Identification and validation of genes to support sorghum improvement : from transcriptomics to functional validation

Les parois secondaires (PS) des plantes représentent la majorité de la biomasse renouvelable et participent à des fonctions physiologiques des plantes comme le transport des nutriments, la résistance à la verse et aux stress. Le sorgho est une graminée en C4 bien adaptée aux conditions limitantes en nutriments et en eau. L’amélioration des connaissances relatives à la mise en place des PS chez le sorgho a pour objectif de contribuer au développement de variétés adaptées aux filières de valorisation de la biomasse incluant l’alimentation animale, la production énergétique et le développement de bio-matériaux. Les objectifs de la thèse présentée ici sont de contribuer à la compréhension des mécanismes moléculaires de la mise en place des PS par l’identification des réseaux de gènes impliqués et la validation de leur rôle par génétique inverse. Dans un premier temps, une analyse phylogénétique comprenant 9 espèces, nous a permis d’identifier les liens d’homologies au sein des familles de facteurs de transcription (FT) NAC et MYB, qui sont les principaux régulateurs de la mise en place des PS chez Arabidopsis et d’autres espèces. Nous avons ensuite construit les réseaux de co-expression géniques impliqués dans la mise en place des entre-nœuds en développement du sorgho et nous nous sommes plus particulièrement intéressés aux réseaux comprenant des NAC et des MYB ainsi qu’à ceux présentant des enrichissements en gènes liés aux PS. Puis les gènes identifiés par ces approches ont été comparés à ceux situés dans les zones chromosomiques impactant la variabilité de la composition des PS. Dans un deuxième temps, nous avons développé des approches de transformation génétique afin de caractériser le rôle des gènes mis en évidence par génétique inverse.Nous avons identifié 6 modules de gènes co-exprimés enrichis en gènes et en ontologies géniques liés aux parois et en particulier 2 modules dont les gènes sont potentiellement impliqués dans la mise en place des PS. En outre, 122 NAC et 135 MYB ont été identifiés chez le sorgho. Parmi eux, 14 NAC et 25 MYB sont impliqués dans les 6 réseaux de co-expression de gènes fortement enrichis en gènes de paroi. Dix-neuf sont des homologues de gènes déjà validés chez d’autres espèces pour leur rôle dans la mise en place des PS et 20 n’ont pas de rôle connu. La comparaison des gènes faisant partie des 6 modules impliqués dans la mise en place des parois et des régions chromosomiques associées à la composition de la biomasse a mis en évidence 70 gènes en commun et quelques gènes de structure impliqués dans la biosynthèse des parois mais peu de convergence concernant les FT NAC et MYB.Bien que l’optimisation des protocoles de transformation génétique stable n’ait pas abouti, un protocole efficace de transformation transitoire basée sur des protoplastes a été optimisé. Cet outil sera notamment mobilisé pour tester les rôles des FT identifiés dans les réseaux enrichis en gènes de parois.Plants Secondary Cell Walls (SCW) represent most of the renewable biomass and participate in some plant physiological functions such as nutrient transport, stress resistance and stiffness. Sorghum is a C4 grass well adapted to nutrient and water limiting conditions. Improving knowledge SCW establishment in sorghum aims at contributing to the development of varieties adapted to biomass sector including animal feed, energy production and the development of bio-materials. The objectives of the thesis presented here are to contribute to the understanding of the molecular mechanisms of SCW regulation and biosynthesis by identifying genes networks involved in this process and validating their role using reverse genetics. As a first step, a phylogenetic analysis including 9 species, allowed us to identify homologies within families of NAC and MYB TF, which are the main regulators of SCW establishment in Arabidopsis and other species. We then built gene co-expression networks of sorghum developing internode and focused on NAC and MYB networks as well as on networks with enrichment in SCW related genes Then, genes identified by these approaches were compared to those located in the chromosomal regions impacting the variability of SCW composition. In a second step we have developed genetic transformation approaches to characterize the role of identified genes by reverse genetics.We have identified 6 modules of co-expressed genes enriched with genes and gene ontologies related to cell walls and in particular 2 modules whose genes are potentially involved in the establishment of SCW. In addition, 122 NAC and 135 MYB were identified in sorghum. Among them, 14 NAC and 25 MYB are involved in the 6 co-expression networks highly enriched in cell wall genes. Of these, 19 are homologues of genes already validated in other species for their role SCW establishment and 20 have no known role. The comparison of the genes belonging to the 6 modules involved in cell wall establishment and chromosomal regions associated with the composition of the biomass revealed an intersect of 70 genes and some structural genes involved in the biosynthesis of the walls but little convergence concerning NAC and MYB TF.Although the optimization of stable genetic transformation protocols was unsuccessful, an efficient protoplast-based transient transformation protocol was optimized. This tool will be mobilized to test the roles of identified TF in networks enriched with cell wall genes