La stérilité mâle cytoplasmique ou SMC

En plus d'être impliquées dans des fonctions essentielles comme la respiration ou la biosynthèse de cofacteurs, les mitochondries végétales sont également responsables d'un caractère appelé stérilité mâle cytoplasmique (ou SMC). Ce caractère correspond à une condition largement répandue chez les plantes qui se manifeste par une incapacité à produire du pollen fonctionnel ; ces plantes sont appelées mâle-stériles (Budar et al., 2003).

Dans la nature, la SMC peut être observée dans les populations d'espèces sauvages gynodioïques dans lesquelles des plantes hermaphrodites et male-stériles (femelles) cohabitent. La SMC peut également apparaître dans les descendances de croisements interspécifiques dans lesquelles le fond nucléaire d'une espèce est combiné avec le fond cytoplasmique d’une autre. Dans ce cas, le phénotype mâle-stérile peut soit résulter de la perturbation de la coadaptation noyau-cytoplasme et la dérégulation de multiples facteurs génétiques ou de la réactivation d'un seul gène mitochondrial qui est réduit au silence lorsqu'il est combiné avec son noyau d'origine. Le premier type de SMC est considéré comme le résultat d'une perte de fonction alors que le second est interprété comme un gain de fonction associé à la renaissance d'une SMC en sommeil (Budar et al., 2003).

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Puisque le phénotype de stérilité mâle force la pollinisation croisée, les SMC ont été transférées à partir d'espèces sauvages dans un certain nombre d'espèces cultivées et sont largement utilisées par l'industrie des semences pour réduire les coûts associés à la production de semences hybrides. Le fort intérêt agronomique pour les SMC a permis le développement de vastes programmes de recherche visant à déchiffrer la physiologie de ce caractère ainsi qu’à identifier les déterminants génétiques impliqués. Ces dernières années, des progrès importants ont été faits pour comprendre le contrôle nucléaire des SMC et plusieurs loci nucléaires régulant l'expression des déterminants de la SMC ont été identifiés dans diverses espèces cultivées (Dahan & Mireau, 2013).

Les SMC gain de fonction sont toujours associées à l'expression d’ORF mitochondriales peu conservées et souvent chimériques. Ces ORF sont généralement co-transcrites avec des gènes mitochondriaux essentiels, et cette association favorise vraisemblablement la stabilité et le maintien des gènes de SMC à l'intérieur du génome mitochondrial (Budar et al., 2003). La façon dont les protéines induisant la SMC interfèrent avec le développement du pollen et la raison pour laquelle leurs effets inhibent seulement la production du gamétophyte mâle en dépit d'être exprimé de façon constitutive sont encore largement incomprises. La cytotoxicité de plusieurs protéines inductrices de SMC lorsqu’elles sont exprimées dans E. coli suggère fortement que ces protéines peuvent être préjudiciables à la respiration mitochondriale (Duroc et al., 2005; Wang et al., 2006). Il a été montré que certaines protéines de SMC formaient des pores dans la membrane interne mitochondriale, mais le mécanisme conduisant à l’avortement du pollen est encore inconnu (Dahan & Mireau, 2013).

La fertilité mâle peut être restaurée par l'expression de gènes nucléaires appelés restaurateurs de fertilité (Rf), qui rétablissent la production de pollen (de façon partielle ou totale, selon les cas). La plupart des gènes restaurateurs semblent fonctionner en prévenant l’expression de l’ARNm ou de la protéine inductrice de SMC (Budar & Pelletier, 2001; Uyttewaal et al., 2008a). La restauration de la fertilité est donc généralement associée à une forte réduction de la production de protéines mitochondriales induisant la SMC. Des perturbations dans l'abondance ou le profil des transcrits issus des gènes de SMC sont également souvent observées. Cependant, les mécanismes moléculaires exacts conduisant à la perte de la protéine de SMC n’ont pas été résolus dans la plupart des cas. Ces dernières

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années, plusieurs gènes Rf ont été clonés à partir de diverses espèces cultivées et la majorité d'entre eux codent des protéines appartenant à la famille PPR (Dahan & Mireau, 2013).

Il a été montré que toutes ces protéines PPR restauratrices de fertilité (Rf-PPR) sont adressées à la mitochondrie et agissent en réduisant spécifiquement l'accumulation de l’ARNm mitochondrial associé à la SMC ou des protéines apparentées. La prévalence des protéines PPR dans la maturation des ARN mitochondriaux et chloroplastiques est maintenant largement documentée et le fait que de nombreux gènes Rf codent des protéines PPR est cohérent avec les rôles que ces protéines exercent sur les ARN mitochondriaux induisant des SMC (Schmitz-Linneweber & Small, 2008; Dahan & Mireau, 2013).

Contrairement à la plupart des fonctions mitochondriales présentes chez les organismes aérobies obligatoires, le caractère non-essentiel du phénotype lié aux SMC a permis aux systèmes SMC/Rf de représenter des modèles précieux pour étudier les interactions génétiques nucléo-mitochondriales chez les plantes. La caractérisation fonctionnelle des protéines PPR restauratrices a grandement participé à la compréhension de l'activité moléculaire des protéines PPR et démontré que les protéines PPR-Rf interfèrent avec l'expression des ARNm issus des gènes de SMC en mettant en place les mêmes mécanismes de maturation de l'ARN que mettent en place les protéines PPR « classiques » pour promouvoir l’expression de leur cible (Dahan & Mireau, 2013).

Néanmoins, tous les restaurateurs de fertilité ne sont pas des protéines PPR. La première exception décrite concerne la SMC du maïs, pour laquelle le restaurateur identifié, Rf2 ne code pas une protéine PPR mais une aldéhyde déshydrogénase (Cui et al., 1996). Par la suite, d’autres restaurateurs non-PPR ont été identifiés et correspondent à une protéine riche en glycine (GRP162), une protéine comportant une homologie partielle avec les protéines porteuses d’acyl (Rf17) ou encore une protéine ayant une forte homologie avec une métallopeptidase (bvORF20) (Gaborieau et al., 2016).

Ci-après sont présentés plusieurs systèmes de SMC faisant intervenir des protéines restauratrices de la famille PPR.

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1.5.4.1.1. Stérilité mâle cytoplasmique identifiée chez le pétunia

Le clonage du gène Rf-PPR592 du pétunia a été le premier révélant que les gènes Rf

peuvent coder des PPR mitochondriales (Bentolila et al., 2002). Chez cette espèce, un seul cytoplasme est connu pour induire une SMC, et c’est le gène pcf qui en est responsable (Young & Hanson, 1987). Le gène pcf code une protéine chimère de 43 kDa, comprenant des portions de la sous-unité 9 de l'ATP synthase (Atp9) et de la sous-unité 2 de la Cytochrome Oxydase (Cox2) fusionnées à une ORF inconnue, nommée urfS (Young & Hanson, 1987). Le locus Rf de ce système contient deux gènes PPR hautement homologues : PPR591 et Rf-PPR592 (Bentolila et al., 2002). Ces deux gènes résultent d'une duplication récente et codent des protéines semblables à 93 %, mais seule Rf-PPR592 porte l’activité restauratrice (Dahan & Mireau, 2013)

La protéine Rf-PPR592 est capable de rétablir la production de pollen en diminuant la quantité de la protéine PCF (Gillman et al., 2007). Le site de liaison de Rf-PPR592 pourrait être situé au niveau de la 5’UTR de l’ARNm pcf, ce qui soutient son rôle potentiel dans la maturation du transcrit (Pruitt & Hanson, 1991; Gillman et al., 2007). Il reste également possible que cette liaison prévienne la traduction de l'ARNm pcf, ce qui impliquerait un rôle indirect de Rf-PPR592 dans la traduction de pcf (Bentolila et al., 2002).

1.5.4.1.2. Stérilités mâles cytoplasmiques identifiées chez le radis

Peu de temps après l'identification du restaurateur du pétunia, les gènes Rfo et Rfk1

restaurant la fertilité des SMC Ogura et Kosena du radis (Raphanus sativus), ont été simultanément identifiés par trois groupes différents (Desloire et al., 2003; Brown et al., 2003; Koizuka et al., 2003). Ces SMC dites « sœurs » sont respectivement causées par l’ORF138 (Ogura) ou l'ORF125 (Kosena), qui codent des protéines inductrices de stérilité presque identiques, mais ne montrant aucune homologie avec d’autres protéines connues (Bonhomme et al., 1992; Dahan & Mireau, 2013). Ces deux SMC proviennent du radis et ont été transférées avec succès au colza par fusion de protoplastes (Pelletier et al., 1983).

Les loci restaurateurs de fertilité des SMC Ogura et Kosena sont identiques et codent trois protéines PPR très semblables (PPR-A, PPR-B et PPR-C) parmi lesquelles une seule, PPR-B (aussi appelé Rfo), porte l’activité de restauration (Desloire et al., 2003; Brown et al., 2003;

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Koizuka et al., 2003; Uyttewaal et al., 2008a). Des analyses cytologiques on ensuite montré que l'élimination complète de l’ORF138 du tapis et les microspores était essentielle à la restauration de la fertilité, indiquant que les principaux lieux d'action de PPR-B résident dans ces tissus (Uyttewaal et al., 2008a). D’autres analyses ont montré que la restauration de la fertilité médiée par PPR-B n’influent pas sur la taille ni sur l'abondance de l'ARNm orf138, même d’une façon tissu-spécifique (Grelon et al., 1994; Krishnasamy & Makaroff, 1994; Uyttewaal et al., 2008a). L’ARNm orf138 co-immunoprécipite spécifiquement avec la protéine PPR-B. Ces données favorisent l’hypothèse selon laquelle PPR-B pourrait entraver la traduction de l’ARNm orf138 en empêchant l'association ou la progression des ribosomes mitochondriaux (Uyttewaal et al., 2008a).

1.5.4.1.3. Stérilités mâles cytoplasmiques identifiées chez le riz

Chez le riz, des restaurateurs de fertilité contrôlant l'expression de deux systèmes de SMC génétiquement indépendants ont été identifiés. Dans le premier système, la stérilité mâle est induite par le locus mitochondrial B-atp6, qui comprend une copie du gène ATP6 et une séquence en aval contenant une ORF prédite appelé ORF79, partiellement identique au gène COX1 de riz (Kadowaki et al., 1990; Akagi et al., 1994). La restauration de la fertilité de cette SMC est associée au locus Rf-1. Le gène restaurateur, codant une protéine PPR, a été identifié par plusieurs groupes de recherche et a finalement été nommé RF1A (Wang et al., 2006; Kazama & Toriyama, 2003; Komori et al., 2004; Akagi et al., 2004).

Un second restaurateur, également codé par le locus Rf-1 et nommé RF1B, code une protéine PPR partageant 70% d'identité avec RF1A. Les deux protéines RF1A et RF1B sont adressées aux mitochondries de riz et bloquent la production de la protéine cytotoxique ORF79 par deux mécanismes distincts. RF1A induit des clivages endonucléolytiques dans trois régions majeures de l’ARNm B-atp6/orf79, libérant les ARNm B-atp6 et orf79 sous forme monocistronique. La protéine RF1B, médie la dégradation complète de l’ARNm B-atp6

-orf79, mais la façon dont cette dégradation est orchestrée n’est actuellement pas claire (Wang et al., 2006). La deuxième copie (normale) du transcrit atp6 n’est pas affectée par RF1B, ce qui suggère que la déstabilisation post-transcriptionnelle de l’ARNm B-atp6-orf79 se produit au travers des séquences présentes au sein de l’orf79. Il a également été montré que RF1A est épistatique sur RF1B (Wang et al., 2006; Dahan & Mireau, 2013).

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Le troisième système de SMC décrit chez le riz est nommé Hong-Lian. Le gène RF5

code une protéine PPR identique à RF1A, mais le mécanisme associé à la restauration de la SMC Hong-Lian diffère de la SMC BT. Bien que la SMC soit causée par un gène mitochondrial presque identique à ORF79 (appelé ORF79H), la restauration de la fertilité implique également un clivage endonucléolytique en amont du transcrit orf79H. La protéine RF5 ne possède pas la capacité de se lier à la région inter-génique du transcrit atp6-orfH79, mais elle interagit avec la protéine riche en glycine GRP162, qui elle, lie ce transcrit. Les protéines RF5 et GRP162 font donc partie d’un complexe de restauration de la fertilité, qui clive le transcrit

atp6-orfH79 in vitro (Liu et al., 2004; Hu et al., 2012).

D’autres restaurateurs de fertilité, Rf-3 et Rf-4 ont été identifiés pour la SMC WA chez le riz mais aucun gène causant la stérilité n’a encore été identifié (Zhang et al., 1997; Ahmadikhah & Karlov, 2006).

1.5.4.1.4. Stérilité mâle cytoplasmique identifiée chez le sorgho

Chez le sorgho, le locus Rf1 restaurant la SMC du cytoplasme A1 a été identifié. Il s’agit d’un locus de 32-kb codant quatre ORFs, dont le gène PPR13. Ce dernier constitue le meilleur gène candidat pour promouvoir l'activité de restauration de la fertilité. Contrairement à l'ensemble des gènes PPR-Rf connus, PPR13 code une protéine PPR appartenant au sous-groupe PLS (Klein et al., 2001, 2005; Cheng et al., 2016). S’il est vérifié que PPR13 est bien une protéine restauratrice, cela indiquerait que la restauration de fertilité du cytoplasme A1 implique l’édition d’un transcrit mitochondrial (Dahan & Mireau, 2013).

Un second locus restaurateur, Rf5, a été identifié chez le sorgho. Contrairement au locus Rf1 qui restaure la fertilité mâle des plantes ayant le cytoplasme A1, Rf5 restaure à la fois celles présentant les cytoplasmes A1 et A2 (Jordan et al., 2011, 2010).

1.5.4.1.5. Stérilité mâle cytoplasmique chez Arabidopsis thaliana

Une stérilité mâle dite « cryptique »h a été découverte chez Arabidopsis thaliana. Elle a été mise en évidence en croisant des accessions génétiquement éloignées : Shahdara (Sha) originaire du Tadjikistan, et Monte-Rosso (Mr-0) originaire d’Italie. La stérilité mâle résulte de l’interaction entre le cytoplasme de Sha et deux régions du génome nucléaire de Mr-0,

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localisées sur les chromosomes 1 et 3. Le facteur stérilisant du cytoplasme Sha correspondrait à une ORF mitochondriale nommée orf117Sha (Gobron et al., 2013).

Les auteurs ont montré que dans ce cas précis, l’avortement du pollen est dû à deux causes différentes. Tout d'abord, le cytoplasme Shahdara induit une stérilité mâle cytoplasmique gamétophytique contrôlée par plusieurs loci nucléaires (comportant des protéines PPR). Ensuite, des distorsions de ségrégation conduisant à un avortement du pollen opèrent chez ces hybrides quel que soit le cytoplasme (effet appelé Pollen Killer). La stérilité complète des plantes portant le cytoplasme Shahdara et le noyau Mr-0 résulte de la liaison génétique entre les deux causes de la mortalité du pollen (Simon et al., 2016).

1.5.4.1.1. Stérilité mâle cytoplasmique chez l’orge

Chez l’orge, le locus Rfm1 restaure la fertilité-mâle des cytoplasmes msm1 et msm2. Le gène restaurateur n’a pas été cloné mais il pourrait s’agir, d’une protéine PPR de la sous-famille DYW (Ui et al., 2014).