Contrôle génétique de l’auto-incompatibilité et de l’incompatibilité unilatérale chez la tomate

La tomate cultivée (Solanum lycopersicum) est la septième culture maraichère la plus produite au monde. En raison de ses qualités nutritionnelles, la tomate cultivée présente un intérêt agronomique important. Cependant, sa domestication a favorisé les traits phénotypiques bénéfiques à l’agronomie au profit de la diversité génétique. La sélection artificielle par l’homme a fait perdre de nombreux gènes liés à la reproduction, à la résistance aux stress abiotiques et biotiques. La sensibilité aux stress abiotiques et biotiques est devenue le facteur limitant le rendement des cultures. Solanum chilense est une espèce de tomate sauvage retrouvée au Chili et au Pérou, principalement dans le désert de l’Atacama. Ses gènes de résistance à divers stress, notamment au stress salin et hydrique, lui permettent de pousser dans des conditions extrêmement défavorables. Néanmoins, cette espèce de tomate sauvage présente une auto-incompatibilité gamétophytique (AIG) la rendant difficile à sélectionner et à domestiquer. L’amélioration du rendement des cultures de Solanum lycopersicum pourrait se faire naturellement par introgression de gènes héritables d’espèces de tomates sauvages. Plusieurs espèces de tomates sauvages ont déjà été utilisées pour créer des variétés plus résistantes et plus productives que les variétés actuelles. Toutefois, l’introgression ne peut se faire que si les espèces sont hybridables. Dans le clade de la tomate, de nombreuses barrières à la reproduction existent et se chevauchent avec l’auto-incompatibilité de certains membres du clade. Ces barrières se nomment incompatibilité unilatérale (IU). Ce mémoire porte sur l’étude des mécanismes génétiques liés à l’auto-incompatibilité et l’incompatibilité unilatérale entre S. lycopersicum, S. chilense et leurs hybrides. Différents croisements et rétrocroisements ont été réalisés entre S. lycopersicum, S. chilense et leurs hybrides et la croissance des tubes polliniques a été suivie afin de déterminer les croisements compatibles et incompatibles. Les allèles responsables de l’AIG (S-allèles) ont été identifiés chez les hybrides. Le déterminant femelle de l’AIG (S-RNase) a été caractérisé et modélisé en trois dimensions. De plus, son histoire évolutive a pu être tracée. Finalement, l’expression de DIR1L, un gène lié à l’IU, a été quantifiée dans les organes sexuels de S. lycopersicum, S. chilense et leurs hybrides. Concernant l’AIG, la compatibilité des individus d’une population de S. chilense a été estimée à l’aide de croisements et certains S-allèles de S. chilense ont pu être prédits dans notre population. La structure tridimensionnelle de la S-RNase de S. chilense a été identifiée ainsi que ses régions conservées et hypervariables. Nous avons montré histologiquement et génétiquement que malgré la présence d’une seule S-RNase fonctionnelle, l’AIG existe chez les hybrides et que lors de croisements entre plantes ayant le même S-allèle, la croissance des tubes polliniques s’arrête dans le premier tiers du style. Pour l’IU, nous avons observé que le site du rejet du pollen est dépendant de l’espèce et ne se produit pas forcément dans le même tiers du style que pour l’AIG. Les S-allèles semblent avoir un impact sur l’intensité et le lieu du rejet des tubes polliniques pour l’IU. Les rétrocroisements ont mis en évidence que les hybrides sont munis d’IU mais leur réponse est complexe. L’existence d’une seule copie de DIR1L dans chaque génome séquencé du clade Lycopersicon a pu être prouvée. De plus, il a été possible de corréler une forte expression de DIR1L avec une forte IU dans le clade de la tomate. En conclusion, l’IU et l’AIG sont des barrières reproductrices pré-zygotiques observées dans le clade de la tomate et l’expression de leurs gènes dans les organes sexuels est complexe et nécessite de plus amples études. The cultivated tomato (Solanum lycopersicum) is the seventh most cultivated vegetable crops. Due to its nutritional qualities, the cultivated tomato presents an important agronomic advantage. Nevertheless, the domestication of the cultivated tomato has favoured beneficial agronomic trait over the genetic diversity. A huge number of genes linked to reproduction, to resistance to abiotic and biotic stress were lost due to the artificial selection. Today, the sensitivity to abiotic and biotic stress is the limiting factor for the yield of the culture. Solanum chilense is a wild tomato species found in Chili and Peru, mostly in the desert of Atacama. Its resistance genes to diverse stress such as salt and drought stress make it easy to grow in extremely harsh conditions. Nevertheless, this species is gametophytic self- incompatible (GSI) making it difficult to domesticate and select. The yield increase of Solanum lycopersicum culture could be done by introgression of heritable genes from wild tomato species. A growing number of wild tomato species are used to create stronger and more resistant varieties. However, the introgression is possible only if hybridisation between two species can be accomplished. For the tomato clade, numbers of reproduction barriers exist. These are called unilateral incompatibility (UI) and are linked to self-incompatibility. This master thesis investigated the genetical mechanisms linked to self-incompatibility and unilateral incompatibility between S. lycopersicum, S. chilense and their hybrids. Different crosses and backcrosses were done between S. lycopersicum, S. chilense and their hybrids to identify compatible and incompatible crosses and the pollen tube growth was followed. The GSI alleles of hybrids were identified. The female determinant of GSI (S-RNase) was characterized, modelized in three dimensions and the evolutive history could be traced. Finally, the expression of DIR1L, a gene linked to UI, was measured for the sexual organs of S. lycopersicum, S. chilense and their hybrids. Regarding GSI, the compatibility between the different individuals of our S. chilense population was identified thanks to the different crosses and some S-alleles were predicted in the population. The tri-dimensional structure of the S. chilense S-RNase was discovered as well as its conserved and hypervariable regions. For the hybrids, the GSI could be demonstrated histologically and genetically despite the presence of only one functional S-RNase. In crosses between plants with the same S-allele, pollen tube growth stopped in the first third of the style. For the UI, we observed that the site of pollen rejection is species-dependent and does not necessarily occur in the same third of the style as for GSI. S-alleles seem to have an impact on the intensity and location of pollen tube rejection for US. Backcrosses have shown that hybrids have UI but their response is complex. The existence of only one copy of DIR1L in every Lycopersicon sequenced genome was discovered. Moreover, a link was found between the expression of DIR1L and the UI response in the tomato clade. To conclude, IU and GSI are pre-zygotic reproductive barriers observed in the tomato clade and the expression of their genes in the sex organs is complex and requires further study.