Characterization of auxin-ethylene interactions during the tomato fruit development : role of Sl-IAA17 gene
Caractérisation des interactions auxine-éthylène pendant le développement du fruit de tomate : rôle du gène Sl-IAA17
Résumé
The interaction between auxin and ethylene are complex and control various processes of plant development, such as root elongation or differentiation of secondary roots. But there are few studies showing the role of interactions between these two hormones during development and maturation of the fruit. The color change in the tomato fruit is a feature of the maturation that is associated with the degradation of the chlorophyll and carotenoid accumulation. In this work, the application of exogenous auxin and ethylene showed the impact of these two hormones in the tomato ripening and in particular the change of fruit color. We have shown that indole-acetic acid (IAA) delays the transition from green to orange / red, while ethylene, supplied as 1-aminocyclopropane-1-carboxylic acid form (ACC), its precursor, accelerated this transition. However the auxin inhibition by p-chlorophenoxy isobutyic acid (PCIB), an auxin antagonist, caused the same effects similar to ethylene. The carotenoid analysis showed that the ACC and PCIB increase the lycopene content and reduced the carotene content while IAA causes the opposite effect. The study of the accumulation of mRNAs for several key genes of the carotenoid biosynthetic pathway has shown that the gene β-lcy encoding lycopene cyclase plays a key role in the control of biosynthesis and accumulation of pigments and that its expression is highly dependent on the auxin-ethylene balance. In addition, our results showed that the rin gene plays an important role in controlling the expression of the key carotenoid biosynthetic pathway genes. To get a better view of differentially expressed genes by auxin and ethylene during ripening, transcriptome analysis of fruits treated with ACC and IAA was performed by a preliminary RNA-Seq approach. Among the transcription factors studied in the laboratory, the gene Sl-IAA17, a member of the family of Aux/IAA was affected by auxin and ethylene. Functional characterization of Sl-IAA17 gene during fruit development was performed by creating transgenic lines under-expressing this gene by RNAi. These lines display a phenotype producing bigger fruit than wild type. Histological analysis of the tissues showed that fruit phenotype is associated with a thicker pericarp. By microscopy, we observed that increasing the thickness of the pericarp in the transgenic lines was not due to a greater number of cells but to the increase in cell size. Finally, we observed that cell expansion in transgenic fruit is tightly coupled with higher ploidy levels than wild fruits, suggesting a stimulation of the endoreduplication process. These results clearly demonstrate the existence of a close relationship between the auxin signal, the control cell size, fruit volume and the endoreduplication process. In conclusion, the results provide new insights into the interactions between auxin and ethylene during fruit development and in particular during the transition immature fruit, mature fruit. In addition, they provide new information on the understanding of the role of the signaling pathway of auxin in controlling the development of fleshy fruits and in particular on the basis of certain members of the AUX/IAA on regulating volume and fruit weight.
Les interactions entre l’auxine et l’éthylène sont complexes et contrôlent divers processus de développement des plantes tels que l’élongation racinaire ou la différentiation des racines secondaires. Mais, il existe peu d’études montrant le rôle des interactions entre ces deux hormones au cours du développement et de la maturation des fruits. Le changement de couleur des fruits chez la tomate est une caractéristique de la maturation qui est associée à la fois à la dégradation des chlorophylles et à l’accumulation des caroténoïdes. Dans ce travail, l’application exogène d’auxine et d’éthylène a montré l’impact de ces deux hormones sur la maturation de la tomate et en particulier sur le changement de couleur des fruits. Nous avons montré que l’acide indol-acétique (IAA) retarde la transition du vert à l’orange/rouge, alors que l’éthylène, apporté sous la forme d’acide 1-aminocyclopropane-1-carboxylique (ACC), son précurseur, accélère la coloration des fruits. Par contre, l’inhibition de l’auxine par le PCIB, un antagoniste de l’auxine, provoque les mêmes effets que l’éthylène. L’analyse des caroténoïdes montre que l’ACC comme le PCIB augmente la teneur en lycopène et diminue la teneur en carotène alors que l’IAA provoque l’effet inverse. L’étude de l’accumulation des ARNs messagers de plusieurs gènes clés de la voie de biosynthèse des caroténoïdes a montré que le gène β-lcy codant pour la lycopène cyclase joue un rôle clé dans le contrôle de la biosynthèse et de l’accumulation des pigments et que son expression est fortement dépendante de l’équilibre auxine-éthylène. D’autre part, nos résultats ont montré que le gène rin joue un rôle important dans le contrôle de l’expression des gènes clés de la voie de biosynthèse des caroténoïdes. Pour avoir une meilleure vision des gènes différentiellement exprimés par l’auxine et l’éthylène au cours de la maturation, l’analyse du transcriptome des fruits traités par de l’ACC et de l’IAA a été réalisée par RNA-Seq au laboratoire. Parmi les facteurs de transcriptions étudiés, le gène Sl-IAA17, un membre de la famille des AUX/IAA, est fortement affecté par l’auxine et l’éthylène. La caractérisation fonctionnelle du gène Sl-IAA17 pendant le développement du fruit a été réalisée en créant des lignées transgéniques sous exprimant ce gène en mettant en œuvre la stratégie des ARNs interférents. Ces lignées présentent un phénotype caractéristique produisant des fruits de plus gros calibre que celui des fruits sauvages. Les analyses histologiques des tissus des fruits ont montré que ce phénotype est associé à un péricarpe plus épais. En microscopie, nous avons constaté que l’augmentation de l’épaisseur du péricarpe dans les lignées transgéniques n’était pas due à un plus grand nombre de cellules mais à l’augmentation de la taille des cellules. Enfin, nous avons observé que l’expansion des cellules dans les fruits transgéniques est étroitement couplée avec des niveaux de ploïdie plus élevés que dans les fruits sauvages, ce qui suggère une stimulation du processus endoréduplication. Ces résultats démontrent très clairement l’existence d’une étroite relation entre la signalisation de l’auxine, le contrôle de la taille du volume cellulaire et le processus d’endoréduplication. En conclusion, les résultats présentés fournissent des connaissances nouvelles sur les interactions entre l’auxine et l’éthylène au cours du développement du fruit et en particulier au cours de la transition fruit immature - fruit mature. De plus, ils apportent des éléments nouveaux sur la connaissance du rôle de la voie de signalisation de l’auxine dans le contrôle du développement des fruits charnus et en particulier sur la fonction de certains membres des AUX/IAA sur la détermination du volume et du poids des fruits.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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