Notre contribution à Kliwiresse

En collaboration avec le KIT, ScreenSYS GmbH étudiera dans quelle mesure les différences entre les cépages dans la tolérance au stress osmotique et à la chaleur peuvent être re-trouvées au niveau des cellules individuelles. Le système est basé sur des cellules végétales dont la paroi cellulaire a été retirée à l'aide d'un traitement enzymatique, et appellées protoplastes. Des caractéristiques telles que la viabilité et la perméabilité à l'eau sont ensuite enregistrées sur ces protoplastes en réponse à divers traitements de stress à l'aide de microscopes automatisés. Après avoir calibré le système à l'aide d'un couple de génotypes de vigne contrastants par leur osmotolérance, la collection de Vigne Sauvage Européenne établie au KIT sera examinée. En parallèle, sur la base de gènes candidats qui ont été identifiés comme candidats prometteurs dans des études antérieures, les cépages d’intérêt viticole seront sélectionnés à l'aide de la base de données génomique KIT et également examinés. L'IBMP, partenaire de KliWiResse, examinera de plus près les métabolites extraits.

Un autre sous-projet KliWiResse établit une méthode pour obtenir des haploïdes doubles à partir de microspores de la vigne. Le matériel source sélectionné provient du partenaire JKI et du partenaire associé WBI. La vigne étant multipliée par voie végétative (c'est-à-dire par bouturage), les gènes maternels et paternels sont généralement sous des formes différentes, ce qui rend le travail de sélection classique extrêmement difficile et long. Au contraire, chez les haploïdes doubles, les gènes paternels et maternels sont sous formes identiques, ce qui accélère considérablement la sélection de nouvelles variétés avec de meilleurs caractéristiques. Les doubles haploïdes générés dans le cadre de KliWiResse seront ensuite caractérisés quant à leurs réponses au stress moléculaire (KIT-BOT) et métabolique (IBMP). Cependant, au-delà de la production de vignes KliWi, cette nouvelle méthode sera une avancée importante pour la sélection variétale de la vigne.

C'est ce qui est sorti jusqu'à présent

La cellule unique au point
La vigne répond au stress thermique à plusieurs niveaux simultanément. Alors que les réponses d'organes entiers, telles que la fermeture des stomates, sont étudiées par d'autres partenaires au sein de KliWiResse, nous nous concentrons sur les mécanismes cellulaires, tels que l'augmentation de la stabilité thermique des protéines. De tels mécanismes cellulaires sont difficiles à étudier dans la plante entière. Cependant, il serait important que la sélection reconnaisse également les différences dans ces mécanismes de résilience cellulaire.

Pour atteindre cet objectif, nous travaillons avec deux systèmes : d’une part, nous isolons les cellules d’une culture cellulaire de vin, et d’autre part, nous isolons les cellules des feuilles de vigne. Afin d'obtenir des cellules individuelles, les parois cellulaires sont digérées par voie enzymatique (protoplastation). Les cellules sont alors vivantes, mais pendant des durées différentes, car elles manquent de certains facteurs permettant la croissance et la division dans la feuille intacte. Nous pouvons mesurer la durée de vie cellulaire en suivant au microscope plusieurs milliers de cellules pendant plusieurs jours après avoir ajouté un colorant qui colore uniquement les cellules vivantes, puis en évaluant les images avec l'aide d'un ordinateur. Le traitement thermique des cellules après isolement accélère la mort, mais cela varie d'un génotype à l'autre. Nous avons maintenant montré que ces différences sont cohérentes avec les différences observées sur vignes intactes. On peut donc faire un lien entre la résilience cellulaire et la résilience de la plante entière.

En d’autres termes, le système protoplaste peut servir de modèle expérimentalement accessible sur lequel nous pouvons tester l’effet des ingrédients végétaux sur la résilience thermique, mais également étudier les mécanismes de détection et de traitement du stress thermique.

Utiliser la capacité régénératrice des plantes
Les systèmes microscopiques et les mélanges établis à ScreenSYS permettent aux cellules haploïdes précurseurs du pollen de se diviser et finalement de former un embryon (non fécondé), qui peut ensuite être amené à doubler ses gènes. De cette manière, on obtient des plantes dans lesquelles tous les gènes sont homozygotes. Cette double haploïdisation est en cours de développement pour la vigne. Il fallait d’abord trouver le bon stade de développement cellulaire et le bon milieu de culture. Ces étapes ont été réalisées en utilisant du matériel floral de la dernière saison de croissance. En utilisant les fleurs de la période de floraison actuelle, nous testons actuellement l'effet de facteurs de croissance des plantes et de produits chimiques exclusifs afin de stimuler la division des cellules individuelles. Dès que la formation de structures multicellulaires à partir d’une seule cellule est réalisée, la formation de pousses et de racines est planifiée dans une étape ultérieure.

Publications actuelles liées au projet

Dawson J, Pandey S, Yu Q, Schaub P, Wüst F, Moradi AB, Dovzhenko O, Palme K, Welsch R (2022) Determination of protoplast growth properties using quantitative single-cell tracking analysis. Plant Methods 2022 181 18: 1–15

Falk T, Mai D, Bensch R, Çiçek Ö, Abdulkadir A, Marrakchi Y, Böhm A, Deubner J, Jäckel Z, Seiwald K, et al (2018) U-Net: deep learning for cell counting, detection, and morphometry. Nature Methods 16: 67–70

Middleton AM, Dal Bosco C, Chlap P, Bensch R, Harz H, Ren F, Bergmann S, Wend S, Weber W, Hayashi K-I, et al (2018) Data-Driven Modeling of Intracellular Auxin Fluxes Indicates a Dominant Role of the ER in Controlling Nuclear Auxin Uptake. Cell Rep 22: 3044–3057

Pandey S, Moradi AB, Dovzhenko O, Touraev A, Palme K, Welsch R (2022) Molecular Control of Sporophyte-Gametophyte Ontogeny and Transition in Plants. Front Plant Sci 0: 3358

Welsch R, Touraev A, Palme K (2021) Small molecules mediate cellular reprogramming across two kingdoms. J Exp Bot 72: 7645–7647