Cours Floraison - IJPB - Inra
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LA PLANTE ET SON ENVIRONNEMENT<br />
Contraintes abiotiques<br />
Contraintes biotiques<br />
O 3<br />
Herbicide<br />
Chaleur<br />
Gel<br />
Froid<br />
Sécheresse<br />
Température<br />
Pathogènes<br />
Les « vores »<br />
Blessures<br />
Sels minéraux<br />
Salinité<br />
Inondation<br />
Métaux lourds<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
1) Introduction, environnement et floraison<br />
La floraison est l'un des caractères qui déterminent le cycle de vie d'une plante et<br />
son succès reproducteur<br />
La date de floraison détermine la durée de la phase végétative et de la phase<br />
reproductive dans le cycle de vie d'une plante<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
Objectifs:<br />
- Montrer quels sont les mécanismes biologiques, physiologiques et biochimiques mis<br />
en jeu par les végétaux dans leurs réponses aux facteurs contraignants de leur<br />
environnement.<br />
- Comprendre les mécanismes d’adaptation et de plasticité.<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
“ La Plante et son Environnement ”<br />
La floraison:<br />
Apports de la physiologie moléculaire<br />
Philippe Grappin<br />
grappin@versailles.inra.fr<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
Plan<br />
1) Introduction, environnement et floraison<br />
2) Modèle physiologique de la floraison<br />
3) Approche de physiologie moléculaire<br />
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
5) Transposition des études chez le riz<br />
6) Intérêts biotechnologiques<br />
7) Conclusion<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
1) Introduction, environnement et floraison<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
1) Introduction, environnement et floraison<br />
Fleurir: un choix capital pour la plante<br />
- Lieu: méristème (vient de meristos=division)<br />
= Massif de cellules embryonnaires qui se divisent et donnent naissance à<br />
- tige, feuilles, racines (méristème végétatif)<br />
- la fleur (méristème reproducteur)<br />
végétatif<br />
floral<br />
transition<br />
- Transition irréversible<br />
- Si se produit au mauvais moment, conséquences sur la qualité des graines<br />
Synchronisation de la floraison avec une saison favorable<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
L’induction florale est la période où certains organes de la plante, sous l’effet de<br />
stimulus extérieurs, envoient au méristème un message, le signal de floraison.<br />
L’évocation florale est la période où le méristème se réorganise en fonction de ce<br />
programme.<br />
Elle correspond à une réorganisation de l’architecture de l’apex, préparatoire à la<br />
différenciation des ébauches. florale.<br />
L’initiation florale est la période où se différencient les ébauches des pièces<br />
florales (changements morphologiques, qui peu à peu vont lui donner 1’aspect d’un<br />
méristème préfloral ou, dans le cas d’une inflorescence, d’un méristème<br />
inflorescentiel). À cette étape fait suite la floraison qui se manifeste par le<br />
développement des pièces florales (sépales, pétales, étamines et carpelles), la<br />
méiose suivie de la formation des gamètes, le débourrement des bourgeons et enfin<br />
l’épanouissement de la fleur.<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
1) Introduction, environnement et floraison<br />
Il existe de grandes variations entre espèces, mais aussi à l'intérieur d'une espèce, pour les<br />
stratégies de floraison, qui sont déterminées par l'environnement abiotique (photopériode,<br />
température, nutriments) ou biotique (compétition pour la lumière, herbivores, pollinisateurs)<br />
Climat tempéré : les contraintes principales sont les périodes froides durant l'hiver<br />
→ vernalisation permet d'ajuster la date de floraison (blé, orge, pois, A. thaliana)<br />
Climat tropical : la photopériode est un indicateur de la transition entre saison sèche<br />
et saison humide<br />
→ sensibilité à la photopériode<br />
plantes de jours courts / plantes de jours longs<br />
Autres facteurs environnementaux : lumière, température, nutriments, hormones<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
semis Phase végétative floraison Maturation des récolte<br />
développement des<br />
graines<br />
feuilles<br />
avril juillet/aout octobre<br />
Limitant<br />
Culture du maïs en région tempérée. La floraison précoce pour permettre la maturation<br />
des graines, mais les plantes sont sensibles au gel et l'ensemble du cycle doit se<br />
dérouler entre avril et octobre.<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
1) Introduction, environnement et floraison<br />
Plusieurs voies à intégrer<br />
Lumière<br />
-Longueur<br />
-Qualité<br />
Température<br />
-Ambiante<br />
-Période de froid<br />
Développement<br />
Hormone (GA)<br />
Age, Sucre, rapport C/N<br />
Détection / Transduction des signaux<br />
Intégrateurs floraux<br />
Transition florale<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
2) Modèle physiologique de la floraison<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
2) Modèle physiologique de la floraison<br />
Plusieurs types de plantes<br />
- Plantes de jours longs<br />
La plante fleurit printemps-été, quand les jours sont longs<br />
ex: Arabidopsis, pois, œillet…<br />
- Plantes de jours courts<br />
La plante fleurit automne-hiver, quand les jours sont courts<br />
ex: riz, soja, caféier, chrysanthème…<br />
- Plantes indifférentes<br />
La plante est indifférente à la longueur du jour<br />
ex: concombre, tomate, pomme de terre…<br />
- Plantes aphotiques<br />
La plante est capable de fleurir à l’obscurité<br />
ex: jacinthe<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
2) Modèle physiologique de la floraison<br />
Photorécepteurs<br />
- Perçoivent la qualité de la lumière<br />
Phytochromes: perçoivent le rouge et le rouge lointain<br />
Cryptochromes: perçoivent le bleu<br />
400 500 600 700 nm<br />
- Identification des photorécepteurs par analyse de mutants<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
2) Modèle physiologique de la floraison<br />
Modèle de coincidence pour la floraison<br />
Modèle de coincidence externe (Pittendrigh and Minnis):<br />
En jours longs, la phase lumineuse coincide à la présence d’un facteur<br />
régulé de façon circadienne<br />
- induit la floraison des plantes de jours longs<br />
- inhibe ou retarde la floraison des plantes de jours courts<br />
Modèle de coincidence externe<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
3) Approche de physiologie moléculaire<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
3) Approche de physiologie moléculaire<br />
Génétique moléculaire :<br />
on exploite les variations / modifications de séquences (aléatoires/ciblées,<br />
induites /naturelles) sur un génome entre individus (affectent l’activité d’un gène):<br />
Génétique forward (phénotype<br />
gène)<br />
1- Identifier un gène impliqué dans une fonction biologique<br />
Génétique reverse (gène<br />
phénotype)<br />
2- Démontrer la fonction d’un gène<br />
3- Caractériser les modes d’action des produits de ce gène, dans la plante, la<br />
cellule et avec d’autres molécules partenaires<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
3) Approche de physiologie moléculaire<br />
Approche globale pour caractériser de<br />
nouvelles fonctions biologiques :<br />
Question biologique<br />
Physiologie<br />
Biochimie<br />
Rôle fonctionnel<br />
Vision Globale<br />
- Régulation<br />
- Interaction<br />
- Métabolisme<br />
Relation entre<br />
phénotype et biochimie<br />
Génomique<br />
fonctionnelle<br />
Hypothèses de travail<br />
Ressources génétiques<br />
- Génétique inverse<br />
- Diversité allélique<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
3) Approche de physiologie moléculaire<br />
Durée<br />
d’éclairement<br />
journalier<br />
<strong>Floraison</strong><br />
Voie autonome<br />
Photopériode<br />
FRI<br />
FLC<br />
Vernalisation<br />
GA<br />
CO<br />
FD, SOC, FT<br />
(intégrateurs de floraison)<br />
PNY, PNF<br />
LFY, AP1<br />
(Méristème floral,<br />
gènes d’identité)<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Découverte de la photopériode en 1920<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
La photopériode est perçue par les feuilles signal = florigène<br />
Greffon<br />
non induit<br />
Greffon<br />
non induit<br />
Porte-greffe<br />
induit<br />
Porte-greffe<br />
Non induit<br />
Bryophyllum diagremontianum<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Induction de la floraison en jours longs chez Arabidopsis<br />
30 jours après germination<br />
Jours courts<br />
(12h de lumière)<br />
Jours longs<br />
(16h de lumière)<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Identification des régulateurs de la floraison<br />
Génétique classique : recherche de mutants à floraison tardive en jours longs<br />
3 Classes<br />
<strong>Floraison</strong> tardive en jours longs<br />
<strong>Floraison</strong> normale en jours courts<br />
Insensible à la vernalisation<br />
On bloque un inducteur en jours longs<br />
co, ft, gi, cry2<br />
<strong>Floraison</strong> tardive en jours longs<br />
<strong>Floraison</strong> tardive en jours courts<br />
<strong>Floraison</strong> précoce après vernalisation<br />
On bloque un inhibiteur d’inhibiteur de floraison<br />
fca, fpa, fy, ld<br />
<strong>Floraison</strong> tardive en jours longs<br />
<strong>Floraison</strong> tardive en jours courts<br />
Affecté dans la synthèse ou réponse aux gibbérellines<br />
On bloque l’induction hormonale<br />
ga1, gai<br />
Les doubles mutants d’un même groupe sont identiques<br />
Les doubles mutants issus de 2 groupes ont un phénotype additif<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Jours<br />
Longs<br />
CO<br />
FT<br />
<strong>Floraison</strong><br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
La surexpression de CO ou de FT est suffisante pour induire<br />
une floraison précoce, même en jours courts<br />
35S::CO<br />
Confirmation des propriétés d’induction de CO et de FT<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
CO induit l’accumulation de l’ARN FT<br />
WT 35S CO<br />
CO<br />
ARN FT<br />
Hepworth et al., 2002<br />
JL induisent FT part le biais de CO<br />
Micro-arrays<br />
JL<br />
CO<br />
ARN FT<br />
Wigge et al., 2005<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
Oscillation cyclique de l’accumulation de l’ARNm CO<br />
Les mutants de gènes impliqués dans le rythme circadien ont des phénotypes de floraison altérée<br />
ARNm CO régulé par le rythme circadien<br />
ARN de CO chez les mutants<br />
lhy et gi perturbés dans le<br />
rythme circadien<br />
Horloge<br />
GI<br />
LHY<br />
ARN CO<br />
Suarez-Lopez et al., 2001<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Certains types de lumière stabilisent la protéine CO<br />
35S:GFP::CO<br />
Condition de lumière<br />
favorable à l’activation<br />
de CO<br />
Condition de lumière<br />
favorable à l’inactivation<br />
de CO<br />
Lumière<br />
Obscurité<br />
Protéine CO<br />
Coupland 2005<br />
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4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Rythme circadien<br />
Photopériode<br />
Stabilité à la lumière<br />
35S:GFP::CO<br />
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4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Modèle de régulation de la floraison par CO<br />
Hiver<br />
Jours courts<br />
Jours longs<br />
Printemps<br />
ARNm<br />
CO<br />
Protéine CO<br />
Dégradée à l’obscurité<br />
24 heures<br />
Protéine CO<br />
produite à la<br />
lumière<br />
gène FT<br />
FT n’est pas exprimé<br />
gène FT exprimé<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Facteur migrant des feuilles au méristème : ARNm ou protéine FT ?<br />
Induction florale<br />
Jours courts Jours long Jours courts<br />
ARNm FT<br />
ARN FT = florigène ?<br />
Portegreffe<br />
Greffon<br />
La protéine FT-GFP est détectée au<br />
niveau du meristème mais pas<br />
l’ARNm FT (hybridation in situ)<br />
Mouvement de FT-GFP du<br />
porte-greffe au greffon<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
FD est nécessaire pour l’induction florale via FT<br />
Le phénotype floraison précoce de 35S::FT est aboli dans un fond mutant fd<br />
Wigge et al., 2005<br />
FT<br />
FD<br />
<strong>Floraison</strong><br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Cartes physiques et génétiques à haute résolution<br />
de la région Hd1 sur le chromosome 6<br />
Yano et al., 2000<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Résumé sur les acteurs de la voie des jours longs<br />
Jours longs<br />
Photorécepteurs<br />
Horloge<br />
circadienne<br />
CONSTANS<br />
FT<br />
LFY<br />
Transition florale<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
4) Régulation de la photopériode et contrôle de la floraison<br />
Réseau de régulation de la floraison complexe<br />
Voie autonome<br />
BLH11<br />
BLH4= SAW2<br />
Photopériode<br />
Vernalisation<br />
BLH2= SAW1<br />
BEL1<br />
PNY<br />
CO<br />
ATH1<br />
FRI<br />
FLC<br />
GA<br />
PNF<br />
BLH5<br />
BLH1<br />
ATH1<br />
GIGANTEA<br />
BLH3 BLH10<br />
FD, SOC, FT<br />
(intégrateurs de floraison)<br />
PNY, PNF<br />
BLH7<br />
BLH6<br />
BLH3<br />
BLH10<br />
LFY, AP1<br />
(Méristème floral,<br />
gènes d’identité)<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
5) Transposition des études chez le riz<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
5) Transposition des études chez le riz<br />
Identification des gènes de floraison du riz sur la base de<br />
similitudes de séquences avec les gènes d’Arabidopsis<br />
Conservations de séquences et de profils d’expression<br />
des gènes de floraison d’Arabidopsis chez le riz<br />
Le gène orthologue de GI chez le riz = OsGI<br />
Le gène orthologue de CO chez le riz = HEADING DATE 1<br />
Le gène orthologue de FT chez le riz = HEADING DATE 3<br />
HD3 est exprimé en jours courts à l’inverse de FT chez Arabidopsis<br />
HD1durizorthologuedeCOiden0fiéparanalysesQTL<br />
OrthologuedeGIiden0fiépar«differen0aldisplay»<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
5) Transposition des études chez le riz<br />
« Differential display »<br />
Transcription inverse<br />
PCR<br />
avec une amorce polyT<br />
et<br />
une amorce « aléatoire »<br />
DD-PCR DD-PCR<br />
Tissu 1 Tissu 2<br />
ADNc à accumulation<br />
différentielle<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
5) Transposition des études chez le riz<br />
Identification de GIGANTEA chez le riz<br />
Isaza et al., 2002<br />
Mutant phytochrome déficient se5<br />
Hayama et al., 2002<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
5) Transposition des études chez le riz<br />
Expression de OsGI est contrôlée par le rythme circadien<br />
Expression comparable à celle de GIGANTEA d’Arabidopsis<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr) Hayama et al., 2002
5) Transposition des études chez le riz<br />
Riz et Arabidopsis : Une voie de floraison conservée<br />
confère un effet contraire en jours longs<br />
Arabidopsis<br />
Jours longs<br />
Riz<br />
Jours longs<br />
GI<br />
OsGI<br />
CO<br />
(OsCO) Hd1<br />
FT<br />
floraison<br />
(OsFT) Hd3<br />
Inhibition de la<br />
floraison<br />
Hayama et al., 2003<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
Arabidopsis<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
5) Transposition des études chez le riz<br />
Chez le riz,la floraison intervient en jours<br />
courts car CO réprime FT en jours longs<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
6) Intérêts biotechnologiques<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
6) Intérêts biotechnologiques<br />
Applications biotechnologiques du contrôle de la floraison :<br />
Induction de la floraison:<br />
Permettre la culture d’espèces nécessitant des conditions strictes de floraison dans des<br />
environnements non-favorables (photoperiode ou temperatures)<br />
Domestication d’espèces<br />
Accélérer le processus de sélection variétale chez les arbres (fleurissant tard : 40ans)<br />
Intérêt en horticulture pour augmenter le nombre d’inflorescences (orchidées)<br />
Répression/prévention de la floraison :<br />
Augmenter les rendements en biomasse (canne à sucre)<br />
Augmenter les rendements en fuits (ananas)<br />
Permet d’éviter une floraison durant les gelées printanières (abricots)<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
7) Conclusion<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
6) Intérêts biotechnologiques<br />
La production florale est une activité économique importante d’un chiffre d’affaire d’un<br />
peu moins d’un milliard d’euros en France, avec une forte focalisation sur un nombre<br />
limité d’espèces: roses (40%), œillets (20%) et une localisation géographique sur le<br />
Var et les Alpes Maritimes.<br />
La production d’effectue en serres pour l’essentiel et il s’agit d’un secteur fortement<br />
déficitaire sur le plan de la balance commerciale avec une forte pénétration des<br />
produits hollandais. La connaissance et le contrôle de la floraison sont importants<br />
pour ces activités ainsi qu’au niveau de l’arboriculture fruitière.<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
7) Conclusion<br />
Régulation propice à l’adaptation aux conditons géoclimatiques<br />
– Besoin de maîtrise de ce contrôle en prévision des changements<br />
climatiques<br />
Plasticité:<br />
Aptitude d’un individu à modifier sa physiologie en réponse à des<br />
changements environnementaux<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
7) Conclusion<br />
Plasticité phénotypique pour la morphologie florale<br />
Différentes plantes de l'espèce hybride<br />
Solanum ruiz-lealii Brüch. (2n = 2x =<br />
24). Les variations de la morphologie<br />
des fleurs sont dues à des différences<br />
de méthylation du génome<br />
Marfil et al., 2009<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
7) Conclusion<br />
Plasticité phénotypique pour la floraison<br />
Entre les plantes<br />
de même génotype<br />
Arabidopsis thaliana<br />
Hypericum perforatum<br />
Entre les fleurs<br />
d'une même plante<br />
Sarcocornia fruticosa<br />
Corydalis rutifolia ssp. uniflora<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
3) Approche de physiologie moléculaire<br />
Exploitation de la transgenèse chez les végétaux :<br />
Mutations induites :<br />
- Effet mutagène de l’insertion d’ADN-T suite à un événement de<br />
transgenèse<br />
(génétique forward / reverse)<br />
Mutations ciblées :<br />
- Effet de l’expression ectopique du gène porté par l’ADN-T<br />
(génétique reverse)<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
5) Transfert chez le riz<br />
Philippe Grappin (grappin@versailles.inra.fr)
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