Apomixis is a clonal propagation method that produces offspring identical to the mother plant. With this feature, superior traits could be maintained over generations. However, our knowledge about apomixis is limited. In this study, we analyzed several apomictic Boechera embryologically to learn the details of apomixis. Meanwhile, we designed chemical treatments to successfully induce sex in apomictic plants and apomixis in sexual plants. Our experiments suggest that sex and apomixis coexist in plants and that sexual and apomictic reproduction are switchable by treating with specific chemicals.

Manipulation de la recombinaison chez une plante cultivée, le riz.L’accroissement prévisible de la population mondiale ainsi que les conséquences du changement climatique obligent les sélectionneurs à créer de nouvelles variétés plus productives et plus résilientes. Les nouvelles combinaisons d’allèles favorables sont issues de la recombinaison génétique entre chromosomes homologues dont le siège est la prophase de première division de méiose. De récentes avancées chez la plante modèle Arabidopsis ont montré que l'inactivation de certains gènes permet de manipuler la méiose pour abolir ou au contraire augmenter très significativement la recombinaison. Les mécanismes de la méiose étant relativement bien conservés chez les eucaryotes, l’objectif de cette thèse était de transposer ces avancées chez une plante cultivée importante, le riz. Abolir la recombinaison méiotique permettrait de propager de façon clonale par grain des formules variétales hybrides F1 dont le rendement est de 20% supérieur à celui des lignées pures chez le riz mais dont les semences restent peu utilisées par les riziculteurs de subsistance. Les travaux réalisés dans une première partie de la thèse ont montré que le cumul de trois mutations Ososd1, pair1 et Osrec8, permettait d’obtenir des gamètes clonaux diploïdes mâles et femelles. Le phénotype apoméiotique obtenu, appelé MiMe (Mitosis instead of meiosis) chez Arabidopsis, peut être utilisé pour tester différentes stratégies d’induction de la parthénogenèse afin de produire des grains formant des plantes diploïdes clonales apomictiques. Une optimisation du mécanisme permettrait d'envisager l'utilisation de l'apomixie pour fixer l'hétérosis dans les semences hybrides F1. Par ailleurs, une augmentation globale ou locale de la recombinaison méiotique est recherchée car elle permettrait de diminuer la taille des populations de sélection et de réduire la taille des segments chromosomiques introduits dans les variétés élite de riz. Nous avons montré dans une seconde partie, que la mutation du gène OsRECQl4 codant pour une hélicase permet d'augmenter le taux de recombinaison d'un facteur de 3,3 fois faisant passer la taille de la carte génétique de 1670 cM à 5538 cM sans affecter la fertilité de la plante ni le déroulement de la méiose. Chez les plantes affectées dans la fonction d’une autre hélicase, OsFANCM, le taux de recombinaison a été également augmenté mais dans une moindre mesure (x 2,2). L’augmentation de la recombinaison s’opère sur l'ensemble des bras chromosomiques sauf au niveau des centromères. Ces résultats confirment ceux obtenus chez A. thaliana qui ont montré le rôle de régulateur négatif des crossing-overs (CO) des protéines RECQ4 et FANCM. La combinaison en cours de ces mutations entre elles ou avec celle affectant l’AAA-ATPase FIGL1 permet d’espérer une augmentation de la recombinaison encore supérieure. Ces résultats ouvrent la voie à l'utilisation des gènes anti-COs pour augmenter de façon globale le nombre de recombinants dans les croisements chez le riz et sans doute chez les autres céréales. Pour offrir une possibilité concrète aux sélectionneurs d'utiliser les gènes anti-CO, nous avons montré que la technologie CRISPR/cas9 permet d'éteindre l'expression de OsFANCM OsRECQl4 et OsFIGL1. / Manipulation of recombination in a crop, rice.The forecasted increase of world population as well as the consequences of global climate change oblige plant breeders to develop new varieties that are both more productive and resilient. Novel combinations of favourable alleles are generated through genetic recombination between homologous chromosomes, which occurs during the prophase of the first division of meiosis. Recent advances in the model plant Arabidopsis have demonstrated that the inactivation of some genes allows meiosis manipulation resulting in either an abolishment or in contrast, a significant enhancement of meiotic recombination. The meiosis mechanisms being relatively conserved across eucaryotes, the overall objective of this thesis was to transfer these advances to a crop of crucial importance, rice. To abolish meiotic recombination would allow the clonal propagation by seeds of F hybrids, which exhibit a 20% yield enhancement compared to that of pure lines in rice but remain rarely used in subsistence farming. In a first part, we showed that rice plants cumulating 3 mutations inactivating Ososd1, pair1 and Osrec8, formed clonal diploid male and female gametes. This apomeiotic phenotype, called MiMe (Mitosis instead of meiosis) in Arabidopsis, can serve as material to assay several strategies of parthenogenetic induction that would result in seed forming diploid clonal plants. Further optimization of the mechanisms would allow the use of apomixis to fix heterosis in hybrid seeds. Global and local enhancement of recombination is another desirable goal since it would allow a reduction in breeding population size and a downsizing of the introgressed chromosomal segments in elite plant materials. In a second part, we showed that mutation in the DNA helicase gene OsRECQl4 conducted to a 3.3 fold increase of recombination and inflated the genetic map size from de 1670 cM to 5538 cM, without altering plant fertility nor meiosis progression. Plants altered in a second DNA helicase, OsFANCM, exhibited a more modest 2.2 fold recombination enhancement. Recombination increase operated along the whole chromosome arms except at the centromere level. These results confirms the negative regulator role of RECQ4 and FANCM on crossing overs (CO), previously reported in Arabidopsis. On going combination of these mutations together with that altering the l’AAA-ATPase FIGL1 should conduct to an even higher recombination enhancement. These results pave the way to the use of anti-CO genes to enhance recombinant recovery in crosses of rice and possibly of other cereals. To provide breeders with a workable anti-CO system, we eventually showed that the CRISPR/Cas9 technology can be used to abolish OsFANCM, OsRECQl4 and OsFIGL1 expression.

Apomixis, asexual or clonal seed production in plants, can decrease the cost of producing hybrid seed and enable currently open pollinated crops to be converted to more vigorous and higher yielding hybrids that can reproduce themselves through their own seed. Sexual reproduction may be triggered by a programmed stress signaling event that occurs in both the meiocyte, just prior to meiosis, and later in the egg just prior to embryo sac maturation. The prevention of stress signaling and the activation of a pro-growth signal prior to meiosis triggered apomeiosis, the first half of apomixis. The same approach was used prior to embryo sac maturation to trigger parthenogenesis, the second half of apomixis. This discovery suggests that apomixis exists as a program that can be activated by the appropriate metabolic signal at the appropriate developmental stages. Therefore, apomixis may be alternative mode of reproduction rather a ‘broken’ form of sexual reproduction.

Eragrostis curvula (Schrad.) Nees, pasto llorón, es una gramínea forrajera, de origen sudafricano, extensamente cultivada en la zona semiárida templada de Argentina. El pasto llorón es un complejo polimórfico donde la mayoría de sus miembros se reproducen por apomixis diplospórica, tipo de reproducción asexual a través de semillas, que conduce a la generación de progenies genéticamente idénticas a la planta madre. Los pasos de la apomixis implican evitar la meiosis para generar un saco embrionario no reducido (apomeiosis), desarrollo del embrión sin fecundación de la ovocélula (partenogénesis) y formación de endospermo viable de una manera dependiente o independiente de la fertilización de los núcleos polares. El objetivo general de esta tesis es estudiar la herencia de la diplosporía en Eragrostis curvula y localizar la/s región/nes condicionantes de la misma a través de la obtención de una población de mapeo a nivel tetraploide, segregante para el modo reproductivo, y de la construcción de un mapa genético de alta densidad, basado en marcadores moleculares. El primer paso de trabajo de esta tesis fue obtener una población de mapeo tetraploide proveniente del cruzamiento entre un genotipo sexual (OTA-S, accesión PI574506 del USDA) con un genotipo apomíctico facultativo (cv. Don Walter-INTA). La caracterización fenotípica de los híbridos F1, realizada mediante análisis citoembrológicos, dio como resultado una proporción 1:1 de plantas apomícticas vs. sexuales (34:27, Chi2 = 0,37), lo que concuerda con un modelo de herencia genética de un solo factor dominante. La población segregante para este carácter permitió construir el primer mapa de ligamiento saturado de E. curvula a nivel tetraploide utilizando marcadores moleculares tradicionales (AFLP y SSR) y derivados de secuenciación (GBS-SNP) en el cual se identificó el locus que controla la diplosporía. Se construyeron mapas de ligamiento para cada uno de los parentales por separado con 1.114 marcadores para OTA-S y 2.019 para Don Walter, construyendo en ambos 40 grupos de ligamiento, lo que concuerda con el número de cromosomas al nivel tetraploide. El largo total del mapa de OTA-S fue de 1.335 cM, con una densidad promedio de marcadores 1,22 cM/marcador. La longitud del mapa de Don Walter fue de 1.976,2 cM, con una densidad de promedio de marcadores de 0,98 cM/marcador. El locus responsable de la diplosporía fue mapeado en el grupo de ligamiento 3 de Don Walter. Mediante análisis de sintenia, comparando las secuencias de los marcadores GBS-SNP con genomas completos de especies relacionadas (Oropetium thomaeum, Cenchrus americanus, Setaria italica, Zea mays, Panicum hallii y Oryza sativa) se logró establecer cuáles de los grupos de ligamiento de cada parental corresponderían a los grupos de homólogos / homeólogos. El mapa de ligamiento genético que se logró alcanzar en esta tesis es el primer mapa de este tipo para E. curvula, es el mapa más saturado para el género Eragrostis y uno de los mapas más saturados para entre las gramíneas poliploides forrajeras. / Eragrostis curvula (Schrad.) Nees (weeping lovegrass) is an apomictic species native to Southern Africa that is used as forage grass in semiarid regions of Argentina. Apomixis is a mechanism for clonal propagation through seeds that involves the avoidance of meiosis to generate an unreduced embryo sac (apomeiosis), parthenogenesis, and viable endosperm formation by in a fertilization-dependent or -independent manner. In this thesis, the first saturated linkage map of tetraploid E. curvula is informed, using both traditional (AFLP and SSR) and high-throughput molecular markers (GBS-SNP), and the locus controlling diplospory is identified. Also syntenic relationships with genomes of other grass species are established to identify homologs/homeologs groups. A tetraploid mapping population was obtained from the cross between a sexual genotype (OTA-S) with a facultative apomictic individual of cv. Don Walter. Phenotypic characterization of F1 hybrids by cytoembryological analysis yielded a 1:1 ratio of apomictic vs. sexual plants (34:27, Chi2 = 0.37), which agrees with the model of inheritance of a single dominant genetic factor. The final number of markers was 1,114 for OTA-S and 2,019 for Don Walter. These markers were distributed into 40 linkage groups per parental genotype, which is consistent with the number of E. curvula chromosomes (containing 2 to 123 markers per linkage group). The total length of the OTA-S map was 1,335 cM, with an average marker density of 1.22 cM per marker. The Don Walter map was 1,976.2 cM, with an average marker density of 0.98 cM/marker. The locus responsible for diplospory was mapped on Don Walter linkage group 3. Syntenic analysis , comparing GBS-SNP markers sequences with complete genomes of related species (Oropetium thomaeum, Cenchrus americanus, Setaria italica, Zea mays, Panicum hallii y Oryza sativa) allowed to establish the homologs/homeologs groups for each linkage map and the relationships between both linkage maps. The genetic linkage maps reported in this study, the first such map for E. curvula, is the most saturated map for the genus Eragrostis and one of the most saturated maps for a polyploid forage grass species.