Déterminisme génétique de la plasticité de la composition protéique des graines de légumineuses vis-à-vis de l’environnement : rôle du métabolisme du soufre - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Genetic determinism of the plasticity of legume seed protein in different environments : role of sulfur metabolism

Déterminisme génétique de la plasticité de la composition protéique des graines de légumineuses vis-à-vis de l’environnement : rôle du métabolisme du soufre

Kévin Cartelier
  • Fonction : Auteur
  • PersonId : 1241603
  • IdRef : 256028435

Résumé

The renewed interest in plant proteins has stimulated research aimed at developing markers to aid in the selection of legume varieties better adapted to nutritional needs. Among the traits to be improved and stabilized is the amino acid balance of seeds, the essential amino acids methionine and tryptophan being particularly under-represented in legume seeds. This thesis focuses on seed protein composition, which is a major determinant of the seed amino acid balance. The objective was to explore the genetic and environmental variability in this trait and to identify genes potentially involved in its plasticity when subjected to environmental stresses. In the first part of the thesis, the protein composition of seeds from 200 Medicago truncatula genotypes cultivated in four contrasted environments (sufficient water supply, water stress, and two time-shifted sowing) was analyzed by one-dimensional electrophoresis. The plasticity indices calculated for each protein band made it possible to identify, by genome-wide association studies (GWAS), sequence polymorphisms associated with variations in the plasticity of the major storage proteins, the 7S and 11 globulins. The list of candidate genes is enriched in genes related to transcription, DNA repair and signal transduction. Other over-represented genes are involved in sulfur and aspartate metabolism leading to the synthesis of methionine and lysine. By exploiting publicly available expression datasets in Medicago truncatula, and by localizing these genes in the corresponding metabolic pathways, we discovered that methionine recycling pathways are likely to contribute to the plasticity of seed protein composition. This recycling involves the homocysteine S-methyltransferase 3 enzyme that regenerates methionine from S-methylmethionine, a long-distance transport form of methionine in the phloem. This part of the thesis has led to the identification of new genes to be targeted to improve and stabilize the amount of sulfur amino acids in seeds, opening prospects for translational research aimed at improving the quality of seeds in protein crops such as pea.The second part of the thesis aimed at exploring the variability of response of a collection of pea ecotypes to sulfur deficiency, at the levels of yield components and of seed protein composition, and to identify by GWAS genes potentially involved in this variability of response. Two experiments were carried out in two successive years with respectively 304 and 198 genotypes developed under two conditions: sufficient or deficient in sulfur. Since both year effect and sulfur deficiency effect were significant on the variables, plasticity indices reflecting the amplitude of the sulfur deficiency response were calculated for each variable. The results obtained by GWAS have revealed candidate genes for controlling the protein composition of seeds in low sulfur environments. Several are associated with transport mechanisms (e.g. amino acids) and post-translational regulation, while others play a role in sulfur metabolism or in the cross-talk between nitrogen and sulfur metabolisms. This work has shed light on pea genes that might control the nitrogen and sulfur status of seeds, and thus modulate the balance between the 7S and 11S globulins. The same GWAS approach conducted on yield component traits has led to the proposal of relevant candidate genes in particular for seed weight control. Altogether, these results offer prospects for varietal improvement to stabilize yield and the protein composition of legume seeds in fluctuating environments, in particular for the availability of sulfur.
Le regain d’intérêt pour les protéines végétales stimule les recherches visant à développer des marqueurs d’aide à la sélection de variétés de légumineuses mieux adaptées aux besoins nutritionnels. Parmi les caractères à améliorer et à stabiliser est l’équilibre en acides aminés des graines, les acides aminés essentiels méthionine et tryptophane étant particulièrement sous-représentés dans les graines de légumineuses. Cette thèse est centrée sur la composition protéique des graines, un déterminant majeur de l’équilibre en acides aminés. L’objectif était d’explorer la variabilité génétique et environnementale de ce caractère et d’identifier des gènes potentiellement impliqués dans sa plasticité vis-à-vis de l’environnement.Dans le premier volet de la thèse, la composition protéique des graines de 200 génotypes de Medicago truncatula cultivés dans quatre environnements contrastés (apport suffisant en eau, stress hydrique, et deux semis décalés) a été analysée par électrophorèse mono-dimensionnelle. Les indices de plasticité calculés pour chaque bande protéique ont permis d’identifier, par génétique d’association à l’échelle du génome (GWAS), des polymorphismes de séquence associés à des variations de plasticité des protéines de réserve majeures, les globulines 7S et 11S. La liste des gènes candidats est enrichie en gènes liés à la transcription, à la réparation de l'ADN et à la transduction du signal. D’autres gènes sur-représentés sont impliqués dans les métabolismes du soufre et de l'aspartate conduisant à la synthèse de méthionine et de lysine. En exploitant des données d’expression publiquement disponibles chez Medicago truncatula, et en replaçant ces gènes dans les voies métaboliques correspondantes, nous avons découvert l'importance des voies de recyclage de la méthionine dans le contrôle de la plasticité de la composition protéique des graines. Ce recyclage fait intervenir l’enzyme homocystéine S-méthyltransférase 3 impliquée dans la régénération de méthionine à partir de S-méthylméthionine, une forme de transport de méthionine dans le phloème. Cette section de la thèse a fait émerger de nouveaux gènes à cibler pour améliorer et stabiliser le contenu en acides aminés soufrés, ouvrant des perspectives de recherches translationnelles visant à améliorer la qualité des graines de protéagineux comme le pois. Le second volet de la thèse avait pour objectifs d’explorer la variabilité de réponse d’une collection d’écotypes de pois à une carence en soufre, aux niveaux des composantes de rendement et de la composition protéique des graines, et d’identifier par GWAS des gènes potentiellement impliqués dans cette variabilité de réponse. Deux expériences ont été conduites deux années successives avec respectivement 304 et 198 génotypes développés dans deux conditions : apport suffisant ou carencé en soufre. L’effet année et l’effet de la carence en soufre étant significatifs sur les variables étudiées, des indices de plasticité reflétant l’amplitude de réponse vis-à-vis d’une carence en soufre ont été calculés pour chaque variable. Les résultats obtenus par GWAS ont mis en évidence des gènes candidats pour contrôler la composition protéique des graines dans les environnements pauvres en soufre. Plusieurs sont associés aux mécanismes de transport (ex. d’acides aminés) et de régulation post-traductionnelle, tandis que d’autres jouent un rôle dans le métabolisme du soufre ou sont au carrefour entre les métabolismes azotés et soufrés. Ce travail a permis de mettre en lumière des gènes de pois susceptibles de contrôler le statut azoté et soufré des graines, et ainsi de moduler l’équilibre entre les globulines 7S et 11S. La même approche GWAS menée au niveau des composantes de rendement a conduit à proposer des gènes candidats pertinents en particulier pour le contrôle du poids d’une graine.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-04047141 , version 1 (27-03-2023)

Identifiants

  • HAL Id : tel-04047141 , version 1

Citer

Kévin Cartelier. Déterminisme génétique de la plasticité de la composition protéique des graines de légumineuses vis-à-vis de l’environnement : rôle du métabolisme du soufre. Sciences agricoles. Université Bourgogne Franche-Comté, 2021. Français. ⟨NNT : 2021UBFCK012⟩. ⟨tel-04047141⟩
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