Analysis and characterization of the role of bread wheat SPO11-2 proteins involved in the initiation of meiotic recombination
Analyse et caractérisation du rôle des protéines SPO11-2 du blé tendre impliquées dans l’initiation de la recombinaison méiotique
Résumé
Meiotic recombination or crossing-over (CO) is initiated by double strand breaks (DSBs) catalysed by the SPO11 complex. This complex includes two different proteins in plants, SPO11-1 and SPO11-2, forming a heterodimeric complex. Molecular mechanisms of DSB formation are well described in diploid species, but these mechanisms remain poorly documented in polyploid species such as bread wheat (Triticum aestivum). Here, we evaluated SPO11-2 protein of bread wheat and we studied how its mutation affects meiotic behaviour, using a set of antibodies (ZYP1, ASY1, DMC1). In a first step, we developed a collection of single, double and triple sister-mutants for each homoeologous copy of Spo11-2, derived from heterozygous irradiated-mutant plants. The triple mutant where the three homoeologous A, B and D copies were knocked-out, were shown to be fully sterile and unable to form DMC1 foci. The A-copy is mutated in bread wheat and double-mutants where the B and D copies are extinct are also sterile. However, cytogenetic analyses of these mutants showed that a few chiasmata can form as well as a few DMC1 foci suggesting a residual activity of the A-copy, albeit not sufficient to restore fertility. Moreover, a complementation assay conducted in Arabidopsis using the wild-type Acopy did not succeed in restoring Atspo11-2 fertility confirming that this copy is not functional. Finally, we performed a cytogenetic analysis of diploid, tetraploid and hexaploid wheat-relatives to evaluate the evolution of Spo11-2 among the Triticeae. Detailed in silico and in vivo study of Spo11-2 revealed that the mutation of the homoeologous A-copy was already present in tetraploid species suggesting that mutation occurred after the first polyploidy event. Moreover, we evaluated the number of DMC1 foci in diploid, tetraploid and hexaploid species and we showed that this number followed a linear number according the ploidy level of the species. We also observed that the dynamic of the meiotic division was similar whatever the ploidy level is, as well.
La recombinaison méiotique ou crossing-over (CO) est initiée par des cassures double-brin (CDB) catalysées par le complexe de protéines SPO11. Chez les plantes, il existe deux protéines, SPO11-1 et SPO11-2, fonctionnant sous forme d’un complexe hétérodimérique. Bien que les mécanismes
moléculaires des CDB soient de mieux en mieux caractérisés chez les espèces diploïdes, ils restent encore très peu documentés pour les espèces polyploïdes telles que le blé tendre (Triticum aestivum). L’objectif de ce travail consistait à étudier la protéine SPO11-2 en observant l’impact de sa mutation sur le comportement méiotique chez le blé. La première étape de ce projet a consisté à développer une méthodologie expérimentale s’appuyant sur le criblage d’une population de mutants d’irradiation et sur le développement des outils (anticorps ZYP1, ASY1, DMC1) permettant de caractériser l’effet de ces mutations à l’échelle génétique, cytologique et de la plante entière. Une collection de mutants pour l’une des trois copies homéologues (AA, BB ou DD), pour deux copies et pour les trois copies a été produite à partir d’une descendance frères/sœurs issue de plantes hétérozygotes pour les trois copies. Les mutants nuls où les trois homéologues du gène Spo11-2 avaient été mutés, se sont avérés stériles
et incapables de former des foyers de recombinaison DMC1. La copie A de Spo11-2 est naturellement mutée chez le blé tendre et les plantes doublement mutées pour les copies B et D mais sauvages pour la copie A sont stériles. Cependant, elles possèdent encore une activité résiduelle et sont capables de faire quelques chiasmas et quelques foyers DMC1. Néanmoins, cette activité ne suffit pas à rétablir l’activité de la protéine en complémentation hétérologue chez Arabidopsis. Enfin, une analyse visant à comprendre le processus évolutif du complexe SPO11 chez le blé a été réalisée en focalisant notre approche sur les blés progéniteurs. L’utilisation combinée d’espèces diploïdes, tétraploïdes ainsi que différents cultivars hexaploïdes a permis une approche descriptive in silico et in vivo de ces gènes démontrant que la mutation de l’homéologue A du gène Spo11-2 était déjà présente chez le progéniteur tétraploïde et que les blés suivaient la même dynamique de division méiotique quel que soit leur degré de ploïdie.
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