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certaines plantes à fleurs mâles peuvent être converties en fleurs et fructifications femelles telles que les papayes en insérant simplement un clou en fer dans leur tige près de ses racines ? Comment l'ongle de fer peut-il le modifier génétiquement du mâle à la femelle? Biochimiquement, qu'est-ce qui cause le changement de sexe des plantes de mâle à femelle ?
Variations structurelles des génomes de la papaye
Les variations structurelles (VS) sont un type de mutations qui n'ont pas été largement détectées dans les génomes végétaux et des études chez l'animal ont montré leur rôle dans le processus de domestication. Une étude approfondie des VS nous aidera à mieux comprendre l'impact des VS sur le phénotype et l'adaptabilité environnementale lors de la domestication de la papaye et fournira des ressources génomiques pour le développement de marqueurs moléculaires.
Résultats
Nous avons détecté un total de 8083 SV, dont 5260 délétions, 552 duplications en tandem et 2271 insertions, la délétion étant prédominante, indiquant l'universalité de la délétion dans l'évolution du génome de la papaye. La distribution de ces SV n'est pas aléatoire dans chaque chromosome. Un total de 1794 gènes chevauche le SV, dont 1350 gènes sont exprimés dans au moins un tissu. L'analyse de réseau de corrélation pondérée (WGCNA) de ces gènes exprimés révèle une relation de co-expression entre les gènes SV et différents tissus, et l'analyse d'enrichissement fonctionnel montre leur rôle dans la croissance biologique et les réponses environnementales. Nous avons également identifié certains gènes SV domestiqués liés à l'adaptabilité environnementale, à la reproduction sexuée et à des traits agronomiques importants lors de la domestication de la papaye. L'analyse de gènes variants du nombre de copies sélectionnés artificiellement (gènes CNV) a également révélé des gènes associés à la croissance des plantes et au stress environnemental.
Conclusion
Les SV ont joué un rôle indispensable dans le processus de domestication de la papaye, en particulier dans les traits de reproduction des plantes hermaphrodites. La détection des gènes SV et CNV à l'échelle du génome entre les populations gynodioïques cultivées et les populations dioïques sauvages fournit une référence pour mieux comprendre le processus d'évolution du mâle à l'hermaphrodite chez la papaye.
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II. Chromosomes sexuels et estimation de leur âge à partir de la divergence des séquences
Je définis les chromosomes sexuels des plantes comme des régions du génome de ces espèces qui portent le locus « SEXE » qui contrôle les sexes des individus, et qui ne se recombinent pas. Plutôt que d'utiliser le terme de chromosomes sexuels, j'utiliserai souvent des «régions entièrement liées au sexe» (et une liaison sexuelle complète), en raison de la diversité des plantes à dioïque génétiquement contrôlée - certaines ont de vastes régions sans appariement qui montrent un hétéromorphisme entre les sexes , comme de nombreux chromosomes sexuels d'animaux, mais beaucoup n'ont pas de différences cytologiques détectables (récemment revu par Renner, 2014 ). Silène latifolia est un exemple d'hétéromorphisme des chromosomes sexuels. Il a un système XY, et les mâles sont du sexe hétérozygote, comme chez les mammifères (Bellott et al., 2014 Cortez et al., 2014 ). Le Y est en grande partie non recombinant, avec un appariement XY uniquement dans une petite région pseudo-autosomique (PAR) à une extrémité (Westergaard, 1958 Filatov et al., 2008 ) la cartographie des marqueurs géniques suggère un seul PAR (Bergero et al., 2013 ), bien qu'une carte de polymorphisme de longueur de fragment amplifié (AFLP) en suggère deux (Scotti & Delph, 2006 ). Cependant, contrairement à de nombreux chromosomes Y animaux, la région entièrement liée au sexe porte encore des centaines de gènes (Bergero & Charlesworth, 2011 Chibalina & Filatov, 2011 Muyle et al., 2012 ). En revanche, la région entièrement liée à l'Y de la papaye n'est que c. 10 % du chromosome 1 (Liu et al., 2004 Wang et al., 2012 ). Certaines plantes diploïdes ont des systèmes ZW, dans lesquels les femelles sont des hétérozygotes ZW et les mâles sont des homozygotes ZZ (Westergaard, 1958 ), comme chez les oiseaux (Zhou et al., 2014 ) et des lépidoptères (Suetsugu et al., 2013 ) il s'agit notamment Fragaria (fraise) espèces (Spigler et al., 2008 Goldberg et al., 2010 ) et Salix (Alstrom-Rapaport et al., 1998 ). D'autres systèmes, y compris ceux des plantes haploïdes, seront décrits ci-dessous.
L'heure à laquelle la recombinaison s'est arrêtée peut être estimée en utilisant la divergence des séquences d'ADN entre les gènes présents sur le chromosome Y ainsi que sur le chromosome X, ainsi qu'une « horloge moléculaire » pour la divergence des sites synonymes ou silencieux par an. Des valeurs de divergence X–Y plus élevées correspondent à des temps plus longs depuis la suppression de la recombinaison. Chez l'homme (Lahn & Page, 1999 ) et la plante S. latifolia (Bergero et al., 2007 ), la divergence augmente avec la distance du PAR (dans les cartes génétiques ou physiques du chromosome X, car ces chromosomes Y sont largement réarrangés, les distances sur le chromosome Y ne sont pas informatives Skaletsky et al., 2003 Bergero et al., 2008 ). Par conséquent, la recombinaison supprimée doit s'être propagée à partir d'une région précoce de non-recombinaison, la plus ancienne «strate évolutive» (Lahn & Page, 1999), vers des «strates» plus jeunes plus proches de la PAR actuelle. Divergence X-Y dans l'ancien S. latifolia strate est similaire à celle de la plus jeune des cinq strates humaines (Skaletsky et al., 2003 ), et le Silène La paire XY a probablement évolué c. Il y a 5 à 10 millions d'années (MYA Nicolas et al., 2005 ).
Un système de chromosomes sexuels peut être plus ancien que sa strate la plus ancienne, car la suppression de la recombinaison dans une région déterminant le sexe prend généralement du temps à évoluer (Section VIII). Cependant, la suppression de la recombinaison peut être antérieure à l'évolution des sexes séparés. Dans plusieurs plantes bien étudiées, les résultats de la combinaison de la cartographie génétique et physique révèlent de grandes régions du génome avec des croisements peu fréquents sur les centromères environnants, avec des croisements limités aux extrémités des chromosomes, par exemple, dans le maïs (Rodgers-Melnicka et al., 2015 ). Ces régions peuvent inclure des proportions substantielles de gènes dans l'orge, par exemple, c. On estime que 20 % des gènes sont situés dans de telles régions (Baker et al., 2014 ). Si des loci déterminant le sexe évoluent dans une telle région, la strate la plus ancienne sera contemporaine du système de détermination du sexe (Fig. 1).
Dans ce qui suit, j'insiste sur l'importance d'estimer l'âge des régions non recombinées afin de comprendre plusieurs aspects importants de l'évolution des chromosomes sexuels. Les systèmes de chromosomes sexuels jeunes sont bien adaptés à l'étude des premiers stades de l'évolution de la suppression de la recombinaison et de l'évolution de ces caractéristiques dans les systèmes animaux plus âgés, ces processus ne peuvent être étudiés que sur une échelle de temps grossière qui ne peut pas révéler beaucoup de détails. Les jeunes strates évolutives des chromosomes sexuels des plantes présentent également un intérêt pour l'étude de l'évolution dans le temps de la dégénérescence génétique, y compris les pertes de gènes des chromosomes Y.
Méthodes
V. monoica Criblage de la bibliothèque BAC et isolement de l'ADN.
Les V. monoica La bibliothèque de BAC a été criblée selon le protocole du kit de démarrage DIG High Primer DNA Labeling and Detection II (Roche), en utilisant des sondes conçues à partir de BAC de papaye X situés dans toute la région liée à l'X et une sonde conçue à partir d'un BAC autosomique de papaye. Douze BAC positifs ont été confirmés par PCR, 11 correspondant à la région liée à l'X et 1 correspondant à la région autosomique de la papaye (Annexe SI, fig. S4). Un isolement d'ADN miniprep BAC a été effectué pour vérifier la taille de l'insert de chaque BAC par électrophorèse sur gel à champ électrique homogène clampé. Les cellules porteuses de BAC ont été cultivées à 37°C pendant une nuit en utilisant du stock de glycérol d'une seule colonie et isolées en utilisant le kit de purification d'ADN BACMAX d'Epicentre Biotechnologies (cat# BMAX044).
Isolement d'ARN.
L'ARN pour la RT-PCR (voir ci-dessous) a été isolé à partir de V. monoica feuilles et fleurs par la méthode phénol/chloroforme. Après avoir testé la qualité de l'ARN à l'aide d'une électrophorèse sur gel, l'ARN a été traité avec de la DNase et transcrit de manière inverse en ADNc à l'aide du système de transcription inverse ImProm-II de Promega (Cat # A3800).
Séquençage BAC.
Onze V. monoica BAC (∼1.10 Mb) correspondant à la région liée à l'X du chromosome X de la papaye (∼2.56 Mb) et un V. monoica Des BAC (∼100 kb) correspondant à une région autosomique de papaye (∼72,8 kb) ont été séquencés, en utilisant la technologie de séquençage Sanger et 454, et assemblés, en utilisant l'assembleur GS de Roche, ne laissant que quelques lacunes dans les séquences. Les séquences BAC sont disponibles auprès du National Center for Biotechnology Information (NCBI) (Annexe SI, tableau S11).
C. papaye et V. monoica Alignements.
Le 11 V. monoica Les BAC, ainsi que les 16 BAC correspondants et les deux contigs de la région liée à l'X de la papaye, ont été combinés pour faire V. monoica et des pseudomolécules de papaye et une analyse de synténie et une comparaison de points ont été effectuées à l'aide de Symap avec les paramètres par défaut (30). L'expansion chromosomique et les analyses de colinéarité ont été effectuées à l'aide de l'outil d'alignement du génome Mauve avec les paramètres par défaut (31). Comparaisons de séquences entre la pseudomolécule liée à l'X de papaye et la V. monoica pseudomolécule, ainsi que la papaye et V. monoica BAC autosomiques, ont été réalisées à l'aide de l'outil de comparaison Artemis développé par l'Institut Sanger avec une longueur d'alignement de 500 pb.
C. papaye et V. monoica Répétez l'analyse.
Pour annoter une séquence répétitive, une combinaison de logiciels d'annotation de répétition TEdenovo du pipeline REPET (32), RepeatScout (33) et Recon1.05 (34) a été utilisée pour identifier de nouveaux V. monoica-éléments répétitifs spécifiques. Onze BAC de V. monoica correspondant à la région liée à l'X de la papaye, ainsi qu'un BAC autosomique et des assemblages de fusil de chasse à génome entier de V. monoica ADN génomique, ont été utilisés pour créer un ensemble de données de répétition personnalisé. Les redondances dans l'ensemble de données ont été éliminées à l'aide du logiciel CD-HIT (35). V. monoica des répétitions spécifiques ont été combinées avec Repbase (36), des répétitions de plantes TIGR (http://plantrepeats.plantbiology.msu.edu/index.html) et des répétitions spécifiques à la papaye (37) pour générer une bibliothèque personnalisée. Cette bibliothèque non redondante a été utilisée avec RepeatMasker pour masquer les répétitions dans les 12 V. monoica BACS. Une valeur seuil stricte de 350 a été utilisée pour garantir que seuls les éléments véritablement répétitifs étaient masqués. Les éléments répétitifs pour le génome entier de la papaye et la région X ont été tirés de Ming et al. et Wang et al., respectivement (16, 17). Étant donné la petite taille de l'échantillon de V. monoica BAC et faible nombre de copies de certaines répétitions, les pourcentages de répétition signalés sont susceptibles de sous-estimer les vraies valeurs.
V. monoica Prédiction des gènes.
Les gènes ont été prédits dans le V. monoica BAC utilisant Genscan (http://genes.mit.edu/GENSCAN.html) et FGENESH (http://linux1.softberry.com/berry.phtml), ainsi que l'homologie avec les balises de séquence exprimées par la papaye (EST) et modèles de gènes. Les BAC autosomiques et X de papaye étaient auparavant annotés par les réfs. 17 et 38. V. monoica les gènes ont été confirmés par RT-PCR, avec des amorces conçues à l'aide de primer3 (http://frodo.wi.mit.edu/primer3/) pour couvrir au moins un intron, si possible. V. monoica les ADNc des feuilles et des fleurs ont été synthétisés en utilisant le système de transcription inverse Promega ImProm-II (Cat. # A3800). Les produits de PCR ont été séquencés à l'aide du séquençage Sanger et édités manuellement dans Sequencher 4.1.10 (Gene Codes Corporation, 2011). Les gènes confirmés ont été transférés dans la base de données de protéines non redondantes NCBI pour prédire les structures et fonctions des gènes par homologie. Chaque transcrit individuel a été traduit, et ceux avec des codons d'arrêt prématurés ont été classés comme pseudogènes.
Kune/Ks et l'analyse du temps de divergence.
V. monoica et les paires de gènes de papaye ont été annotées manuellement pour les régions d'exon et d'intron à l'aide de séquences EST, de RT-PCR et d'homologie avec les gènes de la base de données NCBI. Les séquences ont été alignées à l'aide de SeaView v4 (39) et exportées dans DnaSP v5 (40) pour estimer les substitutions synonymes par site synonyme (Ks), substitutions non synonymes par site non synonyme (Kune), et des substitutions synonymes et non codantes plus synonymes ont été utilisées pour estimer les substitutions par site silencieux (Ksil) en utilisant la méthode de Nei et Gojobori (41). Les temps de divergence ont été calculés en utilisant le Ksil valeurs, calibrées avec le taux de substitution synonyme de 4 × 10 −9 substitutions par site synonyme par an déterminé pour Arabidopsis, membre des Brassicacées, la famille la plus proche des Caricacées (42). CpXY h 20, CpXY h 29, et CpXY h 37 ont été retirés de l'analyse du temps de divergence en raison de données de séquence manquantes (séquences BAC incomplètes).
V. monoica Séquençage de l'enquête sur le génome.
Les V. monoica l'ensemble du génome a été séquencé à l'aide d'une voie de séquençage Illumina et les séquences sont disponibles sur (http://www.life.illinois.edu/ming/LabWebPage/Downloads.html).
↵ 1 J.W., J.-K.N., Q.Y. et A.R.G. contribué à parts égales à ce travail.
↵ 2 Adresse actuelle : Department of Agronomy, University of Florida, Gainesville, FL 32610.
↵ 3 Adresse actuelle : Department of Molecular Breeding, National Academy of Agricultural Science, Rural Development Administration, Suwon 441-701, République de Corée.
↵ 4 Adresse actuelle : Departamento de Genética, Facultad de Ciencias, Universidad de Granada Campus de Fuentenueva Sin Numero, 18071 Grenade, Espagne.
↵ 5 Adresse actuelle : Département de génétique et de biochimie, Clemson University, Clemson, SC 29634.
↵ 6 Adresse actuelle : Department of Agronomy, Shandong Agricultural University, Tai'an, Shandong 271018, Chine.
Contributions des auteurs : Q.Y., M.A., P.H.M., J.J., A.H.P. et R.M. recherche conçue JW, J.-KN, QY, ARG, JH, FZ, RA, RV, JEM, WZ, RN-P., FAF, CL, EJT, CC, CMW, RS, M.-LW, XJM, JJ , et RM effectué des recherches JW, J.-KN, QY, ARG, JH, FZ, RA, RV, JEM, WZ, RN-P., FAF, CL, EJT, CC, CMW, RS, M.-LW, XJM, MA , DC, PHM, JJ, AHP et RM analysé les données et J.W., A.R.G., D.C. et R.M. a écrit le papier.
Les auteurs ne déclarent aucun conflit d'intérêt.
Cet article est une soumission directe PNAS. R.G.K. est un éditeur invité invité par le comité de rédaction.
Dépôt dans la base de données : Les séquences rapportées dans cet article ont été déposées dans la base de données GenBank. Voir Annexe SI, tableau S14 pour les numéros d'accession.
LES FOUGERES HOMOSPOREES
Des analyses phylogénétiques récentes de plantes vasculaires sans graines regroupent les fougères leptosporangiées et eusporangiées et les membres de Equisetum et psilotum en un clade monophylétique qui est frère des plantes à graines ( Pryer et al., 2001). À quelques exceptions près, ce sont des plantes homospores. La seule plante pour laquelle une voie de détermination du sexe a été génétiquement bien définie est la fougère leptosporangiée Ceratopteris richardii. Comme Marchantia, Ceratopteris est homosporé et ne produit qu'un seul type de spore haploïde. Bien que le sexe du gamétophyte de Marchantia soit déterminé génétiquement par les chromosomes sexuels, le sexe du gamétophyte de Ceratopteris (mâle ou hermaphrodite) est déterminé épigénétiquement par l'anthéridiogène de la phéromone. Depuis leur découverte par Dopp (1950) dans la fougère Pteridium aquilinum, des anthéridogènes ont été identifiés et caractérisés chez de nombreuses espèces de fougères leptosporangiées (revue par Naf, 1979 Yamane, 1998), suggérant qu'il s'agit d'un mode courant de régulation des phénotypes sexuels dans ce groupe de plantes. Bien que la structure du Ceratopteris antheridiogen soit inconnue, tous les autres antheridiogens de fougère caractérisés à ce jour sont pour la plupart de nouvelles gibbérellines ( Yamane, 1998).
Les mutants déterminants du sexe de Ceratopteris richardii.
Les elle1 (hermaphrodite) le mutant et l'hermaphrodite de type sauvage sont indiscernables, de même que le tra1 (transformateur) mutant et les mâles de type sauvage, sauf que le elle1 et tra1 les mutants sont insensibles à l'absence ou à la présence de ACE. Le ACE-insensible fem1 (féminisation) le gamétophyte ne produit pas d'anthéridies. Les homme1 (beaucoup d'anthéridies) le mutant produit ∼10 fois plus d'anthéridies que les hermaphrodites, alors que le pas1 (sans encoche) le mutant produit rarement des anthéridies. L'encoche du méristème normalement présente sur l'hermaphrodite est souvent absente du pas1 mutant, ce qui lui donne un aspect en forme de coupe. Les nouveaux phénotypes de la fem1 tra1 et fem1 pas1 tra1 les mutants sont montrés. an, antheridia ar, archegonia mn, méristème encoche.
Les mutants déterminants du sexe de Ceratopteris richardii.
Les elle1 (hermaphrodite) le mutant et l'hermaphrodite de type sauvage sont indiscernables, de même que le tra1 (transformateur) mutant et les mâles de type sauvage, sauf que le elle1 et tra1 les mutants sont insensibles à l'absence ou à la présence de ACE. Le ACE-insensible fem1 (féminisation) le gamétophyte ne produit pas d'anthéridies. Les homme1 (beaucoup d'anthéridies) le mutant produit ∼10 fois plus d'anthéridies que les hermaphrodites, alors que le pas1 (sans encoche) le mutant produit rarement des anthéridies. L'encoche du méristème normalement présente sur l'hermaphrodite est souvent absente du pas1 mutant, ce qui lui donne un aspect en forme de coupe. Les nouveaux phénotypes de la fem1 tra1 et fem1 pas1 tra1 les mutants sont montrés. an, antheridia ar, archegonia mn, méristème encoche.
Les voies génétiques déterminant le sexe chez la fougère Ceratopteris, la mouche Drosophila melanogaster, et le nématode Caenorhabditis elegans.
Le modèle génétique de détermination du sexe chez Ceratopteris ( Strain et al., 2001) dépend de deux gènes, FEM1 et TRA (il y a au moins deux TRA gènes), qui favorisent la différenciation des traits mâles (anthéridies) et femelles (méristème et archégone), respectivement. FEM1 et TRA s'opposent également de telle sorte que si FEM1 c'est actif, TRA n'est pas, et vice versa. Ce qui détermine lequel de ces deux gènes prévaut chez le gamétophyte et donc son sexe est la phéromone ACE, qui active le SA gènes, au nombre de cinq au moins, et déclenche une série de commutateurs qui aboutissent finalement au développement masculin (c'est-à-dire, FEM1 sur et TRA désactivé). Ces commutateurs sont lancés dans la direction opposée lorsque les spores germent en l'absence d'ACE. Même si FEM1 réprime TRA et TRA réprime FEM1, ils ne le font pas directement. TRA active HOMME1, qui réprime FEM1, et FEM1 active PAS1, qui réprime TRA. Parce que TRA et FEM1 sont les principaux régulateurs du sexe, PAS1 et HOMME1 sont considérés comme des régulateurs des régulateurs. La voie de la détermination du sexe dans C. elegans ( Hodgkin, 1987 Villeneuve et Meyer, 1990) est linéaire et se compose d'une série d'interrupteurs à commande négative. L'état du gène commutateur initial (xol-1) dépend du rapport des chromosomes X aux chromosomes autosomiques (A). Si le gène ultime en aval de cette voie (TRA-1) est élevé, le nématode se développe comme un hermaphrodite. Si TRA-1 est faible, il se développe comme un mâle. La voie linéaire de détermination du sexe montrée pour Drosophile date du milieu des années 80 ( Baker et Ridge, 1980 Cline, 1983). Il existe en fait d'autres voies déterminant le sexe qui expliquent la plupart des aspects du phénotype sexuel (examiné par Oliver, 2002) la voie montrée est la voie somatique. Dans le soma, Sxl est le principal régulateur du sexe, et son état d'activité est déterminé par le rapport X:A. Les dsx Le gène est le gène régulateur en aval qui détermine en fin de compte si les gènes mâles ou femelles sont exprimés dans le soma.
Les voies génétiques déterminant le sexe chez la fougère Ceratopteris, la mouche Drosophila melanogaster, et le nématode Caenorhabditis elegans.
Le modèle génétique de détermination du sexe chez Ceratopteris ( Strain et al., 2001) dépend de deux gènes, FEM1 et TRA (il y a au moins deux TRA gènes), qui favorisent la différenciation des traits mâles (anthéridies) et femelles (méristème et archégone), respectivement. FEM1 et TRA s'opposent également de telle sorte que si FEM1 c'est actif, TRA n'est pas, et vice versa. Ce qui détermine lequel de ces deux gènes prévaut chez le gamétophyte et donc son sexe est la phéromone ACE, qui active le SA gènes, au nombre de cinq au moins, et déclenche une série de commutateurs qui aboutissent finalement au développement masculin (c'est-à-dire, FEM1 sur et TRA désactivé). Ces commutateurs sont lancés dans la direction opposée lorsque les spores germent en l'absence d'ACE. Même si FEM1 réprime TRA et TRA réprime FEM1, ils ne le font pas directement. TRA active HOMME1, qui réprime FEM1, et FEM1 active PAS1, qui réprime TRA. Parce que TRA et FEM1 sont les principaux régulateurs du sexe, PAS1 et HOMME1 sont considérés comme des régulateurs des régulateurs. La voie de la détermination du sexe dans C. elegans ( Hodgkin, 1987 Villeneuve et Meyer, 1990) est linéaire et se compose d'une série de commutateurs de contrôle négatifs. L'état du gène commutateur initial (xol-1) dépend du rapport des chromosomes X aux chromosomes autosomiques (A). Si le gène ultime en aval de cette voie (TRA-1) est élevé, le nématode se développe comme un hermaphrodite. Si TRA-1 est faible, il se développe comme un mâle. La voie linéaire de détermination du sexe montrée pour Drosophile date du milieu des années 80 ( Baker et Ridge, 1980 Cline, 1983). Il existe en fait d'autres voies déterminant le sexe qui expliquent la plupart des aspects du phénotype sexuel (examiné par Oliver, 2002) la voie montrée est la voie somatique. Dans le soma, Sxl est le principal régulateur du sexe, et son état d'activité est déterminé par le rapport X:A. Les dsx Le gène est le gène régulateur en aval qui détermine en fin de compte si les gènes mâles ou femelles sont exprimés dans le soma.
En comparant les mécanismes de détermination du sexe gamétophytique chez les bryophytes et les fougères homospores, une question évidente qui se pose est de savoir ce qui a conduit Marchantia à un mécanisme chromosomique X-Y de détermination du sexe et Ceratopteris à un mécanisme régulé épigénétiquement dépendant de l'interaction phéromonale entre les individus ? La réponse à cette question réside probablement dans les différents ratios de mâles et de femelles ou hermaphrodites qui se produisent dans les populations de chaque espèce. Chez Marchantia, la ségrégation des chromosomes sexuels X et Y pendant la méiose dans le sporophyte garantit que chaque descendance de gamétophyte a une probabilité égale d'être mâle ou femelle, sauf sélection. Dans Ceratopteris, l'ACE La réponse permet au rapport mâles/hermaphrodites de varier en fonction de la densité de la population, de sorte qu'à mesure que la densité de population augmente, la proportion de mâles augmente également. Bien que le mécanisme de détermination du sexe sous-jacent soit inflexible chez Marchantia, il est suffisamment flexible chez Ceratopteris pour permettre à chaque individu de déterminer son sexe en fonction de la taille de la population dans laquelle il réside et de la vitesse à laquelle il germe par rapport à ses voisins. La flexibilité du mécanisme de détermination du sexe de Ceratopteris se reflète dans sa voie de détermination du sexe, et cela devient particulièrement évident par rapport aux voies de détermination du sexe connues d'autres organismes, y compris Drosophila melanogaster et Caenorhabditis elegans, qui sont illustrés à la figure 3. Chez ces deux animaux, le sexe d'un individu (mâle ou femelle dans D. melanogaster et mâle ou hermaphrodite dans C. elegans) est déterminé génétiquement par le rapport de X aux chromosomes autosomiques. Ce rapport est lu et active ou réprime les activités des gènes en aval dans chaque voie. Chez les deux animaux, le sexe dépend finalement de l'état du gène terminal dans chaque voie linéaire, TRA1 dans le cas d C. elegans. La voie de détermination du sexe de Ceratopteris est nettement différente de celle de D. melanogaster et C. elegans en ce qu' il n'est pas linéaire et qu'il existe deux gènes déterminant le sexe, un pour le développement masculin et un pour le développement féminin. Leur capacité à se réprimer confère à chaque spore de Ceratopteris la flexibilité de déterminer son sexe lors de la germination en fonction d'indices environnementaux.
Alors pourquoi un mécanisme flexible de détermination du sexe qui permet aux sex-ratios de varier serait-il adaptatif chez les fougères mais pas chez les bryophytes ? La réponse à cette question réside peut-être dans le caractère éphémère du gamétophyte de la fougère. Bien que les gamétophytes des bryophytes soient persistants, les gamétophytes des fougères ne le sont pas. Chez Ceratopteris, par exemple, les gamétophytes n'atteignent la maturité sexuelle que 14 jours après l'inoculation des spores et meurent une fois fécondés. Le temps limité pendant lequel un gamétophyte de fougère peut être croisé par un autre pourrait favoriser un système de détermination du sexe qui favoriserait l'allogamie en augmentant la proportion de mâles lorsque les densités de population sont élevées et en assurant une forte proportion d'hermaphrodites capables de s'autoféconder lorsque la population les densités sont faibles. Parce qu'il existe une variété de mutants déterminant le sexe disponibles chez Ceratopteris, l'hypothèse liée aux conséquences des sex-ratios variables par rapport aux sex-ratios fixes peut être testée facilement, au moins dans des conditions de laboratoire définies.
De futures études pour cloner les gènes déterminant le sexe chez Ceratopteris seront nécessaires pour comprendre leurs fonctions biochimiques et tester leurs interactions prédites par le modèle génétique. Bien que la taille du génome de Ceratopteris soit probablement très grande (n = 37), la capacité d'inactiver des gènes dans le gamétophyte de Ceratopteris par interférence ARN ( Stout et al., 2003 G. Rutherford, M. Tanurdzic et JA Banks, observations non publiées ) fournit un moyen important d'étudier les effets de l'inactivation de gènes potentiels déterminant le sexe chez le gamétophyte Ceratopteris.
RÉSULTATS
Analyses macroscopiques et microscopiques de la fleur de concombre
Les fleurs de concombre mâles sont composées de quatre verticilles d'organes (du verticille extérieur au verticille intérieur) : cinq sépales, cinq pétales jaunes, cinq étamines et trois primordiums de carpelle arrêtés dans le quatrième verticille (figures 1A à 1C). En revanche, les étamines sont arrêtées dans leur développement dans la fleur femelle, et les trois primordiums des carpelles se développent ensuite en un ovaire inférieur, un style court et trois stigmates séparés (figures 1D à 1F). Pour identifier les primordiums d'étamines dans les fleurs femelles, nous avons réalisé des coupes histologiques de jeunes boutons floraux. Ces sections montrent des étamines arrêtées dans le troisième verticille floral (figures 1D et 1E).
Isolement et analyse de l'expression des gènes de la boîte MADS du concombre de classe B et C
En raison du niveau élevé de conservation des séquences dans le domaine de la boîte MADS, les gènes de la boîte MADS ont été isolés à partir de diverses espèces en utilisant des sondes hétérologues. Dans cette étude, les gènes de la boîte MADS des classes B et C ont été isolés du concombre en criblant une bibliothèque d'ADNc spécifique à la fleur femelle du concombre en utilisant les gènes de la boîte MADS du pétunia comme sonde. L'un d'eux, désigné CONCOMBRE MADS1 (CUM1 Kater et al., 1998), est très similaire dans sa séquence d'acides aminés déduite et son modèle d'expression aux gènes de classe C AGAME (AG) d'Arabidopsis ( Yanofsky et al., 1990) et PLENA (PLE) du muflier ( Bradley et al., 1993).
Un autre gène de la boîte MADS qui a été isolé, désigné CUM26 (numéro d'accession GenBank AF043255), est très probablement l'orthologue des gènes de classe B précédemment caractérisés PIS-TILLATA (PI) d'Arabidopsis ( Goto et Meyerowitz, 1994), GLOBOSA (GL) du muflier ( Schwarz-Sommer et al., 1992), et PROTÉINE DE LIAISON FLORALE 1 (FBP1) de pétunia ( Angenent et al., 1992). La séquence protéique déduite de CUM26 (Figure 2A) montre qu'il a 69, 70 et 71% de ses résidus d'acides aminés en commun avec PI, GL, et FBP1, respectivement.
Les modèles d'expression de CUM1 et CUM26 ont été initialement étudiées par analyse de transfert d'ARN sur gel en utilisant l'ARN extrait des feuilles et des divers organes floraux (Figure 2B). Pour éviter l'hybridation croisée due à l'homologie de séquence entre les gènes de la boîte MADS, nous avons hybride le transfert de gel d'ARN avec des sondes dérivées des extrémités 3' divergentes des ADNc. Cette expérience a montré que CUM1 était exprimé dans les étamines et dans tout le pistil dans le style, le stigmate, le nectaire et l'ovaire. CUM26 l'expression était similaire à celle des autres gènes de classe B, limitée aux deuxième et troisième verticilles floraux.
Les profils d'expression de ces deux gènes MADS box ont été examinés plus en détail par des hybridations in situ sur des coupes longitudinales de jeunes boutons floraux de concombre mâles et femelles. La figure 3A montre les signaux d'hybridation dans les étamines et les primordiums de pistil arrêtés de jeunes fleurs mâles en utilisant un ARN antisens dérivé du gène de classe C CUM1 comme sonde. Dans les fleurs femelles, CUM1 L'ARNm s'est accumulé à un faible niveau dans les primordiums d'étamine qui ont été arrêtés dans le développement. En pistils, CUM1 a été exprimée dans le stigmate, les ovules et le placenta, alors qu'aucune expression n'a été observée dans d'autres parties de l'ovaire (Figure 3B). CUM26 a été exprimé dans les fleurs mâles dans les pétales et les jeunes étamines, ce qui est attendu d'un gène de classe B ( figure 3C). De même, dans une fleur femelle, CUM26 les transcrits étaient détectables dans les pétales et les primordiums d'étamine arrêtés (figure 3D). Ces données démontrent que les gènes présumés de classe B et C sont toujours exprimés dans des primordiums dont le développement est arrêté.
Morphologie des fleurs des plants de concombre de type sauvage.
(UNE) Coupe longitudinale des boutons floraux mâles à deux stades de développement. Les ébauches de carpelles sont arrêtées dans le verticille 4. Les ébauches d'étamines proviennent des flancs des pétales et produisent du tissu sporogène.
(B) Coupe longitudinale d'une jeune fleur de concombre mâle de type sauvage à un stade de développement ultérieur juste avant l'ouverture de la fleur. Les anthères commencent à produire du pollen.
(C) Vue macroscopique d'une fleur mâle. Une paire de sépales et de pétales a été retirée pour permettre une vue à l'intérieur. Les primordiums de carpelle arrêtés sont visibles au bas de la fleur.
(RÉ) Coupe longitudinale d'un bouton floral femelle. Les ébauches des étamines et des carpelles se développent dans les verticilles 3 et 4, respectivement. Les sépales recouvrent complètement la fleur.
(E) Coupe longitudinale d'un bouton floral femelle à un stade de développement ultérieur. Les primordiums des étamines sont arrêtés et, dans le quatrième verticille, un ovaire inférieur et des stigmates supérieurs se développent.
(F) Vue macroscopique d'une fleur femelle à un stade juste avant l'ouverture de la fleur. Un péché (C), une paire de sépales et de pétales a été retirée pour permettre une vue à l'intérieur de la fleur.
Les numéros de verticille indiquent les positions des organes floraux dans la fleur. Oh, ovaire. Barres dans (UNE), (B), (RÉ), et (E) = 1 millimètre.
Morphologie des fleurs des plants de concombre de type sauvage.
(UNE) Coupe longitudinale des boutons floraux mâles à deux stades de développement. Les ébauches de carpelles sont arrêtées dans le verticille 4. Les ébauches d'étamines proviennent des flancs des pétales et produisent du tissu sporogène.
(B) Coupe longitudinale d'une jeune fleur de concombre mâle de type sauvage à un stade de développement ultérieur juste avant l'ouverture de la fleur. Les anthères commencent à produire du pollen.
(C) Vue macroscopique d'une fleur mâle. Une paire de sépales et de pétales a été retirée pour permettre une vue à l'intérieur. Les primordiums de carpelle arrêtés sont visibles au bas de la fleur.
(RÉ) Coupe longitudinale d'un bouton floral femelle. Les primordiums des étamines et des carpelles se développent dans les verticilles 3 et 4, respectivement. Les sépales recouvrent complètement la fleur.
(E) Coupe longitudinale d'un bouton floral femelle à un stade de développement ultérieur. Les primordiums des étamines sont arrêtés et, dans le quatrième verticille, un ovaire inférieur et des stigmates supérieurs se développent.
(F) Vue macroscopique d'une fleur femelle à un stade juste avant l'ouverture de la fleur. Un péché (C), une paire de sépales et de pétales ont été retirés pour permettre une vue à l'intérieur de la fleur.
Les numéros de verticille indiquent les positions des organes floraux dans la fleur. Oh, ovaire. Barres dans (UNE), (B), (RÉ), et (E) = 1 millimètre.
Analyses phénotypiques et moléculaires d'un mutant homéotique de classe B
Nous avons étudié les transformations homéotiques chez un mutant récessif spontané de concombre désigné pétales verts (généraliste). Les jeunes fleurs mâles de ce généraliste le mutant se composait de deux verticilles de périanthes de sépales, et l'excroissance des organes reproducteurs a été arrêtée (figure 4A). La fleur mâle est devenue indéterminée lorsque la fleur a vieilli par la suite, ce qui a entraîné une répétition des verticilles des sépales et un aspect buissonnant ( figure 4B). L'analyse histologique de ces hommes généraliste les fleurs ont révélé que les boutons floraux indéterminés se développaient à partir du troisième verticille, tandis que le quatrième verticille intérieur était arrêté dans le développement (figures 4C et 4D). Fait intéressant, lorsque le mutant a été cultivé à haute température (>30°C), la morphologie de la fleur mâle a radicalement changé (Figures 4E et 4F) : des sépales étaient encore formés dans les deux premiers verticilles externes, mais son caractère indéterminé a été perdu, et des carpelles au lieu d'étamines ont été produits dans le troisième verticille. Dans une fleur mâle plus âgée (figure 4F), les 3 carpelles du verticille se sont développés en un fruit parthénocarpique complet qui était positionné au-dessus du réceptacle. Ce phénotype mutant montre clairement que des organes femelles peuvent se développer dans les fleurs mâles.
Séquence d'acides aminés de CUM26 dans le type sauvage et le généraliste Mutant et modèles d'expression de CUM1 et CUM26.
(UNE) La séquence de la protéine CUM26 déduite du cadre de lecture le plus long de CUM26 ADNc. La boîte MADS conservée est soulignée par un trait épais et la région de la boîte K est soulignée par un trait fin. Les 15 résidus d'acides aminés qui sont supprimés dans la protéine CUM26 du généraliste mutant sont encadrés.
(B) CUM1 et CUM26 expression dans les feuilles de concombre et les organes floraux. L'ARN total a été isolé des feuilles matures (L), des sépales (S), des pétales (P), des étamines (St), des styles (Sl), des stigmates (Sg), des nectaires (N) et des ovaires inférieurs (O).
Séquence d'acides aminés de CUM26 dans le type sauvage et le généraliste Mutant et modèles d'expression de CUM1 et CUM26.
(UNE) La séquence de la protéine CUM26 déduite du cadre de lecture le plus long de CUM26 ADNc. La boîte MADS conservée est soulignée par un trait épais et la région de la boîte K est soulignée par un trait fin. Les 15 résidus d'acides aminés qui sont supprimés dans la protéine CUM26 du généraliste mutant sont encadrés.
(B) CUM1 et CUM26 expression dans les feuilles de concombre et les organes floraux. L'ARN total a été isolé des feuilles matures (L), des sépales (S), des pétales (P), des étamines (St), des styles (Sl), des stigmates (Sg), des nectaires (N) et des ovaires inférieurs (O).
L'analyse de coupes longitudinales de ces fleurs mâles à différents stades de développement a indiqué que les primordiums du verticille 4 étaient également arrêtés dans la croissance à haute température. De plus, ces analyses microscopiques ont confirmé que les carpelles supérieurs provenaient du troisième verticille, alors que les primordiums du verticille 4 étaient encore arrêtés dans le développement (figures 4H et 4I). Les conversions homéotiques observées à haute température ressemblaient exactement à celles des mutants de classe B chez les espèces à fleurs bisexuées, comme Arabidopsis, muflier et pétunia (Coen et Meyerowitz, 1991 Angenent et al., 1993). Les fleurs femelles, qui peuvent être facilement reconnues par leur ovaire inférieur, ont produit des sépales dans les deux verticilles externes, et aucune différence évidente dans les organes des verticilles 3 et 4 n'a été observée entre les fleurs des généraliste plantes mutantes et de type sauvage (figures 4G et 4J). Contrairement aux fleurs mâles, les fleurs femelles n'étaient pas sensibles aux différentes conditions de température.
Pour étudier la nature moléculaire de ce généraliste mutant, nous avons cloné le CUM26 séquence codante en utilisant la transcription inverse-amplification en chaîne par polymérase (PCR) sur l'ARN de très jeunes généraliste bourgeons de fleurs. L'analyse des séquences a démontré que ce gène contient une délétion dans le cadre de 15 acides aminés juste en aval de la région codant pour le domaine K ( Figure 2A), un motif qui s'avère être impliqué dans les interactions protéine-protéine entre les protéines de la boîte MADS ( Davies et Schwarz- Sommer, 1994 Davies et coll., 1996 Fan et coll., 1997). Pour CARENCES (FED), un gène de classe B du muflier, et AG, le gène de classe C d'Arabidopsis, il a été montré que des mutations dans le domaine K conduisent à des phénotypes sensibles à la température ( Sieburth et al., 1995 Zachgo et al., 1995). Apparemment, la suppression dans CUM26 affecte la fonction de la protéine à des températures élevées, entraînant la généraliste phénotype mutant.
Les généraliste le phénotype mutant est lié à cette délétion dans la protéine CUM26, comme démontré dans une population ségrégeant pour les phénotypes mutants et de type sauvage. Dans tous les mutants analysés (huit plantes), la délétion a été confirmée par analyse PCR, alors que dans les plantes avec le phénotype de type sauvage (18 plantes), soit seul le type sauvage, soit les allèles de type sauvage et mutant étaient présents ( données non présentées).
Analyse d'expression de CUM1 et CUM26 dans généraliste Fleurs mutantes
Analyser l'expression des gènes de la boîte MADS de classe B et C chez l'homme généraliste fleurs en détail, nous avons effectué une analyse d'hybridation in situ. Les figures 3E et 3F montrent que CUM26 les transcrits n'étaient pas détectables dans des conditions normales (22 °C) et à haute température (35 °C) chez les hommes et les femmes (non illustré) généraliste fleurs, indiquant que la fonction de classe B nécessaire au développement normal des pétales et des étamines n'était pas présente chez ce mutant. Étonnamment, l'hybridation avec un CUM1 la sonde antisens n'a révélé aucun signal dans un généraliste fleur mâle cultivée à 22°C lorsqu'aucun organe reproducteur ne s'est développé (figure 3G). En revanche, la même sonde a détecté CUM1 transcrits dans les troisième et quatrième primordiums de verticilles floraux de plantes cultivées à haute température (figure 3H). En raison de l'absence d'expression des gènes de classe B (CUM26) et l'expression de CUM1, verticille 3 primordiums ont une identité de carpelle selon le modèle ABC. Ceci a été confirmé à des stades ultérieurs de développement par l'excroissance visible de carpelles supérieurs dans les troisièmes verticilles de ces fleurs (figures 4E et 4F).
Modèles d'expression de CUM1 et CUM26 en Wild-Type et généraliste Fleurs mutantes.
Des coupes longitudinales ont été hybridées avec un antisens marqué à la digoxigénine CUM1 ([UNE], [B], [G], et [H]) ou CUM26 ([C], [RÉ], [E], et [F]) ARN. Toutes les coupes ont été visualisées en microscopie à fond noir. Les numéros de verticille indiquent les positions des organes floraux dans la fleur.
(UNE) et (C) Jeunes boutons floraux mâles d'une plante de type sauvage. Les primordiums du carpelle sont arrêtés et les anthères commencent à produire du tissu sporogène. Le bourgeon est entièrement recouvert de sépales.
(B) et (RÉ) Jeunes boutons floraux femelles d'une plante de type sauvage. Les primordiums des étamines sont arrêtés et dans le quatrième verticille un ovaire inférieur et des stigmates supérieurs se développent.
(E) et (G) Fleurs mâles d'un généraliste plante cultivée dans des conditions de température normales (22°C). Les pointes de flèches rouges indiquent les nouveaux bourgeons tels qu'ils apparaissent dans ces fleurs indéterminées buissonnantes (cf. Figure 4B).
(F) et (H) Fleurs mâles d'un généraliste plante cultivée dans des conditions de température élevée (35°C). Les carpelles se forment dans le verticille 3 et les ébauches de carpelles dans le quatrième verticille sont arrêtées. Les deux verticilles externes sont des sépales.
Oh, ovaire. Barre dans (UNE) = 1 mm pour (UNE) par (H).
Modèles d'expression de CUM1 et CUM26 en Wild-Type et généraliste Fleurs mutantes.
Des coupes longitudinales ont été hybridées avec un antisens marqué à la digoxigénine CUM1 ([UNE], [B], [G], et [H]) ou CUM26 ([C], [RÉ], [E], et [F]) ARN. Toutes les coupes ont été visualisées en microscopie à fond noir. Les numéros de verticille indiquent les positions des organes floraux dans la fleur.
(UNE) et (C) Jeunes boutons floraux mâles d'une plante de type sauvage. Les primordiums du carpelle sont arrêtés et les anthères commencent à produire du tissu sporogène. Le bourgeon est entièrement recouvert de sépales.
(B) et (RÉ) Jeunes boutons floraux femelles d'une plante de type sauvage. Les primordiums des étamines sont arrêtés et dans le quatrième verticille un ovaire inférieur et des stigmates supérieurs se développent.
(E) et (G) Fleurs mâles d'un généraliste plante cultivée dans des conditions de température normales (22°C). Les pointes de flèches rouges indiquent les nouveaux bourgeons tels qu'ils apparaissent dans ces fleurs indéterminées buissonnantes (cf. Figure 4B).
(F) et (H) Fleurs mâles d'un généraliste plante cultivée dans des conditions de température élevée (35°C). Les carpelles se forment dans le verticille 3 et les ébauches de carpelles dans le quatrième verticille sont arrêtées. Les deux verticilles externes sont des sépales.
Oh, ovaire. Barre dans (UNE) = 1 mm pour (UNE) par (H).
Expression ectopique de CUM1 dans le concombre induit la formation d'organes reproducteurs dans les premier et deuxième verticilles floraux
Il a été démontré que les plantes d'Arabidopsis surexprimant AG sous le contrôle du promoteur 35S du virus de la mosaïque du chou-fleur (CaMV) phénocopie apetala2 plantes mutantes, confirmant la prédiction du modèle selon laquelle la classe A supprime la fonction de classe C dans les deux verticilles externes ( Mizukami et Ma, 1992). Surexpression de CUM1 entraîné par le promoteur CaMV 35S chez l'espèce hermaphrodite pétunia a entraîné des transformations homéotiques tout aussi graves des sépales en structures carpelloïdes et des pétales en étamines (Kater et al., 1998). Cependant, chez l'espèce monoïque concombre, les organes reproducteurs ont été arrêtés dans les deux types de fleurs, ce qui soulève la question de savoir si ce phénomène se produit également lorsque les organes reproducteurs se développent à d'autres positions de la fleur. Par conséquent, la CUM1 La construction de surexpression initialement utilisée pour les transformations du pétunia a été introduite dans le concombre. Deux transformants indépendants, T340-1 et T340-5, ont montré les transformations homéotiques les plus sévères et identiques, et dans les deux plantes, la CUM1 gène a été exprimé par voie ectopique, comme le confirme l'analyse par transfert d'ARN sur gel (données non présentées). Bien que les transformations homéotiques sévères affectent de manière significative la structure florale, les fleurs mâles et femelles ont été facilement distinguées, car les fleurs femelles ont encore développé un ovaire inférieur qui n'est pas présent chez les fleurs mâles. Dans le verticille 1, les sépales des fleurs mâles et femelles de ces lignées ont été transformés en structures carpelloïdes avec un tissu stigmatique sur le dessus (figures 5A à 5E). Les pétales ont été réduits de manière significative ou complètement absents dans les fleurs mâles et femelles. Une analyse histologique a été effectuée pour déterminer l'identité des organes chimériques dans le verticille 2. Cette analyse a révélé que les tissus anthéroïdes, y compris les grains de pollen, se développent au-dessus des organes du verticille 2 dans les fleurs mâles et femelles (figures 5B, 5C, 5E et 5F). Comme le montre la figure 5D, les ovaires de ces fleurs femelles étaient malformés, ce qui pourrait être un effet secondaire des aberrations dans les autres organes floraux. Les phénotypes floraux de ces plantes transgéniques démontrent que dans le deuxième verticille de fleurs femelles, le tissu mâle est autorisé à se développer, alors que dans les fleurs de type sauvage, la formation d'organes mâles ne se produit jamais. De plus, les organes femelles se développent dans le premier verticille des fleurs mâles mutantes, le transformant d'une fleur de concombre unisexuée en une fleur de concombre bisexuée.
Morphologie des fleurs du généraliste Mutante.
(UNE) Jeune fleur mâle du généraliste mutant cultivé à 22°C. La fleur est composée de deux verticilles de sépales seulement.
(B) Fleur mâle indéterminée plus âgée cultivée à 22°C. De nouveaux bourgeons se développent à l'intérieur de la fleur primaire, ce qui donne un aspect buissonnant.
(C) Coupe longitudinale de jeunes boutons floraux mâles cultivés à 22°C. Initialement, les verticilles 3 et 4 primordiums se développent comme dans le type sauvage (bourgeon gauche). À un stade de développement ultérieur (bourgeon droit), de nouveaux méristèmes se développent dans le troisième verticille, comme indiqué par la pointe de flèche rouge. Les primordiums du carpelle dans le verticille 4 restent arrêtés.
(RÉ) Coupe longitudinale à travers une fleur mâle indéterminée plus âgée cultivée à 22°C. Un nouveau bouton floral provenant du troisième verticille de cette fleur touffue est indiqué par la pointe de flèche rouge.
(E) Fleur mâle du généraliste mutant cultivé dans des conditions de haute température (35°C) avec des étamines transformées homéotiquement en carpelles.
(F) Fleur mâle plus âgée du généraliste mutant cultivé dans des conditions de température élevée (35°C) avec des fruits se développant dans le verticille 3. Les organes du verticille 1 et 2 sont sénescents.
(G) Fleur femelle du généraliste mutant cultivé à 22°C. L'ovaire inférieur n'est pas affecté et les deux organes externes du verticille sont des sépales. Aucun changement dans le phénotype des fleurs n'a été observé lorsque les plantes ont été cultivées dans des conditions de température élevée (35 °C).
(H) Coupe longitudinale d'une jeune fleur mâle du généraliste mutant cultivé dans des conditions de température élevée (35°C). Les structures carpelloïdes se développent dans le verticille 3, et les ébauches de carpelles sont arrêtées dans le verticille 4.
(JE) Bourgeon plus vieux comme dans (H). Des corps ressemblant à des fruits se développent dans le troisième verticille sur les positions normalement occupées par les étamines (cf. figures 4E et 4F).
(J) Coupe longitudinale à travers un bouton floral femelle du généraliste mutant. Les deux verticilles intérieurs sont comme ceux des fleurs de type sauvage (cf. Figure 1E).
Les numéros de verticille indiquent les positions des organes floraux dans la fleur. Oh, ovaire. Barres dans (C), (RÉ), (H), (JE), et (J) = 1 millimètre.
Morphologie des fleurs du généraliste Mutante.
(UNE) Jeune fleur mâle du généraliste mutant cultivé à 22°C. La fleur est composée de deux verticilles de sépales seulement.
(B) Fleur mâle indéterminée plus âgée cultivée à 22°C. De nouveaux bourgeons se développent à l'intérieur de la fleur primaire, ce qui donne un aspect buissonnant.
(C) Coupe longitudinale de jeunes boutons floraux mâles cultivés à 22°C. Initialement, les verticilles 3 et 4 primordiums se développent comme dans le type sauvage (bourgeon gauche). À un stade de développement ultérieur (bourgeon droit), de nouveaux méristèmes se développent dans le troisième verticille, comme indiqué par la pointe de flèche rouge. Les primordiums du carpelle dans le verticille 4 restent arrêtés.
(RÉ) Coupe longitudinale à travers une fleur mâle indéterminée plus âgée cultivée à 22°C. Un nouveau bouton floral provenant du troisième verticille de cette fleur touffue est indiqué par la pointe de flèche rouge.
(E) Fleur mâle du généraliste mutant cultivé dans des conditions de haute température (35°C) avec des étamines transformées homéotiquement en carpelles.
(F) Fleur mâle plus âgée du généraliste mutant cultivé dans des conditions de température élevée (35°C) avec des fruits se développant dans le verticille 3. Les organes du verticille 1 et 2 sont sénescents.
(G) Fleur femelle du généraliste mutant cultivé à 22°C. L'ovaire inférieur n'est pas affecté et les deux organes externes du verticille sont des sépales. Aucun changement dans le phénotype des fleurs n'a été observé lorsque les plantes ont été cultivées dans des conditions de température élevée (35 °C).
(H) Coupe longitudinale d'une jeune fleur mâle du généraliste mutant cultivé dans des conditions de température élevée (35°C). Les structures carpelloïdes se développent dans le verticille 3 et les ébauches de carpelles sont arrêtées dans le verticille 4.
(JE) Bourgeon plus vieux comme dans (H). Des corps ressemblant à des fruits se développent dans le troisième verticille sur les positions normalement occupées par les étamines (cf. figures 4E et 4F).
(J) Coupe longitudinale à travers un bouton floral femelle du généraliste mutant. Les deux verticilles intérieurs sont comme ceux des fleurs de type sauvage (cf. Figure 1E).
Les numéros de verticille indiquent les positions des organes floraux dans la fleur. Oh, ovaire. Barres dans (C), (RÉ), (H), (JE), et (J) = 1 millimètre.
Régulation à la baisse de CUM1 Résultats dans un phénotype mutant de classe C
En plus des plantes exprimant ectopiquement CUM1, la même expérience de transformation a révélé trois usines de cosuppression dans lesquelles endogènes CUM1 l'expression a été complètement abolie, comme déterminé par hybridation par transfert sur gel d'ARN (données non présentées). Les figures 5G à 5L montrent que les phénotypes de cosuppression sont similaires mais distincts de celui de l'Arabidopsis ag mutant. La perte de AG La fonction chez Arabidopsis a entraîné des transformations homéotiques des étamines en pétales, et une réitération du programme floral au centre de ces fleurs a remplacé le pistil ( Figure 6 Pruitt et al., 1987). Étonnamment, dans les fleurs de concombre mâles des plantes cosuppressives, cinq nouveaux bourgeons floraux sont apparus dans le troisième verticille (figures 5G et 5H). Ces nouveaux boutons floraux étaient disposés en deux couples et un bouton séparé occupant les mêmes positions que les étamines des fleurs mâles de type sauvage. Au centre de la fleur mutante, les primordiums rudimentaires du carpelle ont été remplacés par une nouvelle fleur indéterminée similaire à celle observée chez l'Arabidopsis ag fleur mutante.
Dans les fleurs femelles dans lesquelles CUM1 a été co-supprimé, les pétales se sont développés dans le troisième verticille et le programme floral a été réitéré au centre de la fleur, avec un petit fruit poussant à l'intérieur de l'ovaire primaire (Figure 5K, flèche). Une vue croisée à travers un bourgeon floral femelle a démontré que les 3 primordiums du verticille n'étaient pas arrêtés et se développaient en organes pétaloïdes (Figure 5L). L'observation que les ovaires se développent encore dans ces fleurs femelles suggère que CUM1 l'expression n'est pas requise ou redondante pour le développement du fruit, ce qui est en accord avec l'absence de CUM1 expression dans le fruit de fleurs de type sauvage (figure 3B).
Morphologie des fleurs de plants de concombre transgéniques dans lesquels CUM1 A été exprimé ectopiquement ou cosupprimé.
(UNE) Fleur mâle d'un CUM1 plante à expression ectopique (T340-1). Cinq carpelles supérieurs complets se développent dans le verticille 1, qui sont en partie fusionnés à la base formant une structure semblable à un ovaire.
(B) Coupe longitudinale d'une fleur mâle de T340-1. Les organes du verticille 1 sont carpelloïdes, et les organes du deuxième verticille sont chimériques avec des tissus pétaloïdes et anthéroïdes. Les primordiums du carpelle du verticille 4 sont arrêtés.
(C) Détail de (B) comme indiqué par la boîte. Tissu anthéroïde se développant au-dessus des organes du deuxième verticille. Le tissu sporogène avec le pollen en développement est indiqué par la flèche.
(RÉ) Fleur femelle de T340-1 avec des carpelles supérieurs dans le verticille 1 et un ovaire malformé dans le quatrième verticille. Dans le deuxième verticille, les restes de tissu pétale sont indiqués par une flèche.
(E) Coupe longitudinale à travers une fleur femelle de T340-1. Le tissu anthéroïde se développant au-dessus des organes du deuxième verticille est indiqué dans l'encadré. La partie interne de la fleur est très malformée et les organes ne sont pas reconnaissables.
(F) Détail de (E) comme indiqué par la boîte. Une flèche montre le pollen en développement dans le tissu anthéroïde.
(G) Vue longitudinale d'un bouton floral mâle du transformant T340-3 dans lequel CUM1 a été co-supprimé. Des boutons floraux indéterminés sont visibles dans les verticilles 3 et 4.
(H) Fleur mâle du transformant T340-3 montrant la formation de bourgeons floraux indéterminés dans des positions normalement occupées par les étamines. La fleur est indéterminée au centre.
(JE) Fleur femelle de T340-3, avec formation de pétales dans le troisième verticille. L'ovaire inférieur n'est pas affecté chez ce mutant homéotique.
(J) Détail de (JE) montrant les pétales du verticille 3 et l'indétermination du quatrième verticille.
(K) Vue longitudinale d'un bouton floral femelle de T340-3. Le petit fruit qui pousse à l'intérieur de l'ovaire primaire est indiqué par une flèche. La ligne indique le plan de la section transversale montrée dans (L).
(L) Coupe transversale d'un bouton floral femelle de T340-3. La position de la section est indiquée dans (H). Les pétales se développent en verticille 3 sur les positions normalement occupées par les étamines. La structure du verticille 4 est la partie supérieure du petit fruit qui pousse à l'intérieur de l'ovaire primaire.
Les numéros de verticille indiquent les positions des organes floraux dans la fleur. S, tissu stigmatique O, ovaire. Barres dans (B), (E), et (L) = 1 millimètre.
Morphologie des fleurs de plants de concombre transgéniques dans lesquels CUM1 A été exprimé ectopiquement ou cosupprimé.
(UNE) Fleur mâle d'un CUM1 plante à expression ectopique (T340-1). Cinq carpelles supérieurs complets se développent dans le verticille 1, qui sont en partie fusionnés à la base formant une structure semblable à un ovaire.
(B) Coupe longitudinale d'une fleur mâle de T340-1. Les organes du verticille 1 sont carpelloïdes, et les organes du deuxième verticille sont chimériques avec des tissus pétaloïdes et anthéroïdes. Les primordiums du carpelle du verticille 4 sont arrêtés.
(C) Détail de (B) comme indiqué par la boîte. Tissu anthéroïde se développant au-dessus des organes du deuxième verticille. Le tissu sporogène avec le pollen en développement est indiqué par la flèche.
(RÉ) Fleur femelle de T340-1 avec des carpelles supérieurs dans le verticille 1 et un ovaire malformé dans le quatrième verticille. Dans le deuxième verticille, les restes de tissu pétale sont indiqués par une flèche.
(E) Coupe longitudinale d'une fleur femelle de T340-1. Le tissu anthéroïde se développant au-dessus des organes du deuxième verticille est indiqué dans l'encadré. La partie interne de la fleur est très malformée et les organes ne sont pas reconnaissables.
(F) Détail de (E) comme indiqué par la boîte. Une flèche montre le pollen en développement dans le tissu anthéroïde.
(G) Vue longitudinale d'un bouton floral mâle du transformant T340-3 dans lequel CUM1 a été co-supprimé. Des boutons floraux indéterminés sont visibles dans les verticilles 3 et 4.
(H) Fleur mâle du transformant T340-3 montrant la formation de bourgeons floraux indéterminés dans des positions normalement occupées par les étamines. La fleur est indéterminée au centre.
(JE) Fleur femelle de T340-3, avec formation de pétales dans le troisième verticille. L'ovaire inférieur n'est pas affecté chez ce mutant homéotique.
(J) Détail de (JE) montrant les pétales du verticille 3 et l'indétermination du quatrième verticille.
(K) Vue longitudinale d'un bouton floral femelle de T340-3. Le petit fruit qui pousse à l'intérieur de l'ovaire primaire est indiqué par une flèche. La ligne indique le plan de la section transversale montrée dans (L).
(L) Coupe transversale d'un bouton floral femelle de T340-3. La position de la section est indiquée dans (H). Les pétales se développent en verticille 3 sur les positions normalement occupées par les étamines. La structure du verticille 4 est la partie supérieure du petit fruit qui pousse à l'intérieur de l'ovaire primaire.
Les numéros de verticille indiquent les positions des organes floraux dans la fleur. S, tissu stigmatique O, ovaire. Barres dans (B), (E), et (L) = 1 millimètre.
Fait intéressant, dans ces fleurs de cosuppression, des organes non reproducteurs ont été autorisés à se former dans les deux verticilles internes des fleurs mâles et femelles à des positions où le développement des organes reproducteurs était normalement arrêté.
Affiliations
Département de biologie végétale, Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, Urbana, IL, 61801, États-Unis
Jong-Kuk Na, Jianping Wang et Ray Ming
Division de la sélection moléculaire, Académie nationale des sciences agricoles, RDA, Suwon, 441-701, République de Corée
Département d'agronomie, Institut de génétique, programme de biologie moléculaire et cellulaire végétale, Université de Floride, Gainesville, FL, 32610, États-Unis
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L'effet du changement climatique sur la plante des montagnes Rocheuses est déterminé par le sexe
Irvine, Californie, 30 juin 2016 — Pour la plante de valériane, les altitudes plus élevées dans les montagnes Rocheuses du Colorado deviennent beaucoup plus mixtes. Et la principale raison semble être le changement climatique.
Dans une étude publiée le 1er juillet dans Science, Université de Californie, Irvine, les biologistes de l'environnement Kailen Mooney et Will Petry et leurs collègues rapportent qu'un changement climatique au cours des quatre dernières décennies a considérablement modifié les schémas de croissance des hommes et des femmes. Valériane edulis sur l'altitude. Leur travail est le premier à expliquer pleinement les réponses des espèces sexospécifiques au changement climatique.
La valériane est dioïque, ce qui signifie que les individus sont soit des hommes, soit des femmes. Contrairement à la majorité des plantes à fleurs, celles-ci ne peuvent pas s'autoféconder. D'autres espèces dioïques bien connues comprennent l'asperge, le ginko, la papaye, le houx, les épinards, la pistache, le saule et le tremble.
Dans les Rocheuses du Colorado, le sex-ratio des populations de valériane a traditionnellement changé avec le climat, passant de basse altitude (50 pour cent de mâles), où il fait chaud et sec, à haute altitude (seulement 20 pour cent de mâles), où il fait frais et humide. Aux altitudes les plus élevées, la rareté des mâles pollinisateurs réduit le nombre de graines produites par les plantes femelles.
Maintenant, tout cela change. Au cours des 40 dernières années, des tests menés par le Rocky Mountain Biological Laboratory à Crested Butte, Colorado, ont révélé que la région se réchauffe et se dessèche à un degré tel que chaque population de valériane à travers le gradient d'altitude connaît maintenant un climat qui était historiquement trouvé à une altitude beaucoup plus basse.
Mooney et Petry ont déclaré que leur étude montre qu'à mesure que le climat plus sec et plus chaud remonte la pente, il en va de même pour les mâles adaptés à l'aride, modifiant ainsi les rapports de masculinité.Pour cette raison, les populations dans lesquelles les mâles étaient autrefois rares connaissent maintenant moins de limitations de partenaires, ce qui permet aux femelles de produire avec succès plus de graines.
"Presque tous les animaux et de nombreuses plantes ont des mâles et des femelles séparés, et ils diffèrent presque toujours par les caractéristiques qui affectent la façon dont ils interagissent avec l'environnement", a déclaré Petry, qui a obtenu un doctorat. en écologie et biologie évolutive à l'UCI ce printemps. « Comprendre les réponses des deux sexes est important, car chaque sexe doit trouver des partenaires du sexe opposé pour se reproduire, et aucun travail antérieur n'a relié les différences écologiques entre les hommes et les femmes à leurs réponses au changement climatique et aux conséquences qui en découlent pour les populations. »
Ces modèles de changement de sex-ratio basés sur l'altitude sont dus, au moins en partie, à une différence physiologique dans la façon dont les hommes et les femmes utilisent l'eau.
Alors que l'augmentation du nombre de mâles a conduit à une croissance florissante de la valériane à des altitudes plus élevées, un excès de mâles à basse altitude peut finalement entraîner des déclins de population. De cette façon, les réponses sexospécifiques des plantes au changement climatique peuvent amener l'espèce à se déplacer vers des altitudes plus élevées.
De plus, les fluctuations de l'abondance relative des mâles et des femelles de la valériane peuvent également avoir des répercussions sur les espèces associées à cette plante, car les deux sexes supportent des communautés d'insectes différentes.
"La plupart des travaux antérieurs documentant les réponses écologiques au changement climatique se sont concentrés sur les changements d'aire de répartition d'espèces entières", a déclaré Mooney, professeur agrégé d'écologie et de biologie évolutive. « Dans notre étude, nous avons plutôt examiné une caractéristique de l'espèce – le sex-ratio de la population. Nous découvrons que les mâles et les femelles réagissent différemment au changement climatique et que le rythme auquel cette caractéristique de l'espèce réagit au changement climatique est d'une rapidité sans précédent - environ 10 fois la vitesse moyenne à laquelle les espèces se déplacent en réponse à un changement climatique. »
Judith Soule, Amy Iler, Ana Chicas-Mosier et David Inouye du Rocky Mountain Biological Laboratory et Tom Miller de l'Université Rice ont contribué à l'étude, qui a reçu le soutien de la National Science Foundation (subventions DEB-1457029 et DEB-1407318).
Papaye
Dans certaines parties du monde, notamment en Australie et dans certaines îles des Antilles, il est connu sous le nom de papaye, ou papaye, noms qui se limitent mieux aux très différents, principalement sauvages Asimina triloba Dunal, appartenant aux Annonaceae. Bien que le nom papaye soit largement reconnu, il a été corrompu en kapaya, kepaya, lapaya ou tapaya en Asie du Sud et aux Indes orientales. En français, c'est papaye (le fruit) et papayer (la plante), ou parfois figuier des Iles. Les hispanophones emploient les noms melón zapote, lechosa, payaya (fruit), papayo ou papayero (la plante), fruta bomba , mamón ou mamona , selon les pays. Au Brésil, le nom usuel est mamao. Lorsqu'il fut rencontré pour la première fois par les Européens, il fut tout naturellement surnommé « melon arboricole ».
Fig. 94 : Une papaye saine ( Carica papaya ) à Homestead, Floride, en 1946, lorsque les maladies virales n'étaient pas répandues.
Communément et à tort appelée "arbre", la plante est à proprement parler une grande herbe poussant à un taux de 6 à 10 pi (1,8-3 m) la première année et atteignant 20 ou même 30 pi (6-9 m) en hauteur, avec une tige creuse verte ou violet foncé devenant 12 à 16 po (30-40 cm) ou plus épaisse à la base et rugueuse par des cicatrices foliaires. Les feuilles émergent directement de la partie supérieure de la tige en spirale sur des pétioles presque horizontaux de 1 à 3 1/2 pi (30-105 cm) de long, creux, succulents, verts ou violet plus ou moins foncé. Le limbe, profondément divisé en 5 à 9 segments principaux, chacun irrégulièrement subdivisé, varie de 30 à 60 cm de largeur et présente des nervures et des veines jaunâtres proéminentes. La durée de vie d'une feuille est de 4 à 6 mois. La tige et les feuilles contiennent une abondante quantité de latex blanc laiteux. Les fleurs à 5 pétales sont charnues, cireuses et légèrement parfumées. Certaines plantes ne portent que des fleurs pistillées (femelles) à pédoncule court, des fleurs cireuses et blanc ivoire ou hermaprodites (parfaites) (ayant des organes femelles et mâles), blanc ivoire avec des anthères jaune vif et portées sur de courtes tiges tandis que d'autres peuvent porter seulement fleurs staminées (mâles), groupées sur des panicules jusqu'à 5 ou 6 pieds (1,5 à 1,8 m) de long. Il peut même y avoir des plantes monoïques ayant des fleurs mâles et femelles. Certaines plantes produisent à certaines saisons des fleurs mâles à pédoncule court, à d'autres moments des fleurs parfaites. Ce changement de sexe peut se produire temporairement lors de températures élevées en plein été. Certaines plantes "tout mâles" portent parfois, à la pointe de la gerbe, de petites fleurs aux pistils parfaits et celles-ci produisent des fruits anormalement élancés. Les plantes mâles ou hermaphrodites peuvent se transformer complètement en plantes femelles après avoir été décapitées. Généralement, le fruit ressemble à un melon, ovale à presque rond, quelque peu piriforme ou en forme de massue allongée, de 6 à 20 po (15 à 50 cm) de long et de 4 à 8 po (10 à 20 cm) d'épaisseur pesant jusqu'à 20 lb (9 kg). Les plantes semi-sauvages (naturalisées) portent des fruits miniatures de 2,5 à 15 cm de long. La peau est cireuse et fine mais assez dure. Lorsque le fruit est vert et dur, il est riche en latex blanc. À mesure qu'il mûrit, il devient jaune clair ou jaune foncé à l'extérieur et l'épaisse paroi de chair succulente devient aromatique, jaune, orange ou diverses nuances de saumon ou de rouge. Il est alors juteux, sucré et un peu comme un cantaloup en saveur dans certains types assez musqué. Attachées légèrement au mur par un tissu fibreux blanc et mou, se trouvent généralement de nombreuses petites graines noires, ovoïdes, ondulées et poivrées d'environ 5 mm (3/16 po) de long, chacune recouverte d'un arille gélatineux transparent. Bien que la zone d'origine exacte soit inconnue, on pense que la papaye est originaire d'Amérique tropicale, peut-être du sud du Mexique et de l'Amérique centrale voisine. Il est rapporté que des graines ont été emportées au Panama, puis en République dominicaine avant 1525 et que la culture s'est propagée à des altitudes chaudes dans toute l'Amérique du Sud et centrale, le sud du Mexique, les Antilles et les Bahamas, et aux Bermudes en 1616. Les Espagnols ont transporté des graines aux Philippines environ 1550 et la papaye a voyagé de là à Malacca et en Inde. Des graines ont été envoyées de l'Inde à Naples en 1626. Aujourd'hui, la papaye est familière dans presque toutes les régions tropicales de l'Ancien Monde et des îles du Pacifique et s'est naturalisée dans de nombreuses régions. Les graines ont probablement été importées des Bahamas en Floride. Jusqu'en 1959 environ, la papaye était couramment cultivée dans le sud et le centre de la Floride dans les jardins familiaux et à petite échelle commerciale. Par la suite, les ennemis naturels ont sérieusement réduit les plantations. Il y avait eu un déclin similaire à Porto Rico environ 10 ans avant le recul de l'industrie en Floride. Alors que les plantes isolées et quelques parcelles commerciales peuvent être fructueuses et avoir une longue durée de vie, les plantes dans certains champs peuvent atteindre 5 ou 6 pieds, donner une cueillette de fruits sous-dimensionnés et difformes, puis sont tellement affectées par les virus et autres maladies qu'elles doivent être détruites . Dans les années 1950, un entrepreneur italien, Albert Santo, importait des papayes à Miami par avion de Santa Marta, de Colombie, de Porto Rico et de Cuba pour les vendre localement ainsi que les expédier fraîches à New York, et il transformait également des quantités en jus ou en conserves dans son propre Usine de Miami. Comme il n'y a plus de telles importations, il y a une grave pénurie de papayes en Floride. L'afflux de résidents d'Amérique latine a augmenté la demande et de nouveaux producteurs tentent de la combler avec des souches relativement résistantes aux virus sélectionnées par le Centre de recherche et d'éducation agricoles de l'Université de Floride à Homestead. Aujourd'hui, la production commerciale réussie se situe principalement à Hawaï, en Afrique tropicale, aux Philippines, en Inde, à Ceylan, en Malaisie et en Australie, à l'exception de la production répandue mais à plus petite échelle en Afrique du Sud et en Amérique latine. La consommation annuelle de papaye à Hawaï est de 15 livres (6,8 kg) par habitant, mais 26 millions de livres (11 838 700 kg) de fruits frais ont été expédiés par fret aérien vers les États-Unis continentaux en 1974, principalement directement depuis Hilo ou via Honolulu. La production portoricaine ne répond pas à la demande locale et les fruits sont importés de République dominicaine pour être transformés. La papaye est l'un des principaux fruits du sud du Mexique et 40% de la récolte de ce pays est produite dans l'État de Veracruz sur 14 800 acres (6 000 ha) produisant 120 000 tonnes par an. Les fruits des plantes bisexuées sont généralement cylindriques ou piriformes avec une petite cavité de graines et une paroi épaisse de chair ferme qui résiste bien à la manipulation et à l'expédition. En revanche, les fruits des fleurs femelles sont presque ronds ou ovales et à paroi mince. Dans certaines régions, les types bisexuels sont les plus demandés. En Afrique du Sud, les papayes rondes ou ovales sont préférées.
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