Seasonal temperature variations influence tapetum mitosis patterns associated with reproductive fitness

Environmental stress in plants impacts many biological processes, including male gametogenesis, and affects several cytological mechanisms that are strongly interrelated. To understand the likely impact of rising temperature on reproductive fitness in the climate change regime, a study of tapetal mitosis and its accompanying meiosis over seasons was made to elucidate the influence of temperature change on the cytological events occurring during microsporogenesis. For this we used two species of an environmentally sensitive plant system, i.e., genus Cymbopogon Sprengel (Poaceae), namely Cymbopogon nardus (L.) Rendle var. confertiflorus (Steud.) Bor (2n = 20) and Cymbopogon jwaruncusha (Jones) Schult. (2n = 20). Both species flower profusely during extreme summer (48°C) and mild winter (15°C) but support low and high seed fertility, respectively, in the two seasons. We have shown that tapetal mitotic patterns over seasons entail differential behavior for tapetal mitosis. During the process of tapetum development there are episodes of endomitosis that form either (i) an endopolyploid genomically imbalanced uninucleate and multinucleate tapetum, and (or) (ii) an acytokinetic multinucleate genomically balanced tapetum, with the progression of meiosis in the accompanying sporogenous tissue. The relative frequency of occurrence of the two types of tapetum mitosis patterns is significantly different in the two seasons, and it is found to be correlated with the temperature conditions. Whereas, the former (genomically imbalanced tapetum) are prevalent during the hot summer, the latter (genomically balanced tapetum) are frequent under optimal conditions. Such a differential behaviour in tapetal mitosis vis-a-vis temperature change is also correspondingly accompanied by substantial disturbances or regularity in meiotic anaphase disjunction. Both species show similar patterns. The study underpins that tapetal mitotic behaviour per se could be a reasonable indicator to elucidate the effect of climate change on reproductive fitness. Key words: tapetum mitosis, tapetum division pattern, tapetum and meiosis, Cymbopogon, aromatic grass. Les stress environnementaux chez les plantes affectent plusieurs processus biologiques dont la gametogenese male et touchent plusieurs mecanismes cytologiques qui sont etroitement relies. Afin de comprendre l'impact vraisemblable des temperatures croissantes sur le succes reproductif dans le contexte des changements climatiques, les auteurs ont etudie la meiose dans le tapetum et la meiose qui l'accompagne au cours de plusieurs saisons afin de determiner l'influence des changements de temperature sur les evenements cytologiques survenant au cours de la microsporogenese. Pour ce faire, les auteurs ont employe deux especes composant un systeme vegetal sensible aux changements environnementaux, soit le genre Cymbopogon Sprengel (Poaceae) et particulierement le Cymbopogon nardus (L.) Rendle var. confertiflorus (Steud.) Bor (2n = 20) et le Cymbopogon jwaruncusha (Jones) Schult. (2n = 20). Ces deux especes fleurissent de maniere prolifique tant durant des canicules estivales (48°C) que des froids hivernaux moderes (15°C), mais cela se traduit respectivement par une fecondite faible et elevee au cours des deux saisons. Les auteurs montrent que les mitoses au sein du tapetum se deroulent de maniere differentielle au cours des saisons. Durant le developpement du tapetum, des episodes d'endomitose surviennent pour produire : (i) un tapetum endopolyploide uninuclee/multinuclee presentant un desequilibre genomique ou (ii) une mitose acytocinetique menant a un tapetum multinuclee mais equilibre en ce qui a trait a son genome et la poursuite de la meiose dans les tissus sporogenes voisins. La frequence relative des deux deroulements de la mitose differait significativement selon la saison et etait correlee avec la temperature. Tandis que le tapetum presentant un desequilibre genomique etait predominant durant les conditions estivales chaudes, le tapetum balance etait plus frequent sous des conditions optimales. Une telle difference de comportement dans la mitose au sein du tapetum en fonction de la temperature est egalement accompagnee de perturbations importantes ou de regularite de la disjonction lors de l'anaphase meiotique. Les deux especes presentent des changements similaires. Cette etude illustre que le comportement mitotique au sein du tapetum serait en soi un indicateur raisonnable pour determiner l'effet des changements climatiques sur la reproduction. [Traduit par la Redaction] Mots-cles : mitose au sein de tapetum, mode de division dans le tapetum, tapetum et meiose, Cymbopogon, graminee aromatique.
Introduction The genus Cymbopogon Sprengel comprises a species complex of aromatic grasses that is a source of valuable essential oil used in perfumery and aromatherapy (Lavania 2000; Lavania et al. [...]