Study of the genetic factors controlling early stages of somatic embryogenesis in Brachypodium distachyon
Institution:
université Paris-SaclayDisciplines:
Directors:
Abstract EN:
Somatic embryogenesis (SE) is the developmental pathway through which somatic cells change fate and acquire the ability to divide and yield embryonic structures, in the absence of sexual reproduction. In vitro culture methods based on SE are routinely applied for the genetic transformation and genome editing of many plants, including all major cereal crops, despite the limited understanding of the cellular processes involved. We have characterized the early events leading to the production of somatic embryos in tissues derived from immature zygotic embryos of Brachypodium distachyon, a cereal crop model, treated with an exogenous auxin (2,4-D). As previously reported, we observed that cells within the scutellum resume mitotic division within days of 2,4-D induction, prefiguring the new meristematic regions formed at later stages. Through the analysis of the reactive domains in explants that were either fixed (dyes, in situ hybridization) or alive (expression of fluorescent reporter proteins), we identified genes that mark these early cellular changes. Combining information collected with high spatial and temporal resolution, we also tracked which somatic cell types evolve into embryogenic tissues. We will present evidence that these cell lineages could also be inferred based on the transcriptomes of single cells prepared from the same explants. Our study points to genes and functional modules associated with - and potentially driving - the transition from the somatic towards the embryogenic cell fate. It provides original data to further investigate the mechanisms that control plant cell totipotency. The involvement of candidate genes in this process will be confirmed through functional analyses, together with the phenotypic characterization of the explant's in vitro response.
Abstract FR:
L'embryogenèse somatique (ES) est la voie de développement par laquelle les cellules somatiques changent d'identité et recouvrent la capacité de se diviser et de produire des structures embryonnaires, en l'absence de reproduction sexuelle. Les méthodes de culture in vitro basées sur l'ES sont couramment appliquées pour la transformation génétique et l'édition du génome de nombreuses plantes, y compris les principales céréales cultivées, même si les processus cellulaires impliqués sont encore mal compris. Nous avons caractérisé les premiers événements conduisant à la production d'embryons somatiques dans des tissus dérivés d'embryons zygotiques immatures de Brachypodium distachyon et traités par une auxine exogène, le 2,4-D. Nous avons observé, en accord avec des travaux antérieurs, que certaines cellules du scutellum reprennent leurs divisions mitotiques quelques jours après application du 2,4-D, préfigurant ainsi les nouvelles régions méristématiques formées à des stades ultérieurs. Grâce à l'analyse des domaines réactifs dans les explants qui étaient soit fixés (colorants, hybridation in situ), soit vivants (expression de protéines fluorescentes), nous avons identifié les gènes qui marquent ces premiers changements cellulaires. En combinant les informations recueillies avec une haute résolution spatiale et temporelle, nous avons également identifié quels types de cellules somatiques évoluent en tissus embryogènes. Nos résultats indiquent que ces lignées cellulaires peuvent également être identifiées par inférence sur la base des transcriptomes de cellules individuelles préparées à partir des mêmes explants. Notre étude met en évidence les gènes et les modules fonctionnels associés - et potentiellement moteurs - de la transition cellulaire entre état somatique et embryogène. Ce travail fournit des données originales pour étudier plus en détail les mécanismes qui contrôlent la totipotence des cellules végétales. L'implication des gènes candidats dans ce processus sera confirmée par des analyses fonctionnelle et phénotypique de la réponse in vitro des explants.