TMT1 and TMT2 : two tonoplastic sugar transporters implicated in vacuole expansion and tomato fruit growth
TMT1 et TMT2 : deux transporteurs tonoplastiques de sucres impliqués dans l’expansion de la vacuole et le grandissement du fruit de tomate
Résumé
Tomato fruit growth results in two distinct but overlapping phases, namely cell division in the very early days post anthesis, followed by a cell expansion phase. The vacuole, which occupies almost 80% of the volume of cell fruit would play a major role in cell enlargement. Recently, our team developed a kinetic modeling approach, allowing a precise and dynamic description of tomato fruit metabolism throughout fruit growth (Beauvoit et al., 2014). This model emphasized the crucial role of sugars in generating the osmotic strength of the vacuole, allowing its enlargement and thus, fruit growth. Their transport across the tonoplast is mainly ensured by secondary active transporters. Thanks to a bioinformatic study, we identified the tomato proteins implicated in these transports: SUTs/SUCs, (Sucrose Transporters family), VGT (vacuolar Glucose Transporters), SFPs (Sugar Facilitator Protein), TMTs (Tonoplast monosaccharide Transporters) as well as two passive transporters, SWEET16 and SWEET17.In order to investigate the conclusions, put forward by the modeling approach, we generated transgenic RNAi lines for these transporters. After a phenotyping of the population of transgenic lines, we selected two candidates: TMT135S.2 and TMT235S.6 affected on TMT1 and TMT2 expression. A deeper phenotyping highlighted a drastic reduction of fruit size compared to the WT. At the metabolic level, TMTs under expression induced the reduction of hexoses (glucose and fructose) and hexoses phosphate contents to the profit of the accumulation of starch, amino acids and ions and to a lesser extent, organic acids and cell wall polysaccharides. However, despite this carbon reallocation, we showed that a shift from hexose accumulating metabolism to starch and amino acids accumulating metabolism, was inefficient to compensate the decrease in the total osmolarity, leading to the reduction of fruit size. Together with RNAseq published data (Tomato Expression Atlas - http://tea.solgenomics.net/) showing that TMT1 and TMT2 were expressed in specific area in the pericarp, our results suggest that TMT2 would be more implicated in generating the osmotic strength of the vacuole of the surrounding bundle cell, allowing phloem sucrose unloading in the early phase of fruit development, whereas TMT1 would be associated to pericarp cell enlargement.Finally, a flux balance modeling confirmed in the TMT135S.2 line the deep remodeling of the metabolic network, leading to an additional energy cost that could in part, explain the growth limitation.
La croissance du fruit de la tomate est divisée en deux phases distinctes mais chevauchantes, à savoir la division cellulaire dans les premiers jours après l'anthèse, suivie d'une phase d'expansion cellulaire. La vacuole, qui occupe près de 80% du volume cellulaire, jouerait un rôle majeur dans le grandissement cellulaire. Récemment, notre équipe a développé une approche de modélisation cinétique, permettant une description précise et dynamique du métabolisme du fruit de la tomate tout au long de la croissance (Beauvoit et al., 2014). Ce modèle a mis l'accent sur le rôle crucial des sucres dans la création de la force osmotique de la vacuole, permettant son élargissement et donc la croissance des fruits. Le transport des sucres à travers le tonoplaste est principalement assuré par des transporteurs actifs secondaires. Grâce à une étude bio-informatique, nous avons identifié les protéines de tomate impliquées dans ces transports: SUTs / SUCs, (Sucrose Transporters family), VGT (Vacuolar Glucose Transporters), SFPs (Sugar Facilitator Protein), TMTs (Tonoplast monosaccharide Transporters) ainsi que deux transporteurs passifs, SWEET16 et SWEET17. Dans le but de valider les conclusions proposées par l'approche de modélisation, des lignées transgéniques exprimant une construction RNAi pour ces transporteurs ont été généré. Par un premier phénotypage de la population de lignées transgéniques, nous avons sélectionné deux candidats intéressants : TMT135S.2 et TMT235S.6 affectés sur l'expression de TMT1 et TMT2. Le phénotypage en génération T2 a montré une réduction drastique de la taille des fruits par rapport au WT. Au niveau métabolique, la sous expression des TMTs induit une diminution de la teneur en hexoses (glucose et fructose) et en hexoses phosphate au profit d'une accumulation d'amidon, d'acides aminés et d'ions et dans une moindre mesure, d'acides organiques et de polysaccharides pariétaux. Cependant, nous avons montré que cette réallocation du carbone (passage d'un métabolisme accumulant des hexoses à un métabolisme accumulant de l’amidon et des acides aminés) était inefficace pour compenser la diminution de l'osmolarité, conduisant à la réduction de la taille des fruits. Nos résultats, couplés à ceux de RNAseq (Tomato Expression Atlas - http://tea.solgenomics.net/) montrant que TMT1 et TMT2 étaient exprimés dans des zones spécifiques du péricarpe, ont permis de suggérer que TMT2 serait plutôt impliqué dans la génération de la force osmotique de la vacuole des cellules proches des faisceaux vasculaire. Cela faciliterait le déchargement du phloème dans les phases précoces du développement du fruit. TMT1 serait associé quant a lui, au grandissement des cellules du péricarpe.Enfin, une approche de modélisation par FBA a confirmé chez la lignée TMT135S.2 le remodelage profond du réseau métabolique, dont le fonctionnement conduirait à un surcoût énergétique qui pourrait expliquer en partie la limitation de la croissance.
Origine : Version validée par le jury (STAR)