Molecular and biochemical mechanisms in maize endosperm development: The role of pyruvate-Pi-dikinase and Opaque-2 in the control of C/N ratio

A combined transcriptomic, proteomic and metabolic analysis provided an overview of the main changes occurring in gene expression during maize kernel development. It allowed identifying genes expressed at each developmental stage and the shift occurring from one stage to the other. A major change occurred at the transition from lag phase where final grain size is established to grain filling where starch and protein are accumulated in the endosperm storage tissue. Although the expression of enzymes involved in storage product synthesis is dominant in the accumulation phase, the proportion of protein destination and protein synthesis gene products is still important. Detailed proteomic analysis of metabolism shows an upsurge of the pyruvate-Pi-dikinase (PPDK) in the late filing period (21 DAP onwards) that is interpreted as a switch in the starch/protein balance. This hypothesis is based on biochemical arguments involving the negative effect of PPi on the ADP-glucose pyrophosphorylase (Agpase), a key-enzyme of starch synthesis, and the role of phosphoenolpyruvate (PEP) in aromatic amino acid synthesis. It is substantiated by the data on the Opaque-2 gene encoding a transcription factor with pleiotropic effect affecting lysine content and carbohydrate metabolism, thus acting indirectly on starch/amino acid ratio. The direct effect of O2 on PPDK gene expression provides a clue for explaining the competition between C and N metabolisms. This epistatic relationship between PPDK and O2 is further supported by quantitative and association genetics. To cite this article: J.-L. Prioul et al., C. R. Biologies 331 (2008).

RésuméChez le maïs, une analyse combinée du transcriptome, protéome et métabolome a permis de dresser un aperçu des principaux changements survenant dans l'expression génique au cours de développement du grain. Elle a permis d'identifier des gènes exprimés à chaque stade de développement ainsi que les changements associés avec les transitions entre les étapes. Ainsi, un changement majeur se manifeste à la transition entre la phase de latence où la taille finale des grains est établie et la phase de remplissage des grains où amidon et protéines sont accumulés dans le tissu de stockage, l'albumen. Bien que l'expression des enzymes impliquées dans le stockage des composés de synthèse soit dominante dans la phase de remplissage, la proportion de gènes impliqués dans les classes fonctionnelles « destination des protéines » et « synthèse protéique » est toujours manifeste. Des analyses protéomiques détaillées montrent une accumulation de la pyruvate-Pi-dikinase (PPDK) dans la période tardive (21 jours après pollinisation) du remplissage, ce qui signifierait un changement dans l'équilibre entre amidon et protéines. Cette hypothèse s'appuie sur des arguments biochimiques faisant intervenir l'effet négatif du PPi sur l'ADPglucose pyrophosphorylase (Agpase), une enzyme-clé de la synthèse de l'amidon, et le rôle du phosphoénolpyruvate (PEP) dans la synthèse des acides aminés aromatiques. Elle est de plus étayée par des données concernant le gène Opaque-2 qui code un facteur de transcription exerçant des effets pléiotropiques sur le contenu en lysine des grains et le métabolisme des glucides, agissant ainsi indirectement sur le rapport amidon / acides aminés. L'effet direct d'O2 sur l'expression du gène PPDK fournit un indice décisif pour rendre compte de la compétition entre métabolisme du carbone et de l'azote. Cette relation épistatique entre PPDK et O2 est également soutenue par des données de génétique quantitative et d'association. Pour citer cet article : J.-L. Prioul et al., C. R. Biologies 331 (2008).