces résultats montrent à quel point une meilleure compréhension des mécanismes d'adaptation des plantes face aux changements environnementaux peut contribuer à une bonne synchronisation de la floraison et du développement chez les céréales. En perspective, cette étude offre des avenues intéressantes sur le plan de l'amélioration des stratégies agricultrices et de l'augmentation de la productivité céréalière. ______________________________________________________________________________ MOTS-CLÉS DE L’AUTEUR : Blé hexaploïde, Facteurs de transcription, MADS-box, Floraison, Vernalisation, Photopériode

Heterologous Expression of Wheat VERNALIZATION 2 (TaVRN2) Gene in Arabidopsis Delays Flowering and Enhances Freezing Tolerance

The vernalization gene 2 (VRN2), is a major flowering repressor in temperate cereals that is regulated by low temperature and photoperiod. Here we show that the gene from Triticum aestivum (TaVRN2) is also regulated by salt, heat shock, dehydration, wounding and abscissic acid. Promoter analysis indicates that TaVRN2 regulatory region possesses all the specific responsive elements to these stresses. This suggests pleiotropic effects of TaVRN2 in wheat development and adaptability to the environment. To test if TaVRN2 can act as a flowering repressor in species different from the temperate cereals, the gene was ectopically expressed in the model plant Arabidopsis. Transgenic plants showed no alteration in morphology, but their flowering time was significantly delayed compared to controls plants, indicating that TaVRN2, although having no ortholog in Brassicaceae, can act as a flowering repressor in these species. To identify the possible mechanism by which TaVRN2 gene delays flowering in Arabidopsis, the expression level of several genes involved in flowering time regulation was determined. The analysis indicates that the late flowering of the 35S::TaVRN2 plants was associated with a complex pattern of expression of the major flowering control genes, FCA, FLC, FT, FVE and SOC1. This suggests that heterologous expression of TaVRN2 in Arabidopsis can delay flowering by modulating several floral inductive pathways. Furthermore, transgenic plants showed higher freezing tolerance, likely due to the accumulation of CBF2, CBF3 and the COR genes. Overall, our data suggests that TaVRN2 gene could modulate a common regulator of the two interacting pathways that regulate flowering time and the induction of cold tolerance. The results also demonstrate that TaVRN2 could be used to manipulate flowering time and improve cold tolerance in other species

Maximizing value of genetic sequence data requires an enabling environment and urgency

Severe price spikes of the major grain commodities and rapid expansion of cultivated area in the past two decades are symptoms of a severely stressed global food supply. Scientific discovery and improved agricultural productivity are needed and are enabled by unencumbered access to, and use of, genetic sequence data. In the same way the world witnessed rapid development of vaccines for COVID-19, genetic sequence data afford enormous opportunities to improve crop production. In addition to an enabling regulatory environment that allowed for the sharing of genetic sequence data, robust funding fostered the rapid development of coronavirus diagnostics and COVID-19 vaccines. A similar level of commitment, collaboration, and cooperation is needed for agriculture

Pearl millet genomic vulnerability to climate change in West Africa highlights the need for regional collaboration

Climate change is already affecting agro-ecosystems and threatening food security by reducing crop productivity and increasing harvest uncertainty. Mobilizing crop diversity could be an efficient way to mitigate its impact. We test this hypothesis in pearl millet, a nutritious staple cereal cultivated in arid and low-fertility soils in sub-Saharan Africa. We analyze the genomic diversity of 173 landraces collected in West Africa together with an extensive climate dataset composed of metrics of agronomic importance. Mapping the pearl millet genomic vulnerability at the 2050 horizon based on the current genomic-climate relationships, we identify the northern edge of the current areas of cultivation of both early and late flowering varieties as being the most vulnerable to climate change. We predict that the most vulnerable areas will benefit from using landraces that already grow in equivalent climate conditions today. However, such seed-exchange scenarios will require long distance and trans-frontier assisted migrations. Leveraging genetic diversity as a climate mitigation strategy in West Africa will thus require regional collaboration

Adaptive Introgression: An Untapped Evolutionary Mechanism for Crop Adaptation

Global environmental changes strongly impact wild and domesticated species biology and their associated ecosystem services. For crops, global warming has led to significant changes in terms of phenology and/or yield. To respond to the agricultural challenges of this century, there is a strong need for harnessing the genetic variability of crops and adapting them to new conditions. Gene flow, from either the same species or a different species, may be an immediate primary source to widen genetic diversity and adaptions to various environments. When the incorporation of a foreign variant leads to an increase of the fitness of the recipient pool, it is referred to as “adaptive introgression”. Crop species are excellent case studies of this phenomenon since their genetic variability has been considerably reduced over space and time but most of them continue exchanging genetic material with their wild relatives. In this paper, we review studies of adaptive introgression, presenting methodological approaches and challenges to detecting it. We pay particular attention to the potential of this evolutionary mechanism for the adaptation of crops. Furthermore, we discuss the importance of farmers’ knowledge and practices in shaping wild-to-crop gene flow. Finally, we argue that screening the wild introgression already existing in the cultivated gene pool may be an effective strategy for uncovering wild diversity relevant for crop adaptation to current environmental changes and for informing new breeding directions

Initial lists of AMMA-2050 user-relevant climate metrics

AMMA-2050 (African Monsoon Multi-disciplinary Analysis 2050) will improve understanding of how the West African monsoon will be affected by climate change in the coming decades – and help West African societies prepare and adapt

New Genetic Insights into Pearl Millet Diversity As Revealed by Characterization of Early- and Late-Flowering Landraces from Senegal

Pearl millet (Pennisetum glaucum (L.) R. Br.) is a staple food and a drought-tolerant cereal well adapted to Sub-Saharan Africa agro-ecosystems. An important diversity of pearl millet landraces has been widely conserved by farmers and therefore could help copping with climate changes and contribute to future food security. Hence, characterizing its genetic diversity and population structure can contribute to better assist breeding programs for a sustainable agricultural productivity enhancement. Toward this goal, a comprehensive panel of 404 accessions were used that correspond to 12 improved varieties, 306 early flowering and 86 late-flowering cultivated landraces from Senegal. Twelve highly polymorphic SSR markers were used to study diversity and population structure. Two genes, PgMADS11 and PgPHYC, were genotyped to assess their association to flowering phenotypic difference in landraces. Results indicate a large diversity and untapped potential of Senegalese pearl millet germplasm as well as a genetic differentiation between early- and late-flowering landraces. Further, a fine-scale genetic difference of PgPHYC and PgMADS11 (SNP and indel, respectively) and co-variation of their alleles with flowering time were found among landraces. These findings highlight new genetic insights of pearl millet useful to define heterotic populations for breeding, genomic association panel, or crosses for trait-specific mapping