Biochemical and molecular characterization of mechanisms involved in the germination of native species from New-Caledonia

New Caledonia possesses one of the world most rich, diverse and unique flora. Its high endemism (74,7%) is partly due to the gondwanian origin of its flora and to the high speciation induced by the ultramafic soils rich in heavy metals, including nickel. If this element is the source of the country richness, its mining exploitation and human colonization of the land induce ecosystems degradation. The study and comprehension of the new Caledonian flora is essential to be able to preserve, protect and restore its rich biodiversity. Preservation and restoration both depend on seeds. They are the unit of dispersal of higher plants, and responsible of their world domination on flora. We focused our study on the biochemical characterisation of seed biology of two extraordinary species, Amborella trichopoda, the sister to all extant flowering plants and Psychotria gabriellae, one of the world most nickel hyperaccumulating plant.Proteomic characterisation of A. trichopoda seeds was the first study that documented a rudimentary embryo proteome. This approach provides a better understanding of the mechanisms involved in the control of dormancy and germination of seeds with morphological dormancy such as A. trichopoda. The results obtained allow us to highlight the molecular maturity of the rudimentary embryo, as well as confirming the basal position of Amborella trichopoda trough phylogenetic analyses of selected protein families. The characterisation of the protein evolution during germination highlights massive mobilisation of storage proteins before the end of germination sensu stricto, and suggests a new definition of germination for seeds with rudimentary embryo.Previous proteomics characterisation of P. gabriellae seeds revealed a high representation of DING proteins that are known to be involved with ABC type transporters or to bind phosphorus. This observation was associated with an observed gradient of nickel inside the seed presumably to protect the embryo from its toxicity. During this work, we confirmed the presence of this protein family in the seeds, from which the belonging to the eukaryotic kingdom remains a subject of debate. To answer about the origin of these proteins in seed, we tried to determine the presence or not of bacteria in the dry mature seed. Four endophytic bacteria were identified but none of them seems to produce such proteins. However, the physiological signification of these bacteria to account for physiological features of the Psychotria gabriellae seeds and their exceptional tolerance toward nickel toxicity remains to be established.Beside this proteomics approach, we sequenced a large number of transcripts expressed during Psychotria gabriellae seed formation. This database will enrich the very limited genomic data available for this specie. It will allow a better understanding of the mechanisms involved in nickel hyperaccumulation, and may highlight novel tools for phytoremediation.
La Nouvelle-Calédonie possède une flore riche, diverse et unique au monde. Sa forte endémicité (74,7%) résulte en partie de l’origine gondwanienne de la flore et de la forte pression de sélection exercée par les sols ultramafiques, riches en éléments traces métalliques, dont le nickel. Si cet élément fait la richesse du pays par son exploitation minière, cette dernière, ainsi que l’anthropisation du territoire engendrent une détérioration des écosystèmes. Dans le cadre de la dynamique mondiale de conservation, de protection et de restauration de la biodiversité, il convient de caractériser au mieux la flore néo-calédonienne foisonnante de plantes uniques. Les graines, innovation des végétaux supérieurs assurant leur dissémination, sont un des points clés du succès de la domination mondiale des plantes supérieures et un outil indispensable à la restauration écologique. Notre étude s’est attachée à caractériser par une approche biochimique la biologie des graines de deux plantes endémiques exceptionnelles, Amborella trichopoda, soeur de toutes les plantes à fleurs et Psychotria gabriellae, une des plantes contenant le plus de nickel dans ses feuilles au monde.La caractérisation protéomique de la graine d’Amborella trichopoda a permis d’obtenir le premier protéome d’un embryon rudimentaire. L’étude de ce cortège protéique a apporté des éléments de réponse aux nombreuses questions que soulèvent les graines à dormance morphologique comme celles d’A. trichopoda. Notamment, nous avons montré que l’embryon rudimentaire a acquis un stade de maturité moléculaire (présence de protéines chaperons, de réserves lipidiques). L’étude phylogénique de ces protéines a permis de conforter la place basale d’A. trichopoda. La caractérisation de l’évolution du protéome au cours de la germination a quant à elle mise en évidence une utilisation massive des protéines de réserve avant la fin de la germination ce qui questionne la définition de la germination sensu stricto pour les espèces à embryon rudimentaire.Une précèdente étude du cortège protéique de P. gabriellae avait révélé la présence de protéines DING notamment impliquées dans l’homéostasie d’éléments minéraux via leur interaction avec des transporteurs de type ABC ou encore en séquestrant elles-mêmes le phosphore. Leur identification fut corrélée avec l’observation d’un gradient de nickel dans la graine visant à protéger l’embryon du caractère toxique de ce dernier. Les données recueillies au cours du présent travail ont permis de confirmer la présence de ces protéines dont l’origine eucaryotique fait cependant débat. Face à cette controverse, nous avons cherché à identifier la présence de bactéries chez la graine mature sèche. Quatre bactéries endophytes de graine ont été identifiées mais aucune ne semble produire de protéines DING. Le rôle de ces protéines dans la physiologie de la graine de P. gabriellae et dans l’adaptation au nickel restent à explorer.Par ailleurs, cette approche protéomique a été complétée par l’obtention des transcrits exprimés au cours de la formation de la graine de Psychotria gabriellae. Cette base de données représente une source de données génomique utile pour approfondir les mécanismes impliqués dans la mise en place de l’hyperaccumulation de nickel chez les plantes, mécanismes qui pourront un jour s’avérer utiles pour répondre à des questions de phytoremédiation.