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Plants colonised land 460 million years ago and charophytes represent the closest living relatives of land plants. The ability to live on land may depend on the presence of certain cell wall polysaccharides such as xyloglucan, a hemicellulose exclusively found in land plants (Popper and Fry, 2003). The cell walls of charophytes are poorly characterised. The aim of this project was to use biochemical techniques to characterise the cell wall polysaccharides of charophytic algae in relation to early land plant phylogeny. Hydrolysis of Coleochaete scutata and Chara vulgaris cell walls in 2 M trifluoroacetic acid yielded predominantly GalA, Gal, Glc and Man residues and also some Ara, Xyl and traces of Fuc and Rha. In addition, hydrolysis of Chara pectin revealed an abundance of an unusual monosaccharide, 3-O-methyl-D-galactose, which was structurally identified by a series of 1-D and 2D NMR spectroscopy by COSY, TOCSY, NOESY and HSQC. 3-O-Methyl-D-galactose is more commonly found in lycophyte cell walls where its presence has been suggested to be related to lycophytes’ evolutionarily isolated position (Popper et al., 2001). The newly discovered presence of 3-O-methyl-D-galactose in charophyte pectin suggests that this polymer may be more complex than previously thought. Coleochaete and Chara hemicellulose extracts were fractionated by anion-exchange chromatography into five classes. A strongly anionic fraction from Chara hemicellulose was found to be rich in Glc, Xyl, Gal and Fuc suggestive of a xyloglucan-like polysaccharide. However, XEG was unable to produce diagnostic xyloglucan oligosaccharides in either Coleochaete or Chara hemicelluloses. Xylanase and mannanase digestion of Coleochaete and Chara hemicelluloses gave xylan- and mannan-oligosaccharides. Furthermore, lichenase digestion of Coleochaete hemicellulose yielded an unusual octasaccharide composed of approximately equimolar xylose and glucose. My work has shown that charophyte cell walls are a source of undiscovered monosaccharides and potentially novel pectic and hemicellulosic domains which may have important functions in enabling the successful colonisation of land by plants.

京都大学 / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(農学) / 甲第21808号 / 農博第2321号 / 新制||農||1066(附属図書館) / 学位論文||H31||N5180(農学部図書室) / 京都大学大学院農学研究科応用生命科学専攻 / (主査)教授 植田 充美, 教授 渡邊 隆司, 教授 栗原 達夫 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Agricultural Science / Kyoto University / DFAM

Résumé : Chez lorge, la dégradation des polysaccarides des parois cellulaires et de lamidon est de première importance dans le contexte de sa valorisation brassicole. La présente recherche doctorale a été entreprise dans le but didentifier des marqueurs de sélection utilisables lors de lamélioration génétique de lorge de printemps pour ses qualités brassicoles. Des gènes candidats ont dabord été choisis sur base de leur expression dans les tissus de la graine en germination. Leur position cartographique a été déterminée et située par rapport à des marqueurs QTL connus de la qualité brassicole. Exploitant des variétés cultivées de qualités contrastées, une recherche de polymorphismes nucléotidiques au niveau de ces gènes a été réalisée. Tous les gènes savèrent polymorphes, certaines des variations de séquence conduisant à des modifications de la structure primaire de la protéine encodée. Plusieurs caractères technologiques ont été retenus et définis chez les variétés étudiées, en exploitant les données de la littérature : la teneur en extrait, la viscosité, la teneur en β-glucanes du mout, latténuation finale apparente et le pouvoir diastasique. Plusieurs caractères biochimiques ont été étudiés chez ces mêmes variétés et ont ciblé quatre activités enzymatiques impliquées dans la dégradation des polysaccharides pariétaux et de réserve. Le pouvoir discriminant et la simplicité du test dactivité amylase, ainsi que sa relation avec des critères technologiques importants, en font un test prometteur en vue de faciliter la sélection variétale. La relation entre les sites polymorphes de lADN et les caractères technologiques et biochimiques identifient une soixantaine de sites dont les polymorphismes semblent associés à au moins lun des caractères. Sur tous les sites polymorphes, treize sites sont choisis pour leur potentiel en tant que marqueurs de sélection. Ils distinguent en effet un allèle favorable et un allèle défavorable pour plus dun critère brassicole. Ces treize sites sont localisés sur des gènes de (1-3,1-4)-β-glucanase, un gène de (1-3)-β-glucanase, un gène de (1-4)-β-xylan endohydrolase et un gène dα-amylase. La mise en évidence de ces allèles peut être réalisée par des tests PCR simples (« allèles spécifiques ») et relativement peu coûteux, dont six ont été mis au point au terme de la recherche./ Summary: In barley, the degradation of cell wall polysaccharides and starch is of utmost importance for its malting quality. The aim of this thesis is the identification of selection markers useful in the breeding of spring Barley cultivars for improved malting quality. Candidate genes were first chosen based on their expression profile in tissues of germinating seeds. Their mapping positions were determined and compared with known QTLs for malting quality. Varieties with contrasted malting qualities were searched for DNA polymorphisms for each of these genes. All genes proved to be polymorphic, some of the sequence variations leading to changes in the primary structure of the encoded protein. Technological traits were chosen and used to characterize the varieties based on literature data: extract yield, viscosity, β-glucan content of the wort, final apparent attenuation and diastatic power. Biochemical traits were also investigated on the same varieties and focused on four enzyme activities implicated in cell wall polysaccharides and starch degradation. The Discriminant power and ease of the amylase test, as well as its relation with technological traits, make it a promising selection test in breeding programs. The relationship between the DNA polymorphisms and biochemical and technological traits reveals around sixty polymorphisms displaying apparent relationships with at least one trait. Thirteen out of them were chosen for their potential as selection markers. They are located on (1-3,1-4)-β-glucanase genes, on one (1-3)-β-glucanase gene, on one (1-4)-β-xylan endohydrolase gene and on one α-amylase gene. Detection of these alleles can be achieved by simple and inexpensive PCR tests ( allele specific), and six assay protocols have been set up at the completion of this research.

Coffea arabica var. Laurina (Bourbon pointu, BP) est un mutant naturel de C. arabica ‘Bourbon’ (B). La mutation laurina est récessive, monolocus, Mendélienne et ses effets pléiotropiques. Ces effets ont été étudiés sur le développement des graines et chez les plantules en histologie, morphologie et biochimie. La standardisation de la croissance en taille des graines était primordiale, notamment pour l'étude fine de la composition en polysaccharides pariétaux (PP). Les stades (st) de développement ont été reliés à l'âge des fruits et leur aspect histo-morphologique (st 1-2, 3, 4 : croissance ; st 5 à 7 : maturation). L'étude de la composition en PP a mis en évidence trois phases : φ 1 (st 1-2, 3), φ 2 (st 3, 4, première partie du 5), et φ 3 (deuxième partie du 5, st 6 et 7). La mutation affecte les φ 1 et 2, probablement par le biais du périsperme. Chez la plantule, la mutation affecte la longueur des hypocotyles exposés à la lumière en provoquant le semi-nanisme de BP par rapport à B par un nombre moindre de cellules. Les teneurs en ABA, auxine et cytokinines sont aussi touchées. La composition en PP et en acides chlorogéniques (CQA) n'est affectée ni par la mutation, ni par la lumière pendant la croissance des plantules (sauf pour les CQA ses racines). Un effet-organe est mis en évidence. La mutation réduit la teneur en caféine (CAF) et la différence variétale est présente à la lumière et à l'obscurité. Ces résultats permettent de mieux caractériser les effets pléiotropiques de la mutation laurina. Ils permettent une meilleure 1/ compréhension de l'évolution des PP de la graine au cours de son développement et 2/ connaissance des hormones, CAF, CQA et PP des plantules. / Coffea arabica var Laurina (Bourbon pointu, BP), is a natural mutant of C. arabica ‘Bourbon’ (B). The laurina mutation is recessive, monolocus and Mendelian, with pleiotropic effects. This work highlighted new effects of this mutation, with histological, morphological and biochemical approaches on seeds development and on seedlings. Simultaneous fitting of growth curves of B and BP and their standardization allow comparisons of these varieties and fine study of polysaccharide cell wall (PCW) composition over time. Thus, anatomic specificities, development stages (st) and fruit age were linked (growth: st 1-2 to 4; maturation: st 5 to 7). When taking in account the CWP evolution in time-course, three phases occurred: φ 1 (st 1-2, 3), φ 2 (st 3, 4 and the beginning of 5), and φ 3 (the end of 5, st 6, 7). The two first were affected by the mutation probably through maternal effect (perisperm). In seedlings, the hypocotyls semi-dwarfism in light growth condition is an effect of the mutation and was due to a lower cell number than in B. The phytohormones content was also affected (ABA, auxine, cytokinins). But, neither CWP composition nor chlorogenics acids (CQA) content were affected by the mutation, or growth condition (expected for CQA content in roots). The composition in CWP and CQA was different depending on organs. Finally, caffeine (CAF) content was affected by the mutation in light or darkness conditions. These results represent an important step in 1/ the characterization of the pleiotropic effects of the laurina mutation, 2/ the understanding of the CWP evolution in seed time course, and 3/ new knowledge on seedlings (hormone, CAF, CQA and CWP composition).