Characterization of Brachypodium distachyon as a grass model for reserach in freezing tolerance

Abstract

Long exposure to low non-freezing temperatures accelerates flowering and triggers cold acclimation in winter wheat and barley. Cold tolerance is a complex but important trait that influences yield considerably. Brachypodium distachyon is an annual temperate wild grass species and is a powerful model to study grass biology, but the capacity of this plant to tolerate freezing is unknown. An integrated approach involving double ridge formation, final leaf number, and osmoprotectant content was used to confirm the growth habit and freezing tolerance ability of seven diploid Brachypodium distachyon accessions. In addition, expression analyses of orthologs of the major vernalization regulator VRN1 and COR genes including an antifreeze protein and a temperature-induced lipocalin (TIL) were conducted. Our results demonstrate that formerly classified spring accessions behaved more like facultative accessions by showing increased osmoprotectants and COR transcripts accumulation upon cold exposure. The confirmed winter accessions acquired vernalization saturation after 49 days and accumulated COR transcripts to higher levels although no significant difference was observed between the osmoprotectant content of spring and winter accessions. Transgenic lines overexpressing a TIL were also generated to increase the freezing tolerance capacity of the spring accession Bd21. This study validates Brachypodium distachyon as a valuable model system to study freezing tolerance in temperate cereals.Les basses températures au-dessus de zéro accélèrent la floraison et déclenchent l'acclimatation au froid chez le blé et l'orge d'hiver. La tolérance au gel est un trait complexe et important qui influence les rendements considérablement. Brachypodium distachyon (Brachypodium) est une céréale annuelle de climat tempéré et un puissant modèle pour étudier la biologie des monocotylédones, mais les capacités de tolérance au gel de cette plante sont inconnues. Une approche intégrée impliquant la formation de la ride double, le nombre de feuilles final et la concentration d'osmoprotectants a été utilisée afin de confirmer l'habitude de croissance (de printemps ou d'hiver) et les capacités de tolérance au gel de sept cultivars diploïdes de Brachypodium. En parallèle, nous avons analysé l'expression des orthologues du principal régulateur de vernalisation VRN1 et des COR gènes incluant une protéine antigel et une lipocaline induite par la température (TIL). Nos résultats démontrent que les cultivars de printemps se comportent plutôt comme des cultivars facultatifs puisque leur contenu en osmoprotectants ainsi que les transcrits COR s'accumulent au froid. Les cultivars d'hiver ont atteint la vernalisation maximale après 49 jours au froid et ont accumulé plus de transcrits COR. Toutefois, aucune différence n'a été observée dans le contenu en osmoprotectants des cultivars de printemps et d'hiver. Afin d'augmenter la tolérance au gel du cultivar de printemps Bd21, des lignées transgéniques surexprimant une TIL ont été générées. Cette étude valide l'utilisation de Brachypodium comme modèle pour l'étude de la tolérance au gel chez les céréales de climat tempéré