Study of the temperature-mediated transcriptional and post-transcriptional regulation of dormancy and budbreak in apple | Etude de la régulation transcriptionnelle et post-transcriptionnelle médiées par la température de la dormance et du débourrement chez le pommier

英语. Temperate and boreal trees face harsh conditions during winter such as extreme cold, drought and insufficient light. These trees have developed a specific mechanism called “bud dormancy” to protect their meristem and floral tissues during winter, and to allow the next growth cycle to occur at an appropriate time in the next spring. Three successive stages are usually considered during dormancy. In this thesis, I focused on two of them, endo and eco-dormancy and on the transition between them. In the endo-dormant stage, bud growth is not possible even when placed under forcing conditions (i.e. warm temperatures). This stage requires exposure to cold temperatures to be overcomed. Then, the buds enter into the ecodormancy stage, in which growth is repressed by not suitable environmental conditions. Once in warmer conditions, the tree opens its buds (budbreak) and enters into the growth and reproductive phase. In this PhD, I have studied dormancy in the apple tree (Malus domestica Borkh), an economically important fruit crop that presents chilling-dependent bud dormancy. The chilling requirements (CR) necessary to overcome endodormancy are known to vary among cultivars. CR are thus genetically defined and genes as DORMANCY ASSOCIATED MADS-box genes (DAMs) have been reported as main dormancy regulators. In Arabidopsis thaliana, MADS-box genes act in the vernalization and the thermosensory pathways to control flowering time in response to ambient temperature. These pathways are partly modulated at the transcriptional and post-transcriptional levels. At the post-transcriptional level, alternative splicing (AS) mechanisms and microRNAs (miRNAs) are known to operate in the temperature-mediated control of flowering in A. thaliana. In this Thesis, my working hypothesis is that the temperature-mediated regulation of dormancy and budbreak in apple (and other fruit trees) is regulated by similar mechanisms to those that operate in the vernalization and thermosensory flowering pathways of A. thaliana. Thus, I investigated differentially expressed genes and miRNAs during endormancy and transition to ecodormancy, and I performed a preliminary analysis to detect alternative splicing (AS) events to better understand the post-transcriptional regulation of dormancy in apple tree. Using a transcriptomic approach, I performed RNA and small RNA sequencing analysis to study the differential expression of genes and miRNAs during endodormancy release and transition to ecodormancy. This highlighted a huge reprograming in gene expression during this dormancy switch, with a high number of genes being up-regulated during endodormancy release. We detected two isoforms of AS for the dormancy-related Malus domestica (Md) gene SHORT VEGETATIVE PHASE a (MdSVPa) with potentially different functions. Moreover, the expression of some of the dormancy associated genes were sensitive to temperature variation and/or Reactive Oxidative Species (ROS). Furthermore, two cultivars of apple trees with different chilling requirements presented different gene expression, especially in the apple homologs of the A. thaliana HOMEOBOX PROTEIN 22 (HB22) and AINTEGUMENTA (ANT) genes. Among the detected miRNAs, we could identify 17 that were differentially expressed during endodormancy release. In particular, the expression pattern of miR159a suggests a role of this miRNA during dormancy linked to the abscisic acid perception. This work brings new knowledge on the role of AS and miRNAs in bud dormancy post-transcriptional regulation even though more studies are necessary to fully understand their impact in such complex mechanisms as bud dormancy.

法语. Les arbres des régions tempérées et boréales font face à de rudes conditions environnementales au cours de l'hiver, telles que des températures froides extrêmes, la sécheresse et le manque de lumière. Ces arbres ont développé un mécanisme spécifique appelé “dormance” pour protéger leurs méristèmes et tissus floraux pendant l'hiver et permettre l'ouverture des bourgeons au moment approprié au printemps suivant. Trois stades de dormance sont généralement considérés. Dans cette thèse, je me suis focalisé sur deux d'entre eux, l'endo et l'éco-dormance, et sur la transition de l'un à l'autre. Pendant l'endo-dormance, la croissance des bourgeons n'est pas possible même quand ils sont mis en conditions de forçage (i.e. températures chaudes). Ce stage requiert une exposition prolongée au froid pour être dépassé. Les bourgeons entrent alors en éco-dormance, sate au cours duquel la croissance reste réprimée tant que les conditions ne sont pas favorables. Quand les conditions sont plus chaudes, l'arbre ouvre ses bourgeons et entre en phase de croissance et de reproduction.Dans cette thèse, j'ai étudié la dormance chez le pommier (Malus domestica Borkh), une espèce fruitière d'importance économique et qui présente une dormance hivernale. Les quantités de froid nécessaires à la levée de l'endo-dormance varient en fonction des cultivars. Les besoins en froid (ou chilling requirements, CR) sont donc supposés génétiquement contrôlés et des membres d'une famille de gènes appelés DORMANCY ASSOCIATED MADS-box (DAMs) ont été identifiés comme régulateurs majeurs de la dormance.Chez Arabidopsis thaliana, les gènes MADS-box agissent dans la voie de la vernalisation qui conduit à la floraison printanière. Leur régulation épigénétique par des petits ARN (miRNAs) lors d'une exposition au froid a été décrite chez cette espèce. En faisant l'hypothèse de similarités entre la vernalisation et la dormance des bourgeons, j'ai étudié les gènes et les petits ARNs différentiellement exprimés durant l'endo-dormance et dans la transition vers l'éco-dormance. J'ai aussi réalisé une analyse préliminaire de l'existence d'événements d'épissage alternatif pour mieux comprendre la régulation post-transcirptionnelle des gènes impliqués dans la dormance du pommier. Par une approche transcriptomique, j'ai analysé les ARN et petitARN différentiellement exprimés durant l'endodormance et la transition vers l'éco-dormance. Cela a révélé une importante reprogrammation de l'expression des gènes au cours de cette transition, avec une grande quantité de gènes sur-exprimés au moment de la levée de l'endo-dormance. Deux isoformes du gène Malus domestica (Md) SHORT VEGETATIVE PHASE a (MdSVPa) ont été identifiées, dont les fonctions semblent différentes. Plusieurs des gènes associés à la dormance se sont révélés sensibles aux variations de températures et à l'application d'espèces activées de l'oxygène (ROS). De plus, deux génotypes dont les besoins en froid sont contrastés ont présenté des niveaux différents d'expression de gènes, notamment les homologues chez pommier de A. thaliana HOMEOBOX PROTEIN 22 (HB22) et AINTEGUMENTA (ANT). Parmi les petits ARN, 17 se sont révélés différentiellement exprimés au cours de la levée de dormance. En particulier, le pattern d'expression du précurseur de miR159a suggère que ce petit ARN pourrait avoir un rôle, possiblement en lien avec la perception de l'acide abscisique, au cours de l'éco-dormance. Ce travail apporte de nouvelles connaissances sur le rôle des gènes impliqués dans la dormance, leur épissage alternatif et leur régulation par les petits ARN, bien que des études ultérieures soient nécessaires pour investiguer plus avant un mécanisme aussi complexe que la dormance des bourgeons