Seed development, germination and dormancy, considered as the most important phenomena in seeds, are regulated by several plant hormones; gibberellin (GA) and abscisic acid (ABA) being the major players acting antagonistically. The regulation of these seed related processes by GA and ABA is dependent partly on the endogenous levels of the two hormones, which in turn are determined by the balance between their biosynthesis and catabolism. This thesis investigated the spatial and temporal expression patterns of several members of the GA and ABA biosynthetic and catabolic gene families during grain development using a non-dormant cultivar and during imbibition using grains collected from dormant and non-dormant cultivars of barley. In addition, the thesis examined the effect of exogenous ABA treatment, and after-ripening of seeds collected from dormant cultivars on the expression patterns GA and ABA metabolism genes during grain development and imbibition, respectively. The results suggest that specific members of the gene families related to the metabolic pathways of the two hormones exhibit distinct spatial and temporal roles in the regulation of barley grain development, dormancy and germination. / October 2015

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.

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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.

Le blé est la seconde céréale la plus produite dans le monde. Il constitue une importante source de denrées alimentaires et de beaucoup d’autres usages industriels. La compréhension des mécanismes impliqués dans le développement du grain de blé est fondamentale pour développer des blés à valeur ajoutée. La physiologie du grain de blé et les mécanismes moléculaires impliqués dans son développement nécessitent d’être mieux connus et ces connaissances pourront être très utiles pour l’amélioration du blé mais aussi des autres céréales. L’approche protéomique a été aussi utilisée dans ce contexte mais aucun travail n’avait jusqu’ici été réalisé sur la totalité des phases de développement des tissus et sur des intervalles de temps très courts. La caractérisation des changements d’expressions protéiques dans les couches périphériques du grain et de l’albumen est présentée dans cette étude. Nous avons utilisé les grains de Triticum aestivum de la variété Récital, cultivés à l’INRA de Clermont-Ferrand. Les grains ont été prélevés tous les 50°C jour (°Cj) depuis la fécondation jusqu’à la maturité sur 15 stades de développement pour les couches périphériques et sur 21 stades pour l’albumen amylacé. Pour chaque échantillon, les couches périphériques des grains ont été disséquées et les protéines totales extraites. L’analyse des protéines en électrophorèse bidimensionnelle puis par spectrométrie de masse MALDI-TOF a permis d’identifier via l’interrogation des bases de données, 207 protéines différentiellement exprimées sur 15 stades de développement (0°Cj-700°Cj). Ces protéines ont ensuite été classées en 16 classes fonctionnelles. L’analyse en cluster a révélé 5 profils d’expression au cours du temps. Parallèlement, l’albumen amylacé a été isolé des grains et les protéines métaboliques de ce tissu extraites. Après électrophorèse bidimensionnelle des protéines, 487 protéines variant significativement dans l’albumen sur l’ensemble des stades de développement (0°Cj-1006°Cj) ont été identifiées par utilisation de la LC-MS. Les protéines ont été réparties sur neuf profils d’expression et 17 fonctions biochimiques. Le protéome des couches périphériques a ensuite été comparé au protéome de l’albumen dans le but de comprendre si l’évolution des processus biochimiques diffère dans chacun de ces tissus. Au final, nous avons optimisé l’intégration des données protéomiques avec celles du transcriptome (en se focalisant sur les protéines du métabolisme carboné). Seulement 32% des profils d’expression protéome/transcriptome montrent une corrélation significative au cours du développement (152°Cj-700°Cj). Les profils d’expression des enzymes ont été comparés sur les deux niveaux. Ils devraient permettre de distinguer les processus régulés au niveau du transcriptome de ceux régulés au niveau du protéome. L’ensemble de ces données pourra être compilé dans une base de données propre de la variété Récital et utilisé comme référence dans l’étude des maladies et des stress abiotiques des tissus du grain de blé en développement. / Wheat is the second most produced cereal in the world, important for food, feed and many industrial uses. Understanding of the mechanisms involved in grain development is fundamental for developing high quality wheat. In particular, detailed knowledge of the wheat grain physiology and molecular mechanisms involved in its development would help in breeding not only of wheat but also many other cereals. A proteomic approach has been used in this context but, up to now, there had been no work on developing tissues at very short temporal distances. This thesis presents, firstly, a proteomic study to characterize protein expression changes in peripheral layers and in starchy endosperm of wheat, during kernel development. We used grains of Triticum aestivum cv Récital, cultivated at INRA, Clermont-Ferrand. Grains were harvested at each 50°Cd from fertilization to maturity at fifteen stages for peripheral layers and at twenty-one stages for starchy endosperm. After grain dissection, protein extraction and 2DE- MALDI-TOF MS and data mining, we identified 207 differentially expressed proteins at fifteen stages (0°Cd-700°Cd) of peripheral layers during kernel development. These proteins were then classed in sixteen different functional classes. HCA revealed five different expression profiles during development. Similarly after obtaining starchy endosperm from dissected grains, we performed protein extraction specific to metabolic proteins. After 2DE, 487 proteins were identified from fertilization to grain maturity (0°Cd-1006°Cd), using LC-MS and data mining. Proteins were grouped in nine different expression profiles and were classed in seventeen biochemical functions. We have constructed proteome maps of these two important grain tissues during kernel development. Further, the comparison of peripheral layers and starchy endosperm proteomic data was made, with an objective to understand whether the changes in different biochemical processes differ between these tissues.Finally, we performed an integration of our proteomic data (focusing our approach on proteins involved in carbohydrate metabolism) with that of transcriptomics. Only 32% of proteome/transcriptome expression profiles showed a significant correlation during development (from 152°Cd-700°Cd). Comparison of enzyme expression profiles with those of proteome and transcriptome would help to distinguish the processes regulated at transcriptome level and those controlled at the proteome level. This comprehensive grain development data could further help in construction of a Récital databank, which may be used as reference for studies of diseased and stressed grain tissues during development.

Black point of barley grain refers to a discolouration of the embryo end of the grain. Historically black point has been proposed to be due to fungal colonisation of the grain. However, Koch’s postulates have yet to be satisfied. The discolouration occurs during grain fill in response to high humidity or rainfall during the grain filling period. In wheat, which is also affected by black point, the discolouration has been proposed to be due to the oxidation of phenolic acids within the grain to form discoloured end products. Within this study, two approaches were investigated in order to understand the proteins and genes associated with this disorder. Firstly, a proteomics approach enabled the identification of individual proteins associated with black point. Two-dimensional gel electrophoresis was used to compare the proteome of the husk and whole grain tissue of mature black pointed and healthy grain. Very little watersoluble protein was extracted from the husk tissue. However, a significantly larger amount of protein was extracted using a salt extraction buffer, indicating the husk proteins were mostly cell wall bound. Due to the effect of residual salt and low protein concentrations these proteins were not conducive to analysis using two-dimensional gel electrophoresis. Further experiments using acid hydrolysis of the husk tissue and subsequent amino acid analysis revealed that the proteins were bound to the husk cell walls via covalent bonds. In contrast, large quantities of protein were obtained from the whole grain samples. This allowed statistically significant comparisons to be made between gels from healthy and black pointed grains. Two proteins were identified as being more abundant in black pointed grains. Mass spectrometry identified these as isoforms of barley grain peroxidase 1 (BP1). In addition, three proteins were identified as being more abundant in healthy grain. Mass spectrometry revealed these to be isoforms of the same protein with sequence similarity to a partial EST sequence from barley. Using 3' RACE the entire coding sequence of the gene was isolated which revealed that it encoded a novel putative late embryogenesis abundant (LEA) protein. Northern blot analysis was performed for BP1 and LEA and showed that gene expression differences could not account for the differences seen in protein quantities. Western blot analysis revealed that the LEA protein was biotinylated in vivo which is consistent with similar LEA proteins from other plant species. To further understand the role of these proteins in black point, antibodies were raised against the two proteins. Subsequent immunolocalisation studies indicated BP1 was present throughout all tissues of the grain whilst LEA was most abundant in the embryo and aleurone tissue. The second major area of investigation within this thesis was to further delineate the previously identified quantitative trait loci (QTL) associated with black point in barley. Previous studies have reported QTL for black point and kernel discolouration in both barley and wheat. Comparison of the published QTL revealed a locus on the short arm of chromosome 2H to be of particular interest. To identify genes underlying this QTL the genomes of barley, wheat and rice were compared. An in silico approach showed that the QTL shared macro-synteny with rice chromosomes 4 and 7. From the rice genome sequence, barley ESTs with sequence similarity were selected. In total, 20 ESTs were selected based on two main criteria: their putative role in black point and also being evenly spread across the region of the QTL length. These QTL were mapped within the Alexis x Sloop double haploid population. This approach revealed that there was some conservation of synteny but also identified clear boundaries where synteny between barley and rice had been lost since divergence. Significantly, the additional markers mapped to this region have enabled the initial black point QTL to be reduced from approximately 30cM to 20cM. In conclusion, this study has added significant knowledge our understanding of the genetics of black point in barley through the use of two approaches. The proteomics approach has aided in understanding the biochemical processes occurring within the grain in response to black point. The comparative genetics approach has aided in understanding the genetic control of an important region of the genome influencing black point susceptibility. Combined, these findings will direct future research endeavours aimed at producing black point resistant barley cultivars. / http://proxy.library.adelaide.edu.au/login?url= http://library.adelaide.edu.au/cgi-bin/Pwebrecon.cgi?BBID=1323053 / Thesis (Ph.D.) -- University of Adelaide, School of Agriculture, Food and Wine, 2008