Thèse Validation Fonctionnelle et Agronomique de Gènes Impliqués dans le Rendement et la Croissance du Fruit chez la Tomate H/F

Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université de Bordeaux
École doctorale : Sciences de la Vie et de la Santé
Laboratoire de recherche : BFP - Biologie du Fruit et Pathologie
Direction de la thèse : Martine LEMAIRE-CHAMLEY ORCID 000000027687894X
Début de la thèse : 2026-11-01
Date limite de candidature : 2026-05-20T23:59:59

Chez la tomate, le rendement correspond au poids de fruits produit par la plante, et dépend des caractéristiques végétatives, qui sont essentielles à la physiologie de la plante, et reproductives, qui vont déterminer le nombre de fruit et leurs caractéristiques. La recherche de nouvelles variétés de tomate présentant un rendement élevé et un maintien du rendement en conditions de cultures défavorables est indispensable face aux enjeux actuels et aux besoins croissants en plantes mieux adaptées au changement climatique. En complément des approches utilisant la variabilité naturelle des espèces sauvages apparentées à la tomate, nous avons exploité la variabilité induite présente dans une population de mutants EMS et avons identifié deux mutants de rendement associé à une altération de la taille des fruits. Une cartographie par séquençage, associée à une cartographie génétique nous a permis d'identifier trois allèles mutés (allèles y+ et y-) et les gènes candidats associés. Un de ces gènes code pour une protéine connue pour son rôle dans l'épissage alternatif chez les animaux. Notre hypothèse est que ces gènes candidats sont impliqués dans les processus de régulation de la croissance du fruit, et que les allèles y+, permettent une augmentation de la taille du fruit et du rendement, tandis que l'allèle y- limite la taille du fruit et le rendement en rendant la taille des fruits plus homogène sur les grappes. Ce sujet de thèse se propose donc de comprendre l'impact de ces allèles et de valider leur potentiel agronomique.

Une première partie de la thèse consistera à déterminer l'effet des allèles sur la croissance du fruit et le rendement dans la variété de tomate Micro-Tom. La seconde partie de la thèse portera sur l'évaluation de la stabilité des phénotypes en fonction du génotype ou des conditions de culture. La troisième partie de la thèse se focalisera sur la compréhension du rôle des gènes candidats dans la croissance du fruit et le rendement. Elle portera plus particulièrement sur le rôle du splicing alternatif dans la croissance du fruit et le rendement.

-La domestication puis la sélection génétique de la tomate ont eu pour objectif de sélectionner des traits agronomiques intéressants pour l'homme comme la vigueur des plantes (taille, architecture, résistance à des stress biotiques et abiotiques ...) et le rendement (taille et nombre de fruits). Puis les progrès de la génétique et des pratiques culturales (mécanisation, irrigation, pesticides ...) ont permis une sécurisation des récoltes avec une augmentation toujours plus forte des rendements et une très forte spécialisation des pratiques culturales et des variétés pour le marché de frais ou pour l'industrie de transformation (concentrés, conserve, ketchup). Cette espèce est le premier fruit produit dans le monde (200 Mt/an) et le second produit maraicher après la pomme de terre. La tomate est le légume le plus consommé en France avec une consommation moyenne annuelle par habitant de 15 kg en frais et de 18 kg sous forme transformée. Depuis quelques dizaines d'années, une pression pour une agriculture plus durable s'exerce avec une obligation de forte diminution de tous les intrants. Dans les décennies à venir, avec la raréfaction de certains engrais, la baisse de la disponibilité en eau et l'augmentation des aléas climatiques, on s'attend à une baisse des rendements alors que la population mondiale continue de croitre (Schauberger B et al., 2018; Our World in Data, 2020). Dans ce contexte, maintenir le niveau de la production agricole devient crucial en particulier pour les espèces majeures comme la tomate. Une des stratégies qui peut être mise en oeuvre pour faire face à cette problématique, est d'identifier puis d'utiliser des allèles forts de vigueur/rendement qui permettraient une sécurisation de la production.
-Des génotypes de tomate à fort rendement ont déjà été décrits dans la littérature, issus de l'introgression d'allèles sauvages ou générés par des processus de mutagenèse (Chaudhary et al., 2019 ; Lippman et al., 2007). Ces génotypes sont liés à des caractères reproductifs déterminés précocement, comme l'architecture de l'inflorescence, responsable du nombre de fleurs (Lin et al., 2016), et/ou au contrôle de la taille du méristème (Xu et al., 2015 ; Chu et al., 2019). Malgré l'importance d'un équilibre végétatif/productif pour la productivité des plants de tomate (Vicente et al., 2015), seules quelques rares données relatent l'implication des traits végétatifs dans le déterminisme d'un rendement élevé chez la tomate dans des conditions de croissance normales (Gur et al., 2011).
-Il y a une quinzaine d'années, nous avons généré une collection de mutants EMS de tomate (8500 familles) hautement mutés dans le cultivar miniature Micro-Tom (Just et al., 2013). Le criblage phénotypique de cette collection, source de diversité génétique, a permis d'identifier des mutants à fort rendement (+15 à 40 % par rapport au WT) en raison d'une augmentation de la taille des fruits.
Le séquençage complet du génome de ces mutants, associé à des approches de cartographie génétique a permis d'identifier les zones chromosomiques liées à l'augmentation du rendement dans les mutants d'intérêt, puis des allèles mutés (allèles y+ et y-) et leurs gènes candidats associés ont été identifiés. Au cours de la thèse, il s'agira de comprendre l'impact de ces allèles qui augmentent le rendement en fruits en accroissant la taille des fruits ou permettent d'obtenir des fruits de calibre plus homogène sur les grappes, et de valider leur potentiel agronomique.
-Bénard C et al (2015) Metabolomic profiling in tomato reveals diel compositional changes in fruit affected by source-sink relationships. J. Exp. Bot. 66: 3391-3404
-Bertin N et al (2002) Number of cells in tomato fruit depending on fruit position and source-sink balance during plant development. Plant Growth Regulation 36: 105-112
-Chaudhary J et al (2019) Mutation Breeding in Tomato: Advances, Applicability and Challenges. Plants. 14; 8(5).
-Chu YH et al (2019) Tomato locule number and fruit size controlled by natural alleles of lc and fas. Plant Direct. 3(7):e00142.
-Gur A et al (2011) Yield quantitative trait loci from wild tomato are predominately expressed by the shoot. Theor. Appl. Genet. 122(2):405-420.
-Ho LC (1996) The mechanism of assimilate partitioning and carbohydrate compartmentation in fruit in relation to the quality and yield of tomato. J. Exp. Bot. 47:1239-1243.
-Just D et al (2013) Micro-Tom mutants for functional analysis of target genes and discovery of new alleles in tomato. Plant Biotechnol. 30, 225-231.
-Kang M et al (2011) Correlation between dynamic tomato fruit-set and source-sink ratio: a common relationship for different plant densities and seasons? Annals of Botany 107: 805-815.
-Klee H.J. and Giovannoni J.J. (2011) Genetics and control of tomato fruit ripening and quality attributes. Annu. Rev. Genet. 45: 41-59.
-Lemoine R et al (2013) Source-to-sink transport of sugar and regulation by environmental factors. Frontiers in plant science 4: 272.
-Li T et al (2015) Quantifying the source-sink balance and carbohydrate content in three tomato cultivars. Frontiers in Plant Science 6: 416.
-Lin D et al (2016) Ectopic expression of SlAGO7 alters leaf pattern and inflorescence architecture and increases fruit yield in tomato. Physiol Plant. 157(4):490-506.
-Lippman ZB et al (2007) An integrated view of quantitative trait variation using tomato interspecific introgression lines. Curr Opin Genet Dev. 17(6):545-552.
-Ruan Y-L et al (2013) Uptake and regulation of resource allocation for optimal plant performance and adaptation to stress. Frontiers in plant science 4: 455.
-Mathan J et al. (2016) Enhancing crop yield by optimizing plant developmental features. Development. 143(18):3283-3294.
-Mauxion J-P et al (2021) Complex cellular and molecular events determining fruit size. Trends in Plant Science 26: 1023-1038.
-Our World in Data https://ourworldindata.org/grapher/tomato-yields?time=2020
-Schauberger B et al. (2018) Yield trends, variability and stagnation analysis of major crops in France over more than a century. Nature Scientific Reports 8, 16865.
-Vicente MH et al. (2015) Semi-determinate growth habit adjusts the vegetative-to-reproductive balance and increases productivity and water-use efficiency in tomato (Solanum lycopersicum). J Plant Physiol. 177:11-19.
-Xu C et al (2015) A cascade of arabinosyltransferases controls shoot meristem size in tomato. Nat Genet. 47:784-792.

Les objectifs de ce projet sont de décrire les effets sur la croissance du fruit des d'allèles de rendement conférant une augmentation ou une réduction du rendement en fruit, de comprendre les mécanismes cellulaires associés à ces locus, et de valider leur potentiel agronomique.

Le travail de thèse sera organisé en trois parties. Pour tous les gènes candidats, du matériel végétal (plantes KO ou reproduisant les allèles favorables au rendement) est en cours de génération (technologie CrispR/Cas9 puis transgénèse via Agrobacterium tumefasciens) depuis Janvier 2024, et des lignées homozygotes stables seront disponibles au début de la thèse.

1.- Effet des allèles sur la croissance du fruit et le rendement
Il s'agira ici de caractériser l'effet des allèles identifiés dans le génotype modèle Micro-Tom. Cette partie comprend : 1) la caractérisation physiologique et moléculaire des plantes: morphologie de la partie végétative (biomasse, architecture végétative, morphologie des feuilles, des racines et de la partie reproductrice (structure des inflorescences, poids et forme des fruits), 2) une caractérisation physiologique (performance photosynthétique, échanges gazeux) des parties végétatives, 3) une caractérisation des fruits (homogénéité des fruits sur les grappes, morphologie macroscopique du fruit, histologie du fruit, cinétique de croissance, propriétés cellulaires du péricarpe, facteurs de qualité du fruit mûr).

2.- Evaluation de la stabilité du phénotype en fonction du génotype ou des conditions de culture.
En parallèle de la reproduction des allèles y+ et y- dans la variété Micro-Tom par la technologie CrispR/Cas9, la génération de plantes transgéniques dans deux variétés de recherche représentatives des tomates à croissance déterminée (port buissonnant : M82) et indéterminée (liane : Ailsa Craig) a été entreprise. Les plantes transgéniques générées seront phénotypées sur la base du développement végétatif, du calibre des fruits et du rendement. De plus, les allèles sont en cours d'introgression dans les variétés M82, Promo et Ailsa Craig, et des BC5 seront disponibles pour caractérisation au début de la thèse.
L'ensemble de ce matériel sera disponible pour tester l'effet des conditions environnementales sur le rendement des différentes lignées, notamment le stress thermique qui est déjà travaillé dans l'équipe FDFE. Le matériel non-OGM (allèles mutés introgressés dans les variétés M82, Promo et Ailsa Craig), pourrait également être testé en conditions de production.

3.- Rôle des gènes candidats dans la croissance du fruit et le rendement
Dans cette partie de la thèse, il s'agira de comprendre comment les allèles mutés ont un effet sur le rendement, et donc quelle est la fonction des protéines correspondantes dans la régulation de la croissance du fruit et du rendement.
Cette partie sera menée plus particulièrement sur le gène candidat impliqué dans le splicing. En première approche et en fonction des spécificités phénotypiques et physiologiques mises en évidence (-1), des analyses transcriptomiques comparatives seront réalisées entre les plantes mutées et le WT, en se concentrant sur l'organe et les mécanismes à l'origine du phénotype à haut rendement dans le mutant.
Pour compléter cette analyse fonctionnelle, différentes lignées transgéniques ont été générées : sur-expresseur avec ou sans tag fluorescent, promoteur-gène rapporteur, et des lignées amiRNA sont en cours de génération.