Caractérisation génétique et moléculaire d'une incompatibilité nucléo-cytoplasmique chez Arabidopsis Thaliana

The genome of plants is compartmentalized between nucleus and organelles (chloroplasts and mitochondria). These compartments have different inheritance patterns (nuclear genes have Mendelian inheritance; organelles genes are maternally inherited) and this has consequences for their co-adaptation, which is under the influence of two forces: on the one hand, a functional co-adaption whose failure leads to Bateson-Dobzhanski-Muller incompatibilities, on a second hand a genomic conflict, sometimes revealed by nucleo-cytoplasmic male sterility. The wealth of genetic resources at our disposal for Arabidopsis thaliana makes it an interesting model to study the co-evolution between genetic compartments. As part of this problem, this thesis is devoted to a male sterility presenting a nucleo-cytoplasmic determinism and which emerged as a result of a cross between two accessions (Sha x Mr-0) while the reciprocal cross (Mr-0 x Sha) produced male fertile F1 individuals. Results preliminary to this thesis have shown that male sterility results from an interaction between the cytoplasm of Sha and dominant alleles carried by chromosomes 1 and 3. The objectives of this thesis were to describe the phenotype of the male sterility, as well as to identify both cytoplasmic and nuclear factors, and also to start the study of the underlying molecular mechanisms, which are responsible of this male sterility. I followed a strategy of genetic mapping to identify involved nuclear factors by positional cloning. I localized the maintainer locus on chromosome 3 in an interval of 53 kb and began a molecular analysis of this region in the two parental accessions. This now allows a candidate gene approach for this maintainer. I also showed that the maintainer locus on chromosome 1 probably consists of two closely linked loci, whose alleles Mr-0 are both required for the expression of the male sterility. In parallel, reciprocal crosses involving either Mr-0 or Sha with accessions of the collection allowed us to identify at least one other accession with maintainer alleles (Etna-2), and a dozen accessions carrying the male sterility-inducing cytoplasm (all from Central Asia). A comparative analysis of cytoplasmic genomes of Sha and Kz-9, which has a cytoplasm very close to Sha but not inducing sterility, revealed a mitochondrial gene, candidate for male sterility and called orf117Sha. It is specific to accessions inducing sterility and its putative product shows 57% identity and 71% similarity with orf108, a gene involved in cytoplasmic male sterility in alloplasmic Brassicas (Ashutosh et al, 2008 ; Kumar et al, 2012).During the mapping and cytological observations, I have highlighted genetic incompatibilities that cause distortions of segregation through the male descent in the progeny of heterozygous plants. These incompatibilities, probably independent of the cytoplasm, create genetic barriers between the two parental accessions of the cross that I studied. I propose that the cross Sha x Mr-0 reveals an ongoing evolutionary process that can eventually lead to speciation events in Arabidopsis thaliana.Un croisement intra-spécifique entre deux accessions d'Arabidopsis thaliana (Sha et Mr-0) a donné 100% d'individus mâles stériles dans la descendance F1 lorsque Sha est utilisé comme parent maternel et Mr-0 comme parent mâle (Sha x Mr-0). Dans le croisement réciproque (Mr-0 x Sha), les individus F1 sont mâles fertiles. Étant donné que l'hérédité du cytoplasme chez Arabidopsis thaliana est maternelle (non Mendélienne), cela indique que cette stérilité mâle résulte d'une interaction entre le cytoplasme de Sha et les allèles nucléaires de Mr-0. Une cartographie génétique d'une population en ségrégation a permis, au cours d’un travail préliminaire à cette thèse (Cezar Sophie Hiard et Cezary Waszczak), de localiser les locus nucléaires sur les chromosomes 1 et 3 ; de plus, la présence des allèles Mr-0 au deux locus est nécessaire pour observer le phénotype de stérilité mâle. Les objectifs de thèse étaient de décrire le phénotype de stérilité mâle, d'identifier les facteurs cytoplasmique(s) et nucléaires, et de commencer l'étude des mécanismes moléculaires sous-jacents à l'origine de cette stérilité mâle. Le clonage positionnel, stratégie adoptée pour identifier les facteurs nucléaires, a permis de diminuer les intervalles aux deux locus et, pour l’un d’entre eux, de pouvoir proposer une approche « gènes candidats ». En parallèle, des croisements réciproques supplémentaires, entre Mr-0 et d'autres accessions que Sha, ont été réalisés et ont permis d’identifier d’autres accessions inductrice de stérilité qui proviennent de la même région géographique que Sha (Asie Centrale) ; la détermination des cytotypes chez les nouvelles accessions testées a montré que la stérilité mâle en F1 apparaît lorsque le parent maternel possède un cytoplasme du même groupe que celui de Sha. Concernant le facteur cytoplasmique inducteur de stérilité, nous avons identifié un seul candidat, l’orf117Sha mitochondrial, qui est spécifique des accessions inductrices de stérilité comme Sha et qui présente beaucoup de similarités avec des facteurs inducteurs de stérilité identifiés dans d’autres systèmes de stérilité mâle cytoplasmique chez les Angiospermes. La caractérisation du phénotype de stérilité mâle par une approche cytologique classique a été réalisée sur des génotypes où les allèles Mr-0 aux locus mainteneurs sont introgressés dans un fond génétique Sha ; selon les génotypes, les allèles mainteneurs Mr-0 sont présents simultanément ou uniquement à l’un des deux locus identifiés, afin de pouvoir observer indépendamment l'influence des allèles Mr-0. Des observations d’anthères prélevées sur ces génotypes et colorées à l’Alexander ont permis de confirmer l’effet des allèles Mr-0 aux locus mainteneurs (introgressés dans un fond génétique homogène) sur la viabilité des grains de pollen, ainsi que le déclenchement tardif de la stérilité mâle nucléo-cytoplasmique au cours du développement pollinique. L’effet, sur la viabilité des grains de pollen, d’autres locus que les locus mainteneurs, appelés locus distorteurs de ségrégation et non liés à la SMNC, a également été observé. De nombreuses incompatibilités génétiques s’expriment dans la F1 Sha x Mr-0 ; elles créent une barrière reproductive post-zygotique en affectant la production de pollen dans la descendance. Le croisement Sha x Mr-0 pourrait révéler un processus évolutif en cours pouvant aboutir à terme à des événements de spéciation au sein d’Arabidopsis thaliana