Project

Discipline

germ cell fate; growth model; apomixis; confocal imaging; lightsheet imaging; morphogenesis; plant ovule

Lead
La reproduction clonale par l’intermédiaire de graines, ou apomixie, est un phénomène que l’on rencontre chez certaines plantes supérieures. L’apomixie représente un potentiel énorme pour la sécurité alimentaire et l’agriculture durable. Développer des variétés de plantes d'intérêt agronomique se reproduisant par apomixie révolutionnerait les pratiques de sélection variétale et production de graines. L’apomixie permettrait la fixation aisée de génotypes et traits hybrides, et notamment la vigueur hybride. Cette forme de reproduction existe naturellement dans de nombreuses familles de plantes, mais pas chez les espèces cultivées. De ce fait, un large effort anime une communauté internationale de laboratoires académiques et privés pour comprendre les mécanismes qui sous-tendent ce phénomène.
Lay summary
Le premier évènement différenciant la reproduction sexuée de l’apomixie a lieu au sein de l’organe reproducteur femelle, l’ovule, où une cellule unique transite d’une identité cellulaire somatique vers une identité germinale. Lorsque la proliferation et la croissance des cellules de l’ovule sont perturbées, s’en suit un développement ressemblant à celui d’ovules apomictiques suggérant une relation fonctionnelle entre la morphogenèse précoce de l’ovule et la transition vers l’identité germinale . Mais ce lien reste largement inexplorée, au même titre que la plasticité existant entre développement reproducteur sexué et apomictique. L’émergence de techniques d’imagerie non invasive, a haute résolution et en trois dimensions, d’outils de modélisation, en combinaison à des approches fonctionnelles génétiques et pharmacologiques, permettent collectivement aujourd’hui d’aborder ces questions.  Le but du projet IMAGO est de construire un cadre de référence visant a élucider les règles de développement de la croissance de l’ovule, et déterminer de quelle façon cette géométrie contribue a l’établissement du devenir germinal dans l’ovule. L’ovule est un objet biologique relativement simple, particulièrement adapté à la modélisation, permettant de mathématiser différentes hypothèses de croissance, en 2D ou 3D et au cours du temps. Ces hypothèses seront ensuite testées fonctionnellement grâce aux outils génétiques disponibles chez l’espèce modèle étudiée Arabidopsis. La généricité des résultats obtenus sera testée chez une céréale cultivée sexuée, le maïs; et un modèle de graminée apomictique, Paspalum. Le projet IMAGO, réunissant biologistes de la reproduction et modélisateurs, vise a produire des connaissances et outils pluridisciplinaires pour comprendre la plasticité du développement apomictique et transférer cette capacité aux espèces cultivées.

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Last update: 26.10.2016

Arabidopsis ovule primordium stages 0-I to 2-II, wild-type Col_0, Ws-4 and botero (bot1-7) mutant

Author	Baroux, Celia
Publication date	11.01.2021
Persistent Identifier (PID)	https://doi.org/10.5061/dryad.02v6wwq2c
Repository	Dryad
Abstract

This image resource describes the development of ovule primordia from stages 0-I to 2-I in 3D and at cellular resolution. The images were segmented using ImarisCell (BitplaneAG) and annotated as described in the associated manuscript Hernandez-Lagana et al. eLife 2021 DOI: 10.7554/eLife.66031

Active participation

Self-organised

Active participation

Communication	Title	Media	Place	Year

Title	Year

Number	Title	Start	Funding scheme

Abstract. Apomixis is a clonal mode of seed formation occurring naturally in many plant species but not in major crop plants. Revolutionizing agriculture practices via engineered apomixis bear great promises yet requires a deep understanding of its mechanisms. One goal, notably, is to elucidate the processes leading to ectopic germ cell fate in the ovule of so-called aposporous plant species. Despite considerable progress in deciphering genetic and epigenetic contributions we are critically lacking a developmental, morphogenetic level. Yet, recent observations from the partners’ groups indeed suggest a link between tissue patterning events in the early ovule and ectopic germ cells. By exploiting the advent of high-resolution 3D imaging, image processing, and tissue growth modeling approaches, together with functional genetics, IMAGO proposes to elucidate patterning rules governing ovule growth, and their contribution to female germ cell fate acquisition. Ultimately, IMAGO provides novel tools and knowledge contributing innovation towards engineering apomixis.Objectives. IMAGO combines high-resolution static and real-time 3D imaging, quantitative image processing, cell-based growth models and functional approaches to (1) define cellular growth patterns in the ovule primordium using quantitative imaging (2) test patterning rules in silico by cell-based growth models (3) validate patterning rules in vivo using genetic and pharmacological perturbations; and analyzing sexual and apomictic grasses (Maize and Paspalum).Partners and Synergy. IMAGO is an interdisciplinary project that requires the synergistic contributions of Partner 1: Daphné Autran (French coordinator), Daniel Grimanelli (participating scientist), Institut de Recherche pour le Développement (IRD Montpellier, France); Partner 2: Célia Baroux (Swiss coordinator), Department of Plant and Microbial Biology (University of Zürich, Switzerland); Partner 3: Christophe Godin, INRIA, France; Partner 4 (external advisors): Olivier Hamant and Arezki Boudaoud (ENS Lyon, France). Partner 1 and 2 are developmental biologists sharing expertise in genetic, molecular and cytological approaches to analyze plant reproduction. Specific and complementary expertise are brought by Partner 1 on maize and apomictic reproduction, by Partner 2 on high-resolution imaging and quantitative image processing, by Partner 3 on 4D image processing and 3D topological modeling, and by Partners 4 on 2D modeling of plant growth patterns. Impact. (i) high-training benefits for the recruited scientists: interdisciplinary research combining cell biology, high-resolution imaging and mathematical modeling in top-excellence institutes, (ii) novel tools and methodologies to study ovule development through imaging and modeling at the cellular and tissue level, in 4D, (iii) a novel conceptual framework integrating growth dynamics and germ cell fate acquisition in the ovule, linking therein two traditionally disconnected research fields, (iv) novel insights on the developmental plasticity of plant ovule contributing the long-term goal of engineering apomixis in crop plants, (v) dissemination: IMAGO ambitions several peer-reviewed scientific articles and produce attractive image material suitable for public outreach. In addition, dedicated efforts to disseminate the knowledge developed by IMAGO to the European plant breeding community, in both academy and industry will be undertaken, to raise their awareness on progress toward the development of apomictic crops.