Regulation of the Fruit-Specific PEP Carboxylase SlPPC2 Promoter at Early Stages of Tomato Fruit Development

The SlPPC2 phosphoenolpyruvate carboxylase (PEPC; EC 4.1.1.31) gene from tomato (Solanum lycopersicum) is differentially and specifically expressed in expanding tissues of developing tomato fruit. We recently showed that a 1966 bp DNA fragment located upstream of the ATG codon of the SlPPC2 gene (GenBank AJ313434) confers appropriate fruit-specificity in transgenic tomato. In this study, we further investigated the regulation of the SlPPC2 promoter gene by analysing the SlPPC2 cis-regulating region fused to either the firefly luciferase (LUC) or the β-glucuronidase (GUS) reporter gene, using stable genetic transformation and biolistic transient expression assays in the fruit. Biolistic analyses of 5′ SlPPC2 promoter deletions fused to LUC in fruits at the 8th day after anthesis revealed that positive regulatory regions are mostly located in the distal region of the promoter. In addition, a 5′ UTR leader intron present in the 1966 bp fragment contributes to the proper temporal regulation of LUC activity during fruit development. Interestingly, the SlPPC2 promoter responds to hormones (ethylene) and metabolites (sugars) regulating fruit growth and metabolism. When tested by transient expression assays, the chimeric promoter:LUC fusion constructs allowed gene expression in both fruit and leaf, suggesting that integration into the chromatin is required for fruit-specificity. These results clearly demonstrate that SlPPC2 gene is under tight transcriptional regulation in the developing fruit and that its promoter can be employed to drive transgene expression specifically during the cell expansion stage of tomato fruit. Taken together, the SlPPC2 promoter offers great potential as a candidate for driving transgene expression specifically in developing tomato fruit from various tomato cultivars

Identification et validation de nouveaux gènes candidats impliqués dans la régulation du développement du fruit de tomate

La tomate (Solanum lycopersicum) est l’espèce modèle pour l’étude du développement des fruits charnus. Il a notamment été montré que la signalisation hormonale était un élément central d’un réseau complexe de régulations gouvernant ce processus. Le but de ce travail de thèse était de réaliser la validation fonctionnelle de nouveaux gènes candidats potentiellement impliqués dans la régulation du développement du fruit. Pour cela, le travail s’est découpé autour de trois axes : 1) la validation de l’utilisation de quatre promoteurs de tomate et d’un promoteur d’Arabidopsis thaliana dans des constructions permettant la surexpression ou le silencing de gènes dans le fruit de tomate, à des phases particulières de son développement ou dans des tissus spécifiques du fruit, 2) l’analyse fonctionnelle de gènes codant pour des protéines à F-Box chez la tomate et 3) l’analyse fonctionnelle du gène SlGEM1.Le premier axe de ce travail a porté sur la caractérisation des promoteurs des gènes de tomate IMA (INHIBITOR OF MERISTEM ACTIVITY), TPRP (TOMATO PROLIN-RICH PROTEIN), PPC2 (PHOSPHOENOLPYRUVATE CARBOXYLASE 2) et PG (POLYGALACTURONASE), ainsi que du promoteur du gène CRC (CRABS-CLAW) d’Arabidopsis thaliana. Des plantes transgéniques ont été générées permettant d’exprimer, sous le contrôle de ces différents promoteurs, le gène rapporteur GUS seul ou fusionné à la GFP (Green fluorescent protein) et à un signal d’adressage au noyau (NLS). L’étude de ces plantes a permis de mettre en évidence la spécificité spatio-temporelle de l’expression de ces différents promoteurs lors du développement du fruit. Dans le cas du promoteur LePPC2, la fusion transcriptionnelle avec la GFP et un signal NLS a permis de montrer une activité spécifique dans les cellules du péricarpe des fruits de tomate en phase d’expansion cellulaire. Cette partie du travail de thèse a validé l’utilisation de ces différents promoteurs pour de futures analyses fonctionnelles de gènes régulateurs du développement du fruit chez la tomate.Le deuxième axe de ce travail a porté sur l’identification de protéines à F-Box impliquées dans la régulation du développement du fruit chez la tomate. En effet, il a été montré que ces protéines à F-Box jouent un rôle particulièrement important dans les processus de régulation chez les plantes grâce à leur fonction de reconnaissance de protéines régulatrices cibles par les complexes SCF (SKP1-Cullin-F-Box), qui sont alors marquées par ubiquitinylation, pour leur dégradation par le protéasome 26S. Parmi les 95 séquences de protéines à F-Box disponibles dans les bases de données d’EST au début de ce travail, quatre gènes candidats ont été retenus pour leur expression tissu-spécifique lors du développement précoce du fruit. Des plantes transgéniques (RNAi et sur-expression) ont été générées pour chacun de ces gènes candidats et leur analyse préliminaire a permis de proposer un rôle dans le développement chez la tomate pour une d’entre elles.Le troisième axe de ce travail a porté sur la caractérisation fonctionnelle du gène SlGEM1, l’orthologue du gène AtGEM (GLABRA2-EXPRESSION MODULATOR), dont le niveau d’expression semblait corrélé à la taille des cellules dans le fruit de tomate. En effet, les données disponibles sur AtGEM montrant son implication dans la coordination de la prolifération et la différenciation des cellules en faisaient un candidat intéressant au contrôle de la taille et du développement du fruit. Des plantes transgéniques (RNAi et sur-expression) SlGEM1 ont été générées, et des mutants de ce gène ont été identifiés par TILLING dans la banque de mutants EMS de la variété Microtom de tomate disponible au laboratoire. Le phénotypage de ces plantes a permis de mettre en évidence une potentielle implication de SlGEM1 dans le développement des fleurs et dans la fertilité des grains de pollen.Tomato (Solanum lycopersicum) is a model species for studying fleshy fruit development. It has been shown that hormone signaling plays a crucial role in the complex regulatory network governing this developmental process. The aim of this thesis was to perform the functional validation of new candidate genes potentially involved in the regulation of fruit development. For this, the work was divided into three parts: 1) validate the use of four tomato promoters and one promoter of Arabidopsis thaliana in recombinant vectors for the overexpression or silencing of genes in tomato fruit at particular phases of development or in specific fruit tissues, 2) functional analysis of genes encoding F-Box proteins in tomato and 3) functional analysis of SlGEM1 gene.The first part of this work has focused on the characterization of tomato promoters from IMA (INHIBITOR ACTIVITY OF MERISTEM), TPRP (TOMATO Proline-Rich Protein), PPC2 (PHOSPHOENOLPYRUVATE CARBOXYLASE 2) and PG (polygalacturonase), as well as the promoter of Arabidopsis thaliana CRC gene (CRABS-CLAW). Transgenic plants were generated to express the GUS reporter gene alone or fused to GFP and a NLS signal for nucleus targeting, under the control of the different promoters. The study of these transgenic plants highlighted the specific spatio-temporal expression of these promoters during fruit development. In the case of LePPC2 promoter, the transcriptional fusion with NLS-GFP revealed a specific activity in the large cells of tomato fruit pericarp. This part of the thesis work validated the use of the five different promoters for future functional analysis of genes regulating fruit development in tomato.The second part of this work focused on the identification of F-Box proteins involved in the regulation of tomato fruit development. In plants, it has been shown that F-Box proteins play an important role in regulating processes, due to their specific interaction with regulatory proteins targeted by the SCF complex (SKP1-Cullin-F-Box), leading to their ubiquitination and degradation by the 26S proteasome. Among the 95 sequences of F-Box proteins available in tomato databases at the beginning of this work, four candidate genes were selected for their tissue-specific expression during tomato fruit early development. Transgenic plants (RNAi and over-expression) were generated for each of these candidate genes and their preliminary analysis allowed to propose a role in tomato vegetative development for one of them.The third part of this work focused on the functional characterization of SlGEM1, orthologous to AtGEM (GLABRA2-EXPRESSION MODULATOR). Indeed, a previous work revealed that the expression level of SlGEM1 was correlated with tomato fruit cell size. Available data on AtGEM showing its involvement in the coordination of cell proliferation and differentiation made it an attractive candidate to the control of fruit size and development. Transgenic plants (SlGEM1 RNAi and over-expression) were generated, and mutants of this gene were identified by TILLING in the Microtom mutant collection available in the laboratory. Phenotyping of these plants suggested the involvement of SlGEM1 in flower development and in the fertility of pollen grains

Identification et validation de nouveaux gènes candidats impliqués dans la régulation du développement du fruit de tomate

La tomate (Solanum lycopersicum) est l’espèce modèle pour l’étude du développement des fruits charnus. Il a notamment été montré que la signalisation hormonale était un élément central d’un réseau complexe de régulations gouvernant ce processus. Le but de ce travail de thèse était de réaliser la validation fonctionnelle de nouveaux gènes candidats potentiellement impliqués dans la régulation du développement du fruit. Pour cela, le travail s’est découpé autour de trois axes : 1) la validation de l’utilisation de quatre promoteurs de tomate et d’un promoteur d’Arabidopsis thaliana dans des constructions permettant la surexpression ou le silencing de gènes dans le fruit de tomate, à des phases particulières de son développement ou dans des tissus spécifiques du fruit, 2) l’analyse fonctionnelle de gènes codant pour des protéines à F-Box chez la tomate et 3) l’analyse fonctionnelle du gène SlGEM1.Le premier axe de ce travail a porté sur la caractérisation des promoteurs des gènes de tomate IMA (INHIBITOR OF MERISTEM ACTIVITY), TPRP (TOMATO PROLIN-RICH PROTEIN), PPC2 (PHOSPHOENOLPYRUVATE CARBOXYLASE 2) et PG (POLYGALACTURONASE), ainsi que du promoteur du gène CRC (CRABS-CLAW) d’Arabidopsis thaliana. Des plantes transgéniques ont été générées permettant d’exprimer, sous le contrôle de ces différents promoteurs, le gène rapporteur GUS seul ou fusionné à la GFP (Green fluorescent protein) et à un signal d’adressage au noyau (NLS). L’étude de ces plantes a permis de mettre en évidence la spécificité spatio-temporelle de l’expression de ces différents promoteurs lors du développement du fruit. Dans le cas du promoteur LePPC2, la fusion transcriptionnelle avec la GFP et un signal NLS a permis de montrer une activité spécifique dans les cellules du péricarpe des fruits de tomate en phase d’expansion cellulaire. Cette partie du travail de thèse a validé l’utilisation de ces différents promoteurs pour de futures analyses fonctionnelles de gènes régulateurs du développement du fruit chez la tomate.Le deuxième axe de ce travail a porté sur l’identification de protéines à F-Box impliquées dans la régulation du développement du fruit chez la tomate. En effet, il a été montré que ces protéines à F-Box jouent un rôle particulièrement important dans les processus de régulation chez les plantes grâce à leur fonction de reconnaissance de protéines régulatrices cibles par les complexes SCF (SKP1-Cullin-F-Box), qui sont alors marquées par ubiquitinylation, pour leur dégradation par le protéasome 26S. Parmi les 95 séquences de protéines à F-Box disponibles dans les bases de données d’EST au début de ce travail, quatre gènes candidats ont été retenus pour leur expression tissu-spécifique lors du développement précoce du fruit. Des plantes transgéniques (RNAi et sur-expression) ont été générées pour chacun de ces gènes candidats et leur analyse préliminaire a permis de proposer un rôle dans le développement chez la tomate pour une d’entre elles.Le troisième axe de ce travail a porté sur la caractérisation fonctionnelle du gène SlGEM1, l’orthologue du gène AtGEM (GLABRA2-EXPRESSION MODULATOR), dont le niveau d’expression semblait corrélé à la taille des cellules dans le fruit de tomate. En effet, les données disponibles sur AtGEM montrant son implication dans la coordination de la prolifération et la différenciation des cellules en faisaient un candidat intéressant au contrôle de la taille et du développement du fruit. Des plantes transgéniques (RNAi et sur-expression) SlGEM1 ont été générées, et des mutants de ce gène ont été identifiés par TILLING dans la banque de mutants EMS de la variété Microtom de tomate disponible au laboratoire. Le phénotypage de ces plantes a permis de mettre en évidence une potentielle implication de SlGEM1 dans le développement des fleurs et dans la fertilité des grains de pollen.Tomato (Solanum lycopersicum) is a model species for studying fleshy fruit development. It has been shown that hormone signaling plays a crucial role in the complex regulatory network governing this developmental process. The aim of this thesis was to perform the functional validation of new candidate genes potentially involved in the regulation of fruit development. For this, the work was divided into three parts: 1) validate the use of four tomato promoters and one promoter of Arabidopsis thaliana in recombinant vectors for the overexpression or silencing of genes in tomato fruit at particular phases of development or in specific fruit tissues, 2) functional analysis of genes encoding F-Box proteins in tomato and 3) functional analysis of SlGEM1 gene.The first part of this work has focused on the characterization of tomato promoters from IMA (INHIBITOR ACTIVITY OF MERISTEM), TPRP (TOMATO Proline-Rich Protein), PPC2 (PHOSPHOENOLPYRUVATE CARBOXYLASE 2) and PG (polygalacturonase), as well as the promoter of Arabidopsis thaliana CRC gene (CRABS-CLAW). Transgenic plants were generated to express the GUS reporter gene alone or fused to GFP and a NLS signal for nucleus targeting, under the control of the different promoters. The study of these transgenic plants highlighted the specific spatio-temporal expression of these promoters during fruit development. In the case of LePPC2 promoter, the transcriptional fusion with NLS-GFP revealed a specific activity in the large cells of tomato fruit pericarp. This part of the thesis work validated the use of the five different promoters for future functional analysis of genes regulating fruit development in tomato.The second part of this work focused on the identification of F-Box proteins involved in the regulation of tomato fruit development. In plants, it has been shown that F-Box proteins play an important role in regulating processes, due to their specific interaction with regulatory proteins targeted by the SCF complex (SKP1-Cullin-F-Box), leading to their ubiquitination and degradation by the 26S proteasome. Among the 95 sequences of F-Box proteins available in tomato databases at the beginning of this work, four candidate genes were selected for their tissue-specific expression during tomato fruit early development. Transgenic plants (RNAi and over-expression) were generated for each of these candidate genes and their preliminary analysis allowed to propose a role in tomato vegetative development for one of them.The third part of this work focused on the functional characterization of SlGEM1, orthologous to AtGEM (GLABRA2-EXPRESSION MODULATOR). Indeed, a previous work revealed that the expression level of SlGEM1 was correlated with tomato fruit cell size. Available data on AtGEM showing its involvement in the coordination of cell proliferation and differentiation made it an attractive candidate to the control of fruit size and development. Transgenic plants (SlGEM1 RNAi and over-expression) were generated, and mutants of this gene were identified by TILLING in the Microtom mutant collection available in the laboratory. Phenotyping of these plants suggested the involvement of SlGEM1 in flower development and in the fertility of pollen grains

Molecular phylogeny and reticulate origins of the polyploid Bromus species from section Genea (Poaceae).

International audienceThe origin of polyploid Bromus species of section Genea was investigated using molecular data. This group of annual species native from the Old-World is composed of three diploids, two tetraploids, one hexaploid, and one octoploid. Molecular cloning, sequencing, and phylogenetic analyses were performed on several accessions per species. We used the low copy nuclear gene Waxy , repeated rDNA spacers ITS1 and ITS2 and chloroplast spacers trnT-trnL and trnL-trnF . Our analyses revealed four different lineages involved in the parentage of the polyploids and confi rmed their reticulate origin. Three of these lineages are closely related to the diploid species B. sterilis , B. tectorum , and B. fasciculatus. The fourth lineage could not be related to any diploid according to the available data. Our data gave insights on the origin of all the polyploids of section Genea , and chloroplast data allowed us to identify the maternal lineages. The Waxy gene was the most informative regarding origin of the polyploids. The Waxy copies duplicated by polyploidy appear selectively maintained in the polyploid species. No sequence heterogeneity was encountered in the ITS region, where concerted evolution seems to have occurred toward either maternal or paternal repeats. These results provide new information about the origin and molecular evolution of these polyploids and will allow a more accurate taxonomic treatment of the concerned species, based on their evolutionary history

Molecular phylogeny and reticulate origins of the polyploid Bromus species from section Genea (Poaceae).

International audienceThe origin of polyploid Bromus species of section Genea was investigated using molecular data. This group of annual species native from the Old-World is composed of three diploids, two tetraploids, one hexaploid, and one octoploid. Molecular cloning, sequencing, and phylogenetic analyses were performed on several accessions per species. We used the low copy nuclear gene Waxy , repeated rDNA spacers ITS1 and ITS2 and chloroplast spacers trnT-trnL and trnL-trnF . Our analyses revealed four different lineages involved in the parentage of the polyploids and confi rmed their reticulate origin. Three of these lineages are closely related to the diploid species B. sterilis , B. tectorum , and B. fasciculatus. The fourth lineage could not be related to any diploid according to the available data. Our data gave insights on the origin of all the polyploids of section Genea , and chloroplast data allowed us to identify the maternal lineages. The Waxy gene was the most informative regarding origin of the polyploids. The Waxy copies duplicated by polyploidy appear selectively maintained in the polyploid species. No sequence heterogeneity was encountered in the ITS region, where concerted evolution seems to have occurred toward either maternal or paternal repeats. These results provide new information about the origin and molecular evolution of these polyploids and will allow a more accurate taxonomic treatment of the concerned species, based on their evolutionary history

Generation and first characterization of a tomato gel-less mutant

National audienc

Expression analysis of tomato fruit-specific promoters

International audienc