Towards understanding the influence of seed maturation on physiological seed quality in legumes

Abstract

Durante a maturação da semente, a germinação, a tolerância à dessecação e a longevidade são adquiridos sequencialmente. A maturação da semente termina com a fase de dessecação que traz o embrião a um estado de repouso. Na cadeia de produção de sementes, o estádio de maturação no momento da colheita é o primeiro fator que influencia a longevidade das sementes e estabelecimento da cultura. Após a colheita, as sementes são normalmente secas para um teor de água compatível com os tratamentos pós-colheita e armazenamento a longo prazo. No entanto, há uma falta de compreensão de como a longevidade das sementes é adquirida durante a maturação da semente e qual o impacto da secagem prematura na longevidade e na retomada das atividades celulares durante a embebição. Esta questão foi abordada aqui, comparando alterações transcriptoma associados com a secagem maturação e embebição de sementes de soja e Medicago truncatula, colhidos em um estádio imaturo e estádio seco maturo. A fase imatura correspondeu final de enchimento de grãos, quando a longevidade não foi adquirida enquanto outros traços de vigor foram adquiridos. A caracterização do transcriptoma de soja revelou que a secagem forçada não era semelhante à maturação de secagem na planta, o que estimulou a degradação da clorofila e síntese de chaperones de proteção. Oitenta e nove % dos genes diferencialmente expressos durante um período de 18 horas de embebição mostrou um padrão similar entre as sementes imaturos e maduros, consistente com uma germinação comparáveis entre os estágios. Analisando os 146 transcritos que aumentam durante a embebição de sementes maduras, mas não em sementes imaturas sugeriu uma activação dos processos associados ao desenvolvimento de meristema e reparação do DNA. Esses dados foram comparados com sementes imaturas e maturas de Medicago durante a embebição e revelou uma sobre-representação de genes envolvidos no fototropismo, revestimento de sementes e imunidade inata em sementes maturas. Este trabalho deve fornecer novas ferramentas para otimizar a colheita de sementes no ponto máximo de qualidade.

During seed maturation, germination, desiccation tolerance and longevity are acquired sequentially. Seed maturation is terminated by a desiccation phase that brings the embryo to a quiescent state. In the seed production chain, the stage of maturity at harvest is the first factor that influences seed longevity and crop establishment. After harvest, seeds are usually dried to water content compatible with long term storage and post-harvest treatments. However, there is a lack of understanding of how seed longevity is acquired during seed maturation and how premature drying impacts longevity and resumption of cellular activities during imbibition. This was addressed here by comparing transcriptome changes associated with maturation drying and imbibition of seeds of soybean and Medicago truncatula, harvested at an immature stage and mature dry stage. The immature stage corresponded to end of seed filling when longevity was not acquired while other vigor traits were acquired. Transcriptome characterization in soybean revealed that enforced drying was not similar to maturation drying in planta, which stimulated degradation of chlorophyll and synthesis of protective chaperones. Eighty-nine % of the differentially expressed genes during a 18h-imbibition period showed a similar pattern between immature and mature seeds, consistent with a comparable germination between stages. An analysis of the 147 transcripts that increased during imbibition of mature seeds but not in immature seeds suggested an activation of processes associated with shoot meristem development and DNA repair. These data were compared with imbibing immature and mature seeds of Medicago and revealed an overrepresentation of genes involved in phototropism, seed coat and innate immunity in mature seeds. This work should provide new tools to optimize harvest at maximum seed quality.

Pendant la maturation des graines, la germination, tolérance à la dessication et longévité sont acquises de manière séquentielle. La maturation s’achève par la dessication qui amène l’embryon à l’état de quiescence. Au cours de leur production, la maturité des graines à la récolte est le premier facteur qui influence la longévité et l’établissement de la culture lors du semis. Les graines récoltées sont ensuite séchées à une teneur en eau permettant leur conservation. On ne comprend pas comment la longévité est installée pendant la maturation et comment un séchage prématuré influence la longévité et la reprise des activités cellulaires pendant l’imbibition. L’objectif de la thèse était de répondre à ces questions en comparant les transcriptomes de graines immatures et matures de soja et Medicago truncatula pendant la dessication et l’imbibition. Les graines immatures furent récoltées après le remplissage avant la dessiccation, lorsque la longévité n’est pas encore acquise. Chez le soja, la comparaison des transcriptomes des graines immatures et matures montre que le séchage forcé n’est pas identique à la dessication in planta qui se caractérise par la synthèse de protéines chaperones. Plus de 89% des gènes différentiellement exprimés après 18 h d’imbibition présentent des profils d’expression identiques dans les graines immatures et matures, en accord avec la germination comparable de celles-ci. L’analyse des transcrits dont la teneur augmente uniquement pendant l’imbibition des graines mature suggère la mise en place de mécanismes de réparation. La comparaison de ces données avec Medicago montre que l’imbibition des graines matures se caractérise par une sur-représentation des gènes liés au phototropisme, à la testa et réponse immunitaire. Ce travail doit permettre le développement d’outil d’analyse de la maturité des graines lors de leur récolte.