La maturation est la dernière étape du programme de développement des fruits charnus. Pendant cette étape, les fruits deviennent comestibles et acquièrent leurs qualités organoleptiques. Chez les fruits climactériques tels que la tomate, la maturation se caractérise par une production autocatalytique d'éthylène et une augmentation de la respiration. Pendant longtemps l'éthylène a été considéré comme l'hormone clé de la maturation des fruits climatériques. Même si le nombre d’études portant sur les mécanismes régulant la maturation s’est multiplié pendant les dernières décennies, les mécanismes moléculaires expliquant la transition vers la maturation restent mal compris. De plus, alors que la plupart des études se sont concentrées sur le péricarpe entre les stades Mature Green (MG) et Breaker (Br), les études portant sur le tissu loculaire restent rares. La première partie de cette thèse porte sur l’étude des changements transcriptionnel qui surviennent au cours du stade qui précède l’entrée en maturation appelé Mature Green (MG). Nous avons analysé l’évolution du profil transcriptomique global entre les stades MG précoce (Early MG ; EMG) et MG tardif (Late MG ; LMG), dans le gel et le péricarpe, séparément. L’étude montre que la transition du stade EMG au stade LMG s’accompagne d’une reprogrammation transcriptomique massive qui a lieu d'abord dans les tissus loculaires et qui s'étend ensuite au péricarpe. Ce changement est particulièrement remarquable pour 48 familles de facteurs de transcription, sur les 54 présentes dans la tomate, soulignant ainsi l'ampleur des changements transcriptomiques qui s’opèrent dans le gel au cours des évènements précoces. La combinaison des données transcriptomiques et métabolomiques suggèrent un changement de l’homéostasie hormonale entre les stades EMG et LMG, mettant en évidence le contrôle multi-hormonal de l'initiation de la maturation. De plus, l’étude met en évidence les rôles antagonistes de l'éthylène et de l'auxine lors de l’initiation de la maturation et montre que le traitement du fruit par l’auxine exogène induit la répression de la production autocatalytique d’éthylène à travers la régulation négative des gènes de biosynthèse impliqués dans le Système 2 de biosynthèse autocatalytique d’éthylène. La deuxième partie de la thèse porte sur le rôle des facteurs de transcription appartenant à la famille des Ethylene Response Factors (ERF) dans l'initiation de la maturation. Les ERF sont les derniers acteurs de la voie de signalisation de l'éthylène et les membres la sous-classe E présentent une expression associée à la maturation. Les protéines de la clade ERF.E sont caractérisées par la présence d’un domaine N-terminal conservé, décrit comme le substrat de la dégradation par la voie de la "N-end rule" en conditions normales d'oxygène. Des mesures d’oxygène au cours de la maturation dans différents tissus du fruit ont montré que contrairement au péricarpe qui se maintient en état de normoxia (concentration normale d’oxygène), le gel loculaire subit une baisse de la concentration d’oxygène pour se retrouver en condition d’hypoxie suggérant que la physiologie du gel diffère significativement entre le stade EMG (normoxie), et le stade LMG (hypoxie). L'ensemble de ces données suggère qu'au cours du stade MG, les fruits subissent des changements physiologiques et transcriptomiques importants qui pourraient être à l’origine de l’acquisition de la compétence à mûrir. Afin de déterminer le rôle des SlERF.E au cours de cette étape, leur régulation post-traductionnelle a été étudiée en réponse à l’hypoxie. Les études d’expression transitoire ont démontré qu’en condition d’hypoxie les ERF.E s’accumulent préférentiellement dans le noyau. De plus, la dégradation des protéines SlERF.E est favorisée en condition normoxique, tandis que l'hypoxie conduit à leur stabilisation, confirmant le rôle de l’oxygène dans la régulation des protéines SlERF.E. Enfin, pour mieux comprendre le rôle des ERF.E dans la maturation, des tomates transgéniques surexprimant SlERF.E2 ou SlERF.E4 ainsi que des lignées knock-out pour ces gènes ont été générées. Les lignées de surexpresssion montrent une maturation retardée, une production réduite d'éthylène et un retard de la déplétion en oxygène, suggérant que ces ERF codent pour des régulateurs négatifs de la maturation. |
Ripening is the last step in the developmental program of fleshy fruits, during which the fruits become edible and acquire their unique sensory qualities. In climacteric fruits such as tomato, ripening is characterized by a burst of autocatalytic ethylene production and an increase in respiration. Because of this burst, ethylene has been considered the key hormone in climacteric fruit ripening. Although our knowledge of the mechanisms that regulate fruit ripening has improved considerably over the past decades, the molecular mechanisms underlying the transition to ripening remain poorly understood. Previous studies of tomato fruit ripening have focused on deciphering the dynamic changes in the pericarp tissues between Mature Green (MG) and Breaker (Br) stages, neglecting what occurs in the locular tissues. The first part of this thesis addresses the transcriptomic changes between Early Mature Green (EMG) and Late Mature Green (LMG) stages, in gel and pericarp separately. The data shows that the shift from the inability to initiate ripening to the capacity to undergo full ripening requires a massive transcriptomic reprogramming that takes place first in the locular tissues and then extends to the pericarp. Genome-wide transcriptomic profiling revealed that 48 out of 54 transcription factor families are engaged in the global reprogramming of gene expression, thus highlighting the extent of the transcriptomic changes underlying fruit ripening. We observed extensive reformed hormone homeostasis during ripening onset, underlining the multi-hormonal control of ripening initiation. In addition, our data unveil the antagonistic roles of ethylene and auxin during the onset of ripening and show that auxin treatment represses climacteric ethylene production through the downregulation of genes involved in System-2 of ethylene biosynthesis. The second part of the thesis addresses the role of the Ethylene Response Factors (ERF) in ripening initiation. ERFs mediate the last step in the ethylene signaling pathway and members of ERF.E clade in the tomato display a remarkable ripening-associated expression pattern. ERF.E members are characterized by a conserved N-terminal domain, described as the substrate for degradation by the N-end rule pathway in normal oxygen conditions. Using physiological approaches, we demonstrated that the locular gel tissue undergoes drastic depletion of oxygen (hypoxia) as the ripening progresses. In contrast, other tissues, such as pericarp and columella maintain their normoxia status and fail to experience hypoxia. Whereas all previous studies considered the MG stage as homogeneous, we show that the physiology of the gel tissues differs significantly between the EMG (normoxia), and the LMG stage (hypoxia). Altogether, the data suggest that tomato fruits experience dramatic physiological and transcriptomic changes during the MG stage that lead the fruit to gain competency to ripen, a fate-determining point of the whole process of ripening. To further investigate the putative role of SlERF.E members during the transition to ripening, we addressed their regulation under hypoxia at the protein level. The data show that hypoxia induces a decrease in membrane localization of SlERF.E proteins, while promoting their accumulation in the nucleus. Moreover, normoxia promotes degradation of SlERF.E proteins, while hypoxia leads to their stabilization, revealing the role of oxygen concentration in the post-translational regulation of SlERF.E. We generated knocked-out and over-expressing tomato lines for SlERF.E2 and SlERF.E4 to gain insight on their functional significance. Over-expressing lines display delayed ripening, reduced ethylene production, and retarded depletion of oxygen, supporting the hypothesis that these genes encode for negative regulators of climacteric ripening. Overall, the outcome of the study sheds new light on the complex mechanisms and molecular factors regulating the initiation of the ripening process. |