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La germination vient en dormant
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+ Laboratoire de biologiedes semenceslnrai Ina-PG,route de Saint-Cyr, 78026 Versailles. Contact: L Lepiniec E-mail: lepiniec@ versailles.inra.fr
(1) On distinguela dormanceprimaire, acquisesur la plante meredurantla maturationde la graine,et la dormancesecondaire,acquiseapres la disseminationde la graine. (2) La germination est la phasede mise en placedes mecanismesqui permettent la reprisedu developpementd’un embryonayant achevesa maturation. Maisce terme est communement utilisepour dkrire la protrusionracinaire et la mobilisationdes reservesqui, strict0 sensu,suiventla germination.
Pour une semence, mieux vaut attendre, pour germer, que Epoque soit favorable. La dormunce des graines a rholu ce problhne de concordance des temps... en en crkant de nouveaux pour les agriculteurs, g&&s par exemple par les repousses provenant de semences trop profondkment C(endormies )L Les biologistes se sont lank 2 la recherche des g&es qui contrblent ce mhanisme. priori, rien ne devrait empfcher -St une graine de tabac ou d’orge, par exemple, de germer, une fois platee dans des conditions favorables d’humiditi, de temperature, d’oxygenation et de lumiere. Pourtant, elle s’en revele souvent incapable, bloq&e dans un &at dormant (I) (voir figure 2). Cet Ctat apparait generalement durant la maturation de la semence sur la plante mere, au tours de laquelle la graine stocke des substances nutritives et acquiert certaines caractiristiques, telle la resistance i la dessiccation. Comment la dormance se met-elle en place ? Quels sont les mecanismes moleculaires qui determinent sa levee et permettent ainsi la germination et la mobilisation des reserves necessaires au developpement de la plantule (2) ? Ces questions ont leur importance en agronomie puisque la dormance conduit a une hetirogineid de la periode ou germent les semis. Dans certains cas, une dormance trop faible peut provoquer des germinat;nnc nr&nrr-. Fllr 12 nl2nte In&P
j
chez les &Gales notamment. Inversement, une dormance trop importante peut entraver les rotations de cultures en entrainant des repousses les annees suivantes. De tres nombreuses etudes physiologiques et agronomiques ont, depuis plusieurs decennies, mis en evidence les grands traits des mecanismes en jeu dans I’apparition et le maintien de la dormance (3, 4). On sait qu’elle s’etablit sous l’influence de substances chimiques produites par la graine, dont la plus importante est une hormone, l’acide abscissique (ABA). La levee de la dormance depend en partie des &changes hydriques et gazeux entre la graine et le milieu exterieur. Or la structure et la composition, notamment en composes phenoliques, de l’enveloppe de la graine sont responsables de son impermeabilite B l’eau et aux gaz, et de sa resistance a la degradation dans le sol. L’enveloppe peut ainsi diterminer la duree de la dormance et done la vitesse de germination des graines. TI P‘3 rlair 6UalPmPnt “I,? la <
deur )> du sommeil des graines, au sein d’une m&me espece, est t&s variable : elle depend du genotype de la plante mere, mais elle est Cgalement t&s fortement influencee par l’environnement (temperature, humidite et lumitre) et ses consequences sur la physiologie de la plante mere. En d’autres termes, la dormance est un caractere quantitatif complexe control6 par plusieurs genes, dont certains sont sous le controle de facteurs environnementaux. Des procedes industriels dits de ccpriming )) (refrigeration, hydramtion contr61Ce des graines) sont d’ailleurs couramment utilises pour lever artificiellement la dormance et assurer une homogeneite maximale de la germination d’un lot de semences. Ces techniques enclenchent probablement certains mecanismes physiologiques participant i la levee de la dormance, sans pour autant conduire a la germination, stade au-deli la deshydratation des duquel semences et done leur stockage ne seraient plus possibles.
> Un repos sous influence hormonale Le modele le mieux Ctabli pour expliquer le maintien ou la levee de la dormance met en avant l’equilibre entre l’acide abscissique (ABA) et d’autres hormones vegetales, les acides gibberelliques (voir figwe 2). Fn pffpt
I’ARA
ribnIt=
I’cxnrm&n
de
(3) D C6meet F Corbineau(eds)(1993) Quatriimerencontre internationale sur /es semences,Angers, Universit6Pierre-etMarie-Curie,Paris. Graine de toumesol en debut de germination.
nombreux genes durant la maturation de la graine et participe a l’acquisition de la resistance B la dessiccation. Cette hormone est Cgalement impliquee dans l’inhibition de la germination prtcoce sur la plante mere ainsi que dans l’ttablissement et, tres probablement, le maintien de la dormance. De nombreuses don&es sur la synthese et le mode d’action de cette hormone confirment ce point de vue (5, 6). Les acides gibberelliques (GA) ont une action inverse. Indispensables a la germination, ils semblent intervenir essentiellement, en ce qui concerne les graines, dans la levee de la‘dormance lice a l’enveloppe et dans la mobilisation des reserves. La biosynthese des GA et l’augmentation de la sensibilite
En blanc, les cotyledons.
cellulaire a ces hormones sont sous le controle de la lumiere, via des promines photoreceptrices, les phytochromes. Enfin, d’autres composes, tels les nitrates et les nitrites, et differentes hormones, comme l’auxine, les cytokinines et l’ethylene, exercent eux aussi, chez certaines especes, une action stimulante sur la germination.
> Plus tune dizaine de sites chromosomiques impliqutk Comparees a ces explications physiologiques, les informations sur le determinisme genitique et moleculaire du controle de la dormance et de la germination sont encore clairsemees. Ce manque de don&es s’explique en grande partie par le
nombre ClevC de genes mis en jeu, leur caractere quantitatif, leurs probables interactions, et enfin par la part tres importante de l’environnement sur le controle de leur expression. Cependant, differentes etudes ginitiques, portant essentiellement sur des cereales comme le ble, l’orge ou I’avoine, ont mis en evidence l’implication d’au moins une dizaine de sites chromosomiques, ou QTL (quantitative trait loci), dans ce controle. Deux ou trois suffisent parfois a expliquer jusqu’a 50 % de la variabilite de la dormance au sein d’une espece (7). Recemment, I’equipe de Marteen Koornneef, a l’universite de Wageningen (Pays-Bas), a decouvert qu’au moins 14 QTL sont en jeu chez l’arabette (Arabidopsis
FIG 1 - Comparaison de la vitesse de germination chez Nicotiana plumbaginifolia. (a) de graines fraichement recoltees, qui sont donnantes (en bleu) et de graines stock&es pendant 6 mois a set (en rouge) ; (b) de graines fraichement mcoltees de type sauvage (en bleu) et provenant d’un mutant deficient en acide abscissique (en vert). BIOFUTUR175 l Fevrier1998 33
(4) GA Lang(ed) (1996) PlantDormancy: Physiology, Biochemistryand MolecularBiology, CABInternational, Wallingford,Oxon, Royaume-Uni. (5) J Leunget J Giraudat(1998)Annu Rev P/antPhysiol P/antMO/Bio149, 199-222. (6) A Marion-Poll (1997) TrendsP/ant Sci2, 447-448. (7) B Li et ME Foley (1997) TrendsP/ant Sci 2,384-389.
thaliunu) (a). Progressivement, on
ne se
co&me) j soit.provoquer axiiki&e-
Ces dernikes an&es, I’analyse mokulaire des mutants a CtC facilitie par les progrks technologiques tels que la ccmarche sur le chromosome )) - autrement dit, I’isolement progressif du gkne mutC g partir de marqueurs qui I’encadrent - ou l’utilisation de (
a pour indr@t essentiel d’Ctre le modkle vCgCta1le plus utilisC en gknitique mokulaire (11) et d’avoir ktk t&s bien ktudik sous l’angle de la dormance et de la germination (14). Cet ink& est renforck par le fait que la majori& des don&es mokulaires concernant une espke
Arabidopsis
variations importantes au niveau de la plante en&&e. D’autres espkces modtles sent ,donc CtudiCes, chacune avec des qua& diverses. Les ckreales g paille (blk, orge, avoine) servent h I’Ctude de la germination prkoce sur pied, mais sont peu adaptees h une utilisation en laboratoire. Le mai’s, bien que possidant un gCnome beaucoup plus grand et plus complexe que est trks Ctudik, celui d’Arabidopsis, pour des raisons historiques, scientifiques (utilisation des transposons, dkcouverts chez cette espke, pour provoquer des mutations) ou en raison de l’implication d’importantes compagnies privkes. De son c&C, le riz, essentiellement CtudiP par les Japonais, est aujourd’hui, chez les monocotylkdones, un modkle presque Cquivalent g Arabidopsis pour les dicotylidones (11). Enfin, Nicotiana espke proche du plumbaginifolia, tabac, a l’avantage de ne pas avoir ktC dome&q&e par l’homme et de poss& der une dormance marquke. Jusqu’g p&sent, les rPsultats de la recherche sur les mkcanismes moleculaires determinant la germination des semences n’ont pas pu Stre exploitis au niveau agronomique. La klection de variCtCs plus ou moins dormantes reste difficile, car on ne dispose pas de marqueurs moltculaires de ce caracttre. Mais cela est en train de changer : l’isolement de marqueurs mokulaires & partir de
(11) M Caboche (1997) Biofutur 172, 34-37. (12) N Bechtold eta/ (1993) CRAcadSci Ser 111Sci Vie316. 1194-l 199. (13) B Dubreucq et al (1996) MO/ & Gen GenetX, 42-50. (14) M Koornneef et CC Karssen (1994) Seed Germination and Dormancy (EM Meyerowitz et CR Sommerville eds) CSHL Press, Cold Spring Harbor, itats-Unis, 313-334.
Pour en savolr plus Ouvrages l M Koornneef et CC Karssen (1994) Seed Germination and Porrhancy (EM Meyerowitzet CR Sommerville, eds) CSHL Press, Cold Spring Harbor, ttats-Unis, NY 313-334. - J Kigel et G Gall1 (eds) (1995) Seed Development and Germination, Marcel Dekker, New York. l JD Bewley et M Black (1994) Seeds, Plenum Press, New York. Laboratoire de biologic des semences de I’lnra http://www. inra.frl versailles/BIOSEM
Pour rechewher des s6quences g6nhiques (des promoteurs) a&h&es spkifiquement lors de la germination, on utilise le gene rapporteur GUS (pour A glucuronidase), dont I’expression colore les cellules en bleu, ici B I’emplacement de la protrusion racinaire.
&g&ale sent utilisables pour rechercher des skquences homologues chez d’autres espkces. Cependant, cette approche comparative a des limites : de petites diffkences entre les prodines et surtout dans I’expression des g&es peuvent &re responsables de
mutants ou par analyse gtrktique de QTL a cornmen& et devrait progressivement combler cette lacune. L’amClioration de la qualit& des semences par stlection pourra en itre rapidement facilitee. A moyen terme, elle sera possible par transgenkse. a BIOFUTUR 175
l
Wrier 1998 35
Remerclements B Marc Jullien, Annie Lescure, VBronique Tanty, Annie Marion-Poll. BBatrice Godin et SBbastien Maugenest.
+ Laboratoire de biologiedes semenceslnrai Ina-PG,route de Saint-Cyr, 78026 Versailles. Contact: L Lepiniec E-mail: lepiniec@ versailles.inra.fr
(1) On distinguela dormanceprimaire, acquisesur la plante meredurantla maturationde la graine,et la dormancesecondaire,acquiseapres la disseminationde la graine. (2) La germination est la phasede mise en placedes mecanismesqui permettent la reprisedu developpementd’un embryonayant achevesa maturation. Maisce terme est communement utilisepour dkrire la protrusionracinaire et la mobilisationdes reservesqui, strict0 sensu,suiventla germination.
Pour une semence, mieux vaut attendre, pour germer, que Epoque soit favorable. La dormunce des graines a rholu ce problhne de concordance des temps... en en crkant de nouveaux pour les agriculteurs, g&&s par exemple par les repousses provenant de semences trop profondkment C(endormies )L Les biologistes se sont lank 2 la recherche des g&es qui contrblent ce mhanisme. priori, rien ne devrait empfcher -St une graine de tabac ou d’orge, par exemple, de germer, une fois platee dans des conditions favorables d’humiditi, de temperature, d’oxygenation et de lumiere. Pourtant, elle s’en revele souvent incapable, bloq&e dans un &at dormant (I) (voir figure 2). Cet Ctat apparait generalement durant la maturation de la semence sur la plante mere, au tours de laquelle la graine stocke des substances nutritives et acquiert certaines caractiristiques, telle la resistance i la dessiccation. Comment la dormance se met-elle en place ? Quels sont les mecanismes moleculaires qui determinent sa levee et permettent ainsi la germination et la mobilisation des reserves necessaires au developpement de la plantule (2) ? Ces questions ont leur importance en agronomie puisque la dormance conduit a une hetirogineid de la periode ou germent les semis. Dans certains cas, une dormance trop faible peut provoquer des germinat;nnc nr&nrr-. Fllr 12 nl2nte In&P
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chez les &Gales notamment. Inversement, une dormance trop importante peut entraver les rotations de cultures en entrainant des repousses les annees suivantes. De tres nombreuses etudes physiologiques et agronomiques ont, depuis plusieurs decennies, mis en evidence les grands traits des mecanismes en jeu dans I’apparition et le maintien de la dormance (3, 4). On sait qu’elle s’etablit sous l’influence de substances chimiques produites par la graine, dont la plus importante est une hormone, l’acide abscissique (ABA). La levee de la dormance depend en partie des &changes hydriques et gazeux entre la graine et le milieu exterieur. Or la structure et la composition, notamment en composes phenoliques, de l’enveloppe de la graine sont responsables de son impermeabilite B l’eau et aux gaz, et de sa resistance a la degradation dans le sol. L’enveloppe peut ainsi diterminer la duree de la dormance et done la vitesse de germination des graines. TI P‘3 rlair 6UalPmPnt “I,? la <
deur )> du sommeil des graines, au sein d’une m&me espece, est t&s variable : elle depend du genotype de la plante mere, mais elle est Cgalement t&s fortement influencee par l’environnement (temperature, humidite et lumitre) et ses consequences sur la physiologie de la plante mere. En d’autres termes, la dormance est un caractere quantitatif complexe control6 par plusieurs genes, dont certains sont sous le controle de facteurs environnementaux. Des procedes industriels dits de ccpriming )) (refrigeration, hydramtion contr61Ce des graines) sont d’ailleurs couramment utilises pour lever artificiellement la dormance et assurer une homogeneite maximale de la germination d’un lot de semences. Ces techniques enclenchent probablement certains mecanismes physiologiques participant i la levee de la dormance, sans pour autant conduire a la germination, stade au-deli la deshydratation des duquel semences et done leur stockage ne seraient plus possibles.
> Un repos sous influence hormonale Le modele le mieux Ctabli pour expliquer le maintien ou la levee de la dormance met en avant l’equilibre entre l’acide abscissique (ABA) et d’autres hormones vegetales, les acides gibberelliques (voir figwe 2). Fn pffpt
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(3) D C6meet F Corbineau(eds)(1993) Quatriimerencontre internationale sur /es semences,Angers, Universit6Pierre-etMarie-Curie,Paris. Graine de toumesol en debut de germination.
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En blanc, les cotyledons.
cellulaire a ces hormones sont sous le controle de la lumiere, via des promines photoreceptrices, les phytochromes. Enfin, d’autres composes, tels les nitrates et les nitrites, et differentes hormones, comme l’auxine, les cytokinines et l’ethylene, exercent eux aussi, chez certaines especes, une action stimulante sur la germination.
> Plus tune dizaine de sites chromosomiques impliqutk Comparees a ces explications physiologiques, les informations sur le determinisme genitique et moleculaire du controle de la dormance et de la germination sont encore clairsemees. Ce manque de don&es s’explique en grande partie par le
nombre ClevC de genes mis en jeu, leur caractere quantitatif, leurs probables interactions, et enfin par la part tres importante de l’environnement sur le controle de leur expression. Cependant, differentes etudes ginitiques, portant essentiellement sur des cereales comme le ble, l’orge ou I’avoine, ont mis en evidence l’implication d’au moins une dizaine de sites chromosomiques, ou QTL (quantitative trait loci), dans ce controle. Deux ou trois suffisent parfois a expliquer jusqu’a 50 % de la variabilite de la dormance au sein d’une espece (7). Recemment, I’equipe de Marteen Koornneef, a l’universite de Wageningen (Pays-Bas), a decouvert qu’au moins 14 QTL sont en jeu chez l’arabette (Arabidopsis
FIG 1 - Comparaison de la vitesse de germination chez Nicotiana plumbaginifolia. (a) de graines fraichement recoltees, qui sont donnantes (en bleu) et de graines stock&es pendant 6 mois a set (en rouge) ; (b) de graines fraichement mcoltees de type sauvage (en bleu) et provenant d’un mutant deficient en acide abscissique (en vert). BIOFUTUR175 l Fevrier1998 33
(4) GA Lang(ed) (1996) PlantDormancy: Physiology, Biochemistryand MolecularBiology, CABInternational, Wallingford,Oxon, Royaume-Uni. (5) J Leunget J Giraudat(1998)Annu Rev P/antPhysiol P/antMO/Bio149, 199-222. (6) A Marion-Poll (1997) TrendsP/ant Sci2, 447-448. (7) B Li et ME Foley (1997) TrendsP/ant Sci 2,384-389.
thaliunu) (a). Progressivement, on
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co&me) j soit.provoquer axiiki&e-
Ces dernikes an&es, I’analyse mokulaire des mutants a CtC facilitie par les progrks technologiques tels que la ccmarche sur le chromosome )) - autrement dit, I’isolement progressif du gkne mutC g partir de marqueurs qui I’encadrent - ou l’utilisation de (
a pour indr@t essentiel d’Ctre le modkle vCgCta1le plus utilisC en gknitique mokulaire (11) et d’avoir ktk t&s bien ktudik sous l’angle de la dormance et de la germination (14). Cet ink& est renforck par le fait que la majori& des don&es mokulaires concernant une espke
Arabidopsis
variations importantes au niveau de la plante en&&e. D’autres espkces modtles sent ,donc CtudiCes, chacune avec des qua& diverses. Les ckreales g paille (blk, orge, avoine) servent h I’Ctude de la germination prkoce sur pied, mais sont peu adaptees h une utilisation en laboratoire. Le mai’s, bien que possidant un gCnome beaucoup plus grand et plus complexe que est trks Ctudik, celui d’Arabidopsis, pour des raisons historiques, scientifiques (utilisation des transposons, dkcouverts chez cette espke, pour provoquer des mutations) ou en raison de l’implication d’importantes compagnies privkes. De son c&C, le riz, essentiellement CtudiP par les Japonais, est aujourd’hui, chez les monocotylkdones, un modkle presque Cquivalent g Arabidopsis pour les dicotylidones (11). Enfin, Nicotiana espke proche du plumbaginifolia, tabac, a l’avantage de ne pas avoir ktC dome&q&e par l’homme et de poss& der une dormance marquke. Jusqu’g p&sent, les rPsultats de la recherche sur les mkcanismes moleculaires determinant la germination des semences n’ont pas pu Stre exploitis au niveau agronomique. La klection de variCtCs plus ou moins dormantes reste difficile, car on ne dispose pas de marqueurs moltculaires de ce caracttre. Mais cela est en train de changer : l’isolement de marqueurs mokulaires & partir de
(11) M Caboche (1997) Biofutur 172, 34-37. (12) N Bechtold eta/ (1993) CRAcadSci Ser 111Sci Vie316. 1194-l 199. (13) B Dubreucq et al (1996) MO/ & Gen GenetX, 42-50. (14) M Koornneef et CC Karssen (1994) Seed Germination and Dormancy (EM Meyerowitz et CR Sommerville eds) CSHL Press, Cold Spring Harbor, itats-Unis, 313-334.
Pour en savolr plus Ouvrages l M Koornneef et CC Karssen (1994) Seed Germination and Porrhancy (EM Meyerowitzet CR Sommerville, eds) CSHL Press, Cold Spring Harbor, ttats-Unis, NY 313-334. - J Kigel et G Gall1 (eds) (1995) Seed Development and Germination, Marcel Dekker, New York. l JD Bewley et M Black (1994) Seeds, Plenum Press, New York. Laboratoire de biologic des semences de I’lnra http://www. inra.frl versailles/BIOSEM
Pour rechewher des s6quences g6nhiques (des promoteurs) a&h&es spkifiquement lors de la germination, on utilise le gene rapporteur GUS (pour A glucuronidase), dont I’expression colore les cellules en bleu, ici B I’emplacement de la protrusion racinaire.
&g&ale sent utilisables pour rechercher des skquences homologues chez d’autres espkces. Cependant, cette approche comparative a des limites : de petites diffkences entre les prodines et surtout dans I’expression des g&es peuvent &re responsables de
mutants ou par analyse gtrktique de QTL a cornmen& et devrait progressivement combler cette lacune. L’amClioration de la qualit& des semences par stlection pourra en itre rapidement facilitee. A moyen terme, elle sera possible par transgenkse. a BIOFUTUR 175
l
Wrier 1998 35
Remerclements B Marc Jullien, Annie Lescure, VBronique Tanty, Annie Marion-Poll. BBatrice Godin et SBbastien Maugenest.