Molecular and cellular dissection of the maize in vivo gynogenesis | Dissection moléculaire et cellulaire de la gynogenèse in vivo chez le maïs

English. In maize, plant breeding mainly relies on double haploid technology. The main principle of this technology is the use of special lines called “inducer lines”, which induce in vivo gynogenesis. This mechanism allows haploid embryos production which only contain maternal genetics information. After chromosome doubling of the haploid seedlings, it is possible to obtain fixed lines in only few generations, thus considerably reducing breeding cycles. Although genetic determinants behind in vivo gynogenesis remained enigmatic for nearly sixty years, our work allowed the positional cloning and the identification of the major gene controlling haploid induction. This gene, specifically expressed in pollen grain, encodes for a phospholipase A2 called NOT LIKE DAD (NLD). It turns out that in all the inducer lines the NLD gene has a 4-bp insertion, leading to the formation of a truncated protein responsible for gynogenesis in vivo. This mutation did not result in a spatial or temporal defect in the expression of the gene but in the delocalization of the protein. The wild type protein localizes at the male germ unit on the vegetative membrane surrounding the two sperm cells, while the truncated protein loses this location. Pharmacological and mutagenic approaches revealed that NLD is targeted to the membrane through lipid anchoring and electrostatic interactions between membrane and protein. In parallel, it has been observed that the truncation of NLD; in addition to leading to the formation of maternal haploids; led to many pleiotropic phenotypes of abnormal kernels. The genotyping of fertilization products (endosperms and embryos), shows the existence of paternal chromosomal anomalies, which can explain these different phenotypes of abnormal kernels. All these results indicate that the intact NLD phospholipase is therefore necessary for the proper course of sexual reproduction.

French. Chez le maïs, la création de nouvelles variétés repose largement sur la technologie des plantes Haploïdes Doublées. Celle-ci s’appuie sur l’utilisation du pollen de lignées particulières, dites «inductrices d’haploïdes», qui déclenchent un processus de gynogenèse in vivo. Ce mécanisme permet la production d’embryons haploïdes contenant uniquement les informations génétiques maternelles. Après doublement des stocks chromosomiques des plantules haploïdes générées, il est possible d’obtenir des lignées fixées en seulement quelques générations, réduisant ainsi considérablement les schémas de sélection. Bien que les déterminismes génétiques à l’origine de la gynogenèse in vivo soient restés énigmatiques pendant près de soixante ans, nos travaux ont permis le clonage positionnel et l’identification du gène majeur causal de l’induction d’haploïdes. Ce gène, exprimé spécifiquement dans les grains de pollen, code pour une phospholipase A2, nommée NOT LIKE DAD (NLD). Il s’avère que chez l’ensemble des lignées inductrices le gène NLD présente une insertion de quatre paires de bases, conduisant à la formation d’une protéine tronquée responsable de la gynogenèse in vivo. Cette mutation n’entraine pas un défaut spatial ou temporel de l’expression du gène mais une délocalisation de la protéine. La protéine sauvage localise au niveau de l’unité mâle germinative, sur la membrane d’origine végétative entourant les deux cellules spermatiques, alors que la protéine tronquée perd cette localisation. Des approches pharmacologiques et de mutagenèses dirigées ont permis de révéler un adressage de NLD à la membrane grâce à des ancrages lipidiques et des interactions électrostatiques entre la membrane et la protéine. En parallèle, il a pu être observé que la troncation de NLD, en plus de conduire à la formation d’haploïdes maternels, entraînait de nombreux phénotypes de grains anormaux. Le génotypage des produits de fécondations (albumens et embryons) résultant de croisements avec des lignées inductrices ont permis de mettre en évidence l’existence d’anomalies chromosomiques paternelles, pouvant expliquer ces différents phénotypes de grains anormaux. L’ensemble de ces résultats indiquent que la phospholipase NLD intacte est nécessaire pour le bon déroulement de la reproduction sexuée.