Paris, France
October 22, 2009
A team of INRA researchers in Evry (Joint Research Unit for Plant Genomics, INRA-CNRS-Evry University) has recently identified the genetic mechanism by which a male flower becomes female in the melon. Most flowering plants have hermaphrodite flowers possessing both male and female organs. However, more than 4000 species, including melon, develop unisexual flowers, only male or female. The researchers have recently identified the mechanism by which these unisexual flowers are formed. They have identified a gene implicated in controlling the formation of female organs.
The study of genes governing sex determinism in the melon is of major agronomic importance. It could lead to better yield by favouring the formation of female flowers at the origin of fruit production. The results are published online on the site of the journal NATURE.
The sex determinism of the melon is governed by two genes, andromonoecy (A) and gynoecy (G). The multiple interactions between them result in a distribution of different sexual types. Thus depending on the genetic mixing occurring at each generation, the plants can bear male flowers and female flowers, or bear male flowers and hermaphrodite flowers, or bear female flowers only, or hermaphrodite flowers.
Sex determinism in melon leads to the development of unisexual or hermaphrodite flowers from a bisexual flower primordium. In a previous publication, the researchers characterised the A gene which codes for an enzyme which is active during the development of female flowers and implicated in the synthesis of ethylene, a hormone known to modify sex determinism. They showed that a mutation in this A gene, acquired during evolution, led to the inactivation of the enzyme and the development of male organs in the female flowers and therefore of hermaphrodite flowers.
After having studied the natural variations of the genomic region responsible for gynoecy (plants bearing female flowers only) in 500 melon varieties from all parts of the world, the researchers publish today their results which explain the formation of female flowers in melon and more broadly the ballet of interactions between the A and G genes at the origin of sex determinism in melon (see diagram below). The scientists show here that a mutation close to the G gene, found in one of the varieties collected, leads to epigenetic modifications1 and represses the expression of this gene, thus enabling the formation of female organs. The inhibition of the expression of the A gene by the G gene is in turn lifted and the male organs do not develop. A female flower is formed.
These results are of major agronomic importance, as a greater production of female plants (at the origin of fruit formation) improves yield. They make it possible to envisage the control of flower development in melon, and also in other species. This research also sheds light on the original epigenetic mechanisms involved in the evolution of plants.
1 An epidgenetic mutation is a mutation which does not change the DNA sequence. In this specific case, the mutation is caused by the insertion of a transposable element. These elements are mobile DNA sequences present in all living organisms. Their ability to move in the genome can lead to genetic mutations or epigenetic modifications of the expression of neighbouring genes.
Diagram summing up the interaction between the A and G genes at the origin of the formation of male and female sexual organs in melon flowers. In the first case, the G gene inhibits the expression of the A gene, thus enabling the development of the male organs and preventing the development of the female sexual organs. A male flower is thus formed.
In the second case, the non expression of the G gene enables the expression of the A gene. As it has not mutated, it prevents the development of male organs. A female flower is thus formed.
In the third case, the A gene is mutated. It is thus no longer opposed to the development of male sexual organs. Moreover, the G gene is not expressed, which leads to the development of female organs. A hermaphrodite flower is thus formed.
Une mutation génétique à l’origine du développement des fleurs femelles chez le melon
Une équipe de chercheurs de l'INRA basée à Evry (Unité mixte de recherche « Génomique végétale» INRA-CNRS-Université d’Évry) vient de démontrer le mécanisme génétique par lequel chez le melon, une fleur mâle devient femelle. La plupart des plantes à fleurs ont des fleurs hermaphrodites, qui possèdent à la fois les organes sexuels mâle et femelle. Cependant, plus de 4000 espèces, dont le melon, développent des fleurs unisexuées, uniquement mâles ou femelles. Les chercheurs viennent d’élucider le mécanisme par lequel ces fleurs unisexuées se forment. Ils ont identifié un gène impliqué dans le contrôle de la formation des organes femelles.
L’étude des gènes gouvernant le déterminisme du sexe chez le melon est de grande importance agronomique. Elle pourrait en effet conduire à une meilleure productivité en favorisant la formation de fleurs femelles à l’origine de la production de fruits. L’ensemble de ces résultats est publié en ligne sur le site de la revue "NATURE".
Le déterminisme du sexe du melon est gouverné par deux gènes, andromonoecie (A) et gynoecie (G). De leurs multiples interactions découle une distribution de différents types sexuels. Ainsi, en fonction du brassage génétique intervenant à chaque génération, les plantes peuvent être porteuses de fleurs mâles et de fleurs femelles, ou porteuses de fleurs mâles et de fleurs hermaphrodites, ou bien porteuses de fleurs femelles uniquement, ou encore de fleurs hermaphrodites.
Le déterminisme du sexe chez le melon conduit au développement de fleurs unisexuées ou hermaphrodites à partir d’une ébauche florale bisexuée. Dans une précédente publication, les chercheurs avaient caractérisé le gène A qui code une enzyme active au cours du développement des fleurs femelles, et impliquée dans la synthèse d'éthylène, une hormone connue pour modifier le déterminisme du sexe. Ils avaient démontré qu’une mutation dans ce gène A, acquise au cours de l’évolution, entraînait l’inactivation de l’enzyme et le développement d'organes mâles dans les fleurs femelles et donc de fleurs hermaphrodites.
Après avoir étudié les variations naturelles de la région génomique qui gouverne la gynoecie (l’apparition de plantes entièrement femelles), dans 500 variétés de melon provenant de toutes les parties du monde, les chercheurs publient aujourd’hui des travaux qui explicitent la formation de fleurs femelles chez le melon et plus largement le ballet des interactions entre les gènes A et G à l’origine du sexe chez le melon (voir schéma ci-dessous). Les chercheurs démontrent ici qu’une mutation à proximité du gène G, trouvée dans l’une des variétés collectées, entraine des modifications épigénétiques1 et réprime l’expression de celui-ci, permettant ainsi la formation des organes femelles. L’inhibition de l’expression du gène A par le gène G est à son tour levée et les organes mâles ne se développent pas. Il se forme alors une fleur femelle.
Ces résultats revêtent une grande importance sur le plan agronomique, la production plus importante de plantes femelles (à l’origine de la formation des fruits) permettant ainsi d’améliorer la productivité. Ils permettent d’envisager le contrôle du développement des fleurs chez le melon, mais également chez d’autres espèces. Ces travaux mettent également en lumière des mécanismes épigénétiques originaux impliqués dans l’évolution des plantes.
1 Une mutation épigénétique est une mutation qui ne change pas la séquence de l’ADN. Dans ce cas précis, la mutation est induite par l’insertion d’un élément transposable. Ces éléments sont des séquences d’ADN mobiles présentes dans tous les organismes vivants. Leur capacité à se déplacer dans le génome peut conduire à des mutations génétiques ou à des modifications épigénétiques de l’expression des gènes voisins.
Schéma récapitulatif des interactions entre les gènes A et G à l’origine de la formation des organes sexuels mâle ou femelle dans les fleurs de melon. Dans le premier cas, le gène G inhibe l’expression du gène A, permettant ainsi le développement des organes mâles, et empêchant le développement des organes sexuels femelles. Il se forme alors une fleur mâle.
Dans le deuxième cas, la non expression du gène G permet l’expression du gène A. Celui-ci n’étant pas muté, il empêche le développement des organes mâles. Il se forme une fleur femelle.
Dans le troisième cas, le gène A est muté. Il ne s’oppose donc plus au développement des organes sexuels mâles. De plus, le gène G ne s’exprime pas, ce qui conduit au développement d’organes femelles. Il se forme donc une fleur hermaphrodite.
Référence :
A transposon-induced epigenetic change leads to sex determination in melon. Antoine Martin1, Christelle Troadec1, Adnane Boualem1, Mazen Rajab1, Ronan Fernandez1, Halima Morin2, Michel Pitrat3, Catherine Dogimont3 and Abdelhafid Bendahmane1.
1INRA-CNRS, UMR1165, Unité de Recherche en Génomique Végétale, 2 rue Gaston Crémieux,
F-91057 Evry, France.
2Plateforme de Cytologie et d’Imagerie Végétale, Institut Jean Pierre Bourgin, INRA, 78026 Versailles Cedex, France.
3INRA, UR 1052, Unité de Génétique et d’Amélioration des Fruits et Légumes, BP 94, F-84143 Montfavet, France. Nature, 22 octobre 2009, vol.461, doi :10.1038/nature08498.
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