Biological, physiological and molecular characterizations of desiccation of somatic and zygotic larch embryos. Analysis of the consequences in terms of seed quality.
Caractérisations biologique, physiologique et moléculaire de la déshydratation des embryons somatiques et zygotiques de mélèze. Analyse des conséquences en termes de la qualité des graines.
Résumé
Environmental variations have a negative impact on larch seed production, limiting the number of seedlings available. To counter this, two options are being considered (1) in vitro vegetative propagation by somatic embryogenesis, (2) optimizing seed harvesting while respecting their level of maturity. To implement these options, it is essential to focus on the final stage of maturation i.e. desiccation. This latter plays a key role in the final quality and germination of somatic embryos (SE) and seeds. During my thesis, I studied desiccation in hybrid larch (1) by assessing the response of SE and comparing them with zygotic embryos (ZE), (2) by characterizing seeds harvested between 2014 and 2021, at different dates, before or after drying. For ES, a multi-scale analytical approach (biology, biochemistry, histology and proteomics) was carried out to obtain a quantitative and qualitative inventory of the changes occurring during this process. Desiccation of SE under high relative humidity (RH) (98%) resulted in improved germination, reduction of abscisic acid content and histological changes, confirming the results of starch analyses. However, this treatment did not reduce water content to a level equivalent to that of EZ, unlike dehydration under reduced RH (59%). Moreover, the latter had a negative impact on the cell structure and germination of ES. Nevertheless, a treatment combining the two desiccations successively minimized the negative effects of desiccation under reduced RH, while decreasing the water content of SE. Proteomic analyses suggest that desiccation, whatever the RH, induces a modification of the protein profile marked by an increase in the abundance of stress response proteins and a decrease in those involved in SE development. For seeds, the maturation period was mainly marked by partial desiccation and little change in their storage composition. The latter is mainly impacted by the year of harvest, and less by the genotype and harvest date. This opens up the possibility of early harvesting of the seeds without affecting their quality. The markers identified and associated with maturity were water activity and carbohydrate profile. However, in the proteomes, partial desiccation of the seeds led to the activation of primary protein and carbohydrate metabolism, the induction of stimulus responses and the activation of processes involved in the organization of cellular organelles. In the proteomes, seed drying involved modification of metabolic processes and activation of processes linked to the reorganization of cellular components. To provide tools facilitating characterizing of SE and seeds, calibration models based on infrared spectrometry were successfully developed for the first time. These calibration models enable quantitative prediction of biochemical composition and discrimination according to ripening time. All these results contribute to a better understanding of the desiccation of larch SE and seeds.
Les variations de l'environnement impactent négativement la production de graines de mélèze, ce qui limite l'obtention de plants. Pour y faire face, deux options sont envisagées (1) la multiplication végétative in vitro par embryogenèse somatiques, (2) l'optimisation de la récolte des graines en respectant leur état de maturité. Pour mettre en œuvre ces possibilités, il est indispensable de s'intéresser à l'étape finale de la maturation, la déshydratation. Celle-ci joue un rôle clé sur la qualité finale et la germination des embryons somatiques (ES) et des graines. Au cours de ma thèse, j'ai étudié la déshydratation chez le mélèze hybride (1) en évaluant la réponse des ES et en les comparant aux embryons zygotiques (EZ), (2) en caractérisant les graines récoltées entre 2014 et 2021, à différentes dates, avant ou après séchage. Concernant les ES, une approche analytique multi-échelles (biologie, biochimie, histologie, et protéomique) a été réalisée pour avoir un inventaire quantitatif et qualitatif des modifications survenant lors ce processus. Une déshydratation des ES sous humidité relative (HR) élevée (98%) a entrainé l'amélioration de la germination, la réduction de la teneur en acide abscissique et des modifications histologiques confirmant les résultats des analyses d'amidon. Mais, ce traitement n'a pas permis de réduire la teneur en eau à un niveau équivalent à celui des EZ, contrairement à une déshydratation sous faible HR (59%). Toutefois, cette dernière impacte négativement la structure cellulaire et la germination des ES. Néanmoins, un traitement combinant successivement les deux déshydratations a permis de minimiser les effets négatifs de la déshydratation sous faible HR tout en réduisant la teneur en eau des ES. Les analyses protéomiques suggèrent que la déshydratation, quel que soit l'HR, induit une modification du profil protéique marquée par l'augmentation de l'abondance des protéines de réponses au stress et la diminution de celles impliquées dans le développement des ES. Pour les graines, la période de maturation était principalement marquée par leur déshydratation partielle et une faible évolution de leur composition en réserves. Cette dernière est surtout impactée par l'année de récolte, et moins par le génotype et la date de récolte. Cela ouvre ainsi la possibilité d'une récolte anticipée des graines sans incidence sur leur qualité. Les marqueurs identifiés et associés à leur maturité étaient l'activité de l'eau et le profil des glucides. Néanmoins, la déshydratation partielle des graines entrainait dans les protéomes l'activation du métabolisme primaire des protéines et des glucides, l'induction des réponses à un stimulus et l'activation de processus impliqués dans l'organisation des organites cellulaires. Le séchage des graines impliquait dans les protéomes une modification de processus métaboliques et l'activation de processus liés à la réorganisation des composants cellulaires. Afin de disposer d'outils facilitant la caractérisation des ES et des graines, des modèles de calibration en spectrométrie infrarouge ont été développés avec succès et pour la première fois. Ces modèles de calibration permettent la prédiction quantitative de la composition biochimique et la discrimination selon le temps de maturation. L'ensemble des résultats contribue à une meilleure compréhension de la déshydratation des ES et des graines de mélèze.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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