Le blé tendre, Triticum aestivum, représente une grande ressource dans l’alimentation humaine mais également dans l’industrie. En conséquence, la taille finale du grain de blé constitue une cible privilégiée des programmes de sélections variétales. Pour ces raisons, comprendre les mécanismes moléculaires qui contrôlent le développement du grain, en particulier lors des phases précoces de la mise en place des structures cellulaires et leur remplissage par des réserves, constitue un enjeu majeur. Le développement du grain de blé est un processus complexe qui nécessite l’intervention séquentielle ou combinée d’un très grand nombre de gènes et de voies métaboliques. Parmi ces voies, le métabolisme carboné (en particulier celui du saccharose), les voies de signalisation par les hormones et la voie Ubiquitine / Protéasome 26S (UPS) semblent jouer un rôle déterminant dans la taille finale et donc le rendement en grain chez les céréales. Pour étudier le développement du grain de blé tendre, des plantes de la variété Récital ont été cultivées en serre dans des conditions optimales sans contraintes. Les grains ont été récoltés à onze stades de développement après floraison, allant de 40°CJ (soit deux jours après floraison) à 500°CJ (soit 25 jours après floraison). Les ARN totaux ont été extraits à partir de ces grains et utilisés pour analyser l’expression des gènes par une approche transcriptomique, soit en utilisant une lame « dédiée », soit en utilisant une lame Nimblegen comprenant 39 179 gènes. Une analyse différentielle utilisant le test LIMMA a permis d’identifier 9284 gènes différentiellement exprimés. L’analyse globale de ces gènes a montré que des modifications transcriptionnelles majeures ont lieu entre les stades 80 et 120 °CJ ainsi qu’entre 220 et 240°CJ. La répartition de ces 9284 en 10 clusters, en fonction de leurs profils d’expression, permet d’identifier les gènes activés en début de la phase de division cellulaire chez le grain, ceux activés pendant la phase de remplissage et ceux présentant un profil dit en « cloche ». Parmi les gènes différentiellement exprimés, nous nous sommes intéressés à ceux qui codent pour des E3 ligases impliquées dans la voie UPS et aux gènes relatifs à 7 hormones végétales (auxine, acide abscissique, acide jasmonique, brassinostéroïdes, cytokinines, gibbérellines et éthylène). Nous avons alors identifié 173 gènes codant pour des E3 ligases (dont certaines sont également des récepteurs hormonaux) et 126 gènes impliqués dans les voies hormonales. Un modèle global décrivant la chronologie d’intervention de ces gènes a été proposé. La majorité des gènes E3 de type SCF (SKP1-Cullin-Fbox), APC/C, Cul3-BTB et Ubox interviendrait dans les phases précoces du développement du grain de blé. Parallèlement, la majorité des gènes relatifs à l’auxine, à l’acide jasmonique et aux brassinostéroïdes interviendrait lors des phases de divisions cellulaires alors que les gènes relatifs à l’éthylène et à l’acide abscissique interviendraient dans les phases de remplissage. Par ailleurs, une méta-analyse a été réalisée et a permis d’identifier 26 gènes candidats codants pour des E3 ligases ainsi que de 12 gènes candidats impliqués dans les voies hormonales qui seraient préférentiellement exprimés dans l’albumen, un tissu du grain à haute valeur agro-économique. Le modèle proposé et l’identification de ces gènes candidats établissent un cadre pour de futures études visant à comprendre les mécanismes moléculaires contrôlant le développement du grain de blé. / Wheat grain is an important source of food, feed, and industrial raw materials, but current production levels cannot meet world needs. Elucidation of the molecular mechanisms underlying wheat grain development will contribute valuable information to improving wheat cultivation. One of the most important mechanisms implicated in plant developmental processes is the Ubiquitin-Proteasome System (UPS). Among several implications of the UPS, it has become clear that it plays an essential role in hormone signaling. In particular E3 ubiquitin ligases, from the UPS, have been demonstrated to play critical roles in hormone perception and signal transduction. During these work, wheat cv. Recital were grown in optimum growth conditions. By comparing eleven consecutive time-points from 40°CJ (2 days after anthesis) to 500°CJ (around 25 days after anthesis), 9284 differentially expressed genes were identified during this study. A comparison of these genes in terms of time revealed dynamic transcript accumulation profiles with major re-programming events that occurred during the time intervals of 80-120°Cdays and 220-240°Cdays. The gene expression comparison allows observing genes potentially involved in cell division or grain filling stage. An emphasis was made on the E3 ligases and hormone-related genes (Abscisic acid, Auxin, Brassinosteroid, Cytokinine, Gibberellic acid, Ethylene and Jasmonic acid). 173 E3 ligase coding genes and 126 hormone–related genes were found to be differentially expressed during the cell division and grain filling stages, with a different expression profile for each family. A model describing the timing of the involvement of these genes is proposed to provide a framework for the design of future experiments and for the identification of genes and pathways for further characterization. A majority of the E3 SCF (SKP1-Cullin-F-box), APC/C, Cul3-BTB and Ubox are found expressed in early wheat developmental stages (cell division stage). A majority of auxin, jasmonic acid and brassinostéroïde related genes were found to be up-regulated in early wheat developmental stages while ethylene and abscisic acid related genes were found to be activated during grain filling stage. The differential expression of genes involved in E3 ligase pathways and plant hormone signalling suggested that phytohormones and UPS crosstalk might play a critical role in the wheat grain developmental process. A meta-analysis of these genes led to the identification of 26 E3 ligase candidate genes and 12 hormones-related candidate genes that are preferentially expressed in the endosperm. The functional model that we proposed and the identification of candidate genes should help to better understand wheat grain development.

Le blé tendre, Triticum aestivum, est une des céréales les plus cultivées au monde et est d'une importance considérable pour l'alimentation humaine, fournissant environ un cinquième des calories consommées par l'Homme. Le rendement en grain chez les céréales dépend majoritairement du nombre et de la taille des grains. Chez le riz (Oryza sativa), le gène GW2 a été isolé dans un locus à effet quantitatif majeur pour la taille et le poids du grain. Ce gène code pour une enzyme E3 ligase de type RING, qui régule négativement la taille et le poids du grain de riz. L'homologue de GW2 chez le blé tendre, le gène TaGW2, est exprimé par trois copies TaGW2-A,TaGW2-B et TaGW2-D, portées par chacun des génomes homéologues A, B et D. Les trois copies présentent des profils d'expression distincts au cours du développement du grain. TaGW2-A a été cartographié dans une région de QTLs pour le rendement, sur le chromosome 6AS ; et du polymorphisme dans sa séquence promotrice et intronique a été retrouvé associé au poids de 1000-grains dans une core collection mondiale de blé tendre. Afin de rechercher la fonction de TaGW2, l'extinction stable des trois copies TaGW2 a été entreprise par ARN interférence. De manière surprenante, les plantes transgéniques montrent des réductions significatives des dimensions et du poids du grain de blé (- 22,5 et - 30% du volume et de la masse du grain, respectivement), ainsi que du nombre de cellules de l'albumen (- 25%), comparé aux plantes témoins dans nos conditions ; suggérant que TaGW2 est un régulateur positif de la taille finale du grain chez le blé tendre. La protéine TaGW2-A a été caractérisée aux niveaux moléculaire et biochimique : elle est une E3 ubiquitine ligase fonctionnelle in vitro, et s'accumule dans la cellule au niveau du nucléole, du nucléoplasme et du cytoplasme. Sa fonction E3 ligase semble notamment influencer sa localisation subcellulaire. Afin de déterminer la ou les voie(s) de signalisation dans la(es)quelle(s) intervient TaGW2, une banque ADNc de grains de blé a été construite et criblée par double-hybride avec 320 acides aminés de la protéine TaGW2-A. Les premiers interacteurs potentiels identifiés suggèrent d'une part un rôle de TaGW2 dans la régulation de la division cellulaire, et d'autre part une fonction E3 Nedd8 ligase, en plus de son activité E3 ligase.

La dureté du grain de blé est un des paramètres fondamentaux de la texture de l'albumen. Ce caractère, essentiel pour la valeur d'utilisation des farines, est fortement lié à l'absence ou à la modification des puroindolines. Afin de mieux comprendre la fonction biologique de ces protéines dans le grain de blé (Triticum aestivum L.), nous avons étudié à quatre stades de développement du grain la localisation subcellulaire des puroindolines par immunocytochimie et les protéomes dans deux lignées de blé quasi-isogéniques pour la dureté. Dès la fin de la cellularisation de l'albumen, les puroindolines sont localisées sur la face interne des membranes vésiculaires et dans les corps protéiques en formation, structures dans lesquelles s'accumulent les protéines de réserve du grain. L'analyse par AFFFF (Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation) des deux lignées Hard et Soft, qui diffèrent essentiellement par l'absence du gène Pina dans la lignée Hard, a montré une corrélation entre la dureté et la taille des polymères de protéines de réserve. L'analyse protéomique des fractions albumines/globulines et amphiphiles des grains en développement a révélé une augmentation des protéines de la machinerie de repliement et de réponse au stress dans la lignée Hard, par rapport à la lignée Soft. Les deux approches méthodologiques utilisées semblent également mettre en évidence une cinétique de développement du grain raccourcie dans la lignée Hard. Ces observations suggèrent que les puroindolines interagissent avec les protéines de réserve du grain et suivent le même routage cellulaire. Elles pourraient être impliquées dans les mécanismes de repliement et d'assemblage des prolamines.

Le blé tendre, Triticum aestivum, est une des céréales les plus cultivées au monde et est d’une importance considérable pour l’alimentation humaine, fournissant environ un cinquième des calories consommées par l’Homme. Le rendement en grain chez les céréales dépend majoritairement du nombre et de la taille des grains. Chez le riz (Oryza sativa), le gène GW2 a été isolé dans un locus à effet quantitatif majeur pour la taille et le poids du grain. Ce gène code pour une enzyme E3 ligase de type RING, qui régule négativement la taille et le poids du grain de riz. L’homologue de GW2 chez le blé tendre, le gène TaGW2, est exprimé par trois copies TaGW2-A,TaGW2-B et TaGW2-D, portées par chacun des génomes homéologues A, B et D. Les trois copies présentent des profils d’expression distincts au cours du développement du grain. TaGW2-A a été cartographié dans une région de QTLs pour le rendement, sur le chromosome 6AS ; et du polymorphisme dans sa séquence promotrice et intronique a été retrouvé associé au poids de 1000-grains dans une core collection mondiale de blé tendre. Afin de rechercher la fonction de TaGW2, l’extinction stable des trois copies TaGW2 a été entreprise par ARN interférence. De manière surprenante, les plantes transgéniques montrent des réductions significatives des dimensions et du poids du grain de blé (- 22,5 et - 30% du volume et de la masse du grain, respectivement), ainsi que du nombre de cellules de l’albumen (- 25%), comparé aux plantes témoins dans nos conditions ; suggérant que TaGW2 est un régulateur positif de la taille finale du grain chez le blé tendre. La protéine TaGW2-A a été caractérisée aux niveaux moléculaire et biochimique : elle est une E3 ubiquitine ligase fonctionnelle in vitro, et s’accumule dans la cellule au niveau du nucléole, du nucléoplasme et du cytoplasme. Sa fonction E3 ligase semble notamment influencer sa localisation subcellulaire. Afin de déterminer la ou les voie(s) de signalisation dans la(es)quelle(s) intervient TaGW2, une banque ADNc de grains de blé a été construite et criblée par double-hybride avec 320 acides aminés de la protéine TaGW2-A. Les premiers interacteurs potentiels identifiés suggèrent d’une part un rôle de TaGW2 dans la régulation de la division cellulaire, et d’autre part une fonction E3 Nedd8 ligase, en plus de son activité E3 ligase. / Wheat, Triticum aestivum, is one of the world’s major cereal crops and is of considerable importance to human nutrition, supplying one-fifth of the calories consumed by humans. For important food crops such as wheat, rice and maize, grain yield mainly depends on grain number and size. In rice (Oryza sativa), GW2 was isolated from a major quantitative trait locus for grain size and weight, and encodes an E3 RING ligase that negatively regulates these yield components. Wheat has TaGW2 homologs in A, B and D genomes; and copies show distinct expression pattern during whole grain development in wheat. TaGW2-A was mapped in a genomic region on 6AS, encompassing previous reported QTLs for yield; and polymorphisms in TaGW2-A (promoter and intron 7) were associated with thousand-grain weight, in a worldwide wheat core collection. To investigate TaGW2 function, RNA interference was used to down-regulate TaGW2 transcripts levels. Surprisingly, transgenic wheat lines significantly showed decreased grain weight and size-related dimensions, and endosperm cell number compared to controls. The present study thus suggests that TaGW2 is a positive regulator of the final grain size in wheat, conversely to GW2 in rice. Biochemical and molecular analyses of the protein TaGW2-A revealed that 1) TaGW2-A is a functional E3 ubiquitine ligase in vitro, 2) TaGW2-A accumulates in the nucleolus, the nucleoplasm, and the cytosol, 3) E3 ubiquitine ligase activity seems to impact TaGW2-A subcellular localization. To investigate the TaGW2 signalling pathway(s), cDNA library from whole wheat grains was built and screened with the bait protein TaGW2(1-320). Preliminary results from the interactomic study suggest that TaGW2 may regulate cell division. Moreover, TaGW2 may also function as an E3 Nedd8 ligase, besides its E3 ubiquitin ligase function.

La dureté du grain de blé est un des paramètres fondamentaux de la texture de l’albumen. Ce caractère, essentiel pour la valeur d’utilisation des farines, est fortement lié à l’absence ou à la modification des puroindolines. Afin de mieux comprendre la fonction biologique de ces protéines dans le grain de blé (Triticum aestivum L.), nous avons étudié à quatre stades de développement du grain la localisation subcellulaire des puroindolines par immunocytochimie et les protéomes dans deux lignées de blé quasi-isogéniques pour la dureté. Dès la fin de la cellularisation de l’albumen, les puroindolines sont localisées sur la face interne des membranes vésiculaires et dans les corps protéiques en formation, structures dans lesquelles s’accumulent les protéines de réserve du grain. L’analyse par AFFFF (Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation) des deux lignées Hard et Soft, qui diffèrent essentiellement par l’absence du gène Pina dans la lignée Hard, a montré une corrélation entre la dureté et la taille des polymères de protéines de réserve. L’analyse protéomique des fractions albumines/globulines et amphiphiles des grains en développement a révélé une augmentation des protéines de la machinerie de repliement et de réponse au stress dans la lignée Hard, par rapport à la lignée Soft. Les deux approches méthodologiques utilisées semblent également mettre en évidence une cinétique de développement du grain raccourcie dans la lignée Hard. Ces observations suggèrent que les puroindolines interagissent avec les protéines de réserve du grain et suivent le même routage cellulaire. Elles pourraient être impliquées dans les mécanismes de repliement et d’assemblage des prolamines. / Wheat grain hardness, a major trait for endosperm texture and flour end-use properties, is strongly associated to absence or modification of puroindolines. To gain insight into biological function of those proteins in bread wheat kernel (Triticum aestivum L.), puroindolines’ subcellular localization was sought by immunocytochemistry and proteomes were analyzed at four stages of developing kernels in two near-isogenic lines for hardness, differing mainly in the absence of Pina in the Hardline. As early as the end of endosperm cellularisation, puroindolines were localized onto vesicular membranes and into protein bodies, where storage proteins accumulate. Using AFFFF (Asymmetrical Flow Field-Flow Fractionation), we observed a correlation between hardness and storage protein polymer size. Proteomic analyses of the albumin/globulin and amphiphilic fractions revealed an increase in folding and stress-related proteins in the Hard line, as compared to the Soft one. Both ultrastructural and proteomic studies suggested also that the Hard/Soft genotype affects the kinetics of kernel development. These lines of evidence imply that puroindolines interact with storage proteins and display the same routage. Puroindolines could therefore be involved in prolamines folding and assembly mechanisms.