Physiological responses to zinc excess in Arabidopsis non-extremophile and extremophile plant species : interaction with drought and role of plant defensins

par Mohanad Alsulaiman

Thèse de doctorat en Ecophysiologie et adaptation des plantes

Sous la direction de Françoise Gosti et de Denis Vile.

  • Titre traduit

    Réponses à l’excès de zinc chez des espèces végétales d’Arabidopsis non-extrêmophiles et extrêmophiles : interactions avec la sècheresse et rôle des défensines végétales


  • Résumé

    Les plantes sont continuellement exposées à plusieurs stress biotiques et abiotiques. Les réponses des plantes à ces stress sont très complexes et impliquent des changements au niveau physiologique, moléculaire et cellulaire. Parmi ces stress, la sécheresse (déficit hydrique) est l'un des facteurs les plus préjudiciables à la croissance et à la productivité des plantes. Ce stress est considéré comme une menace sérieuse pour la production de cultures durables, en particulier dans la perspective du changement climatique. Le but de ce travail a d’abord été d'étudier les traits et / ou les mécanismes impliqués dans la réponse des plantes au déficit hydrique sous condition de zinc en utilisant l’espèce extremophile Arabidopsis halleri. Les plantes de l’espèce A. halleri sont hypertolérantes et hyperaccumulatrice des métaux zinc et cadmium; cette caractéristique évolutive représente un potentiel précieux pour étudier les réponses des plantes à des contraintes multiples. Ici, nous avons développé une approche comparative en utilisant A. halleri et deux espèces qui sont étroitement apparentées: A. thaliana et A. lyrata, tous les deux sensibles à l'excès de zinc. Nous avons caractérisé les caractères morpho-physiologiques de ces trois espèces en réponse à des combinaisons de déficit hydrique et d'excès de zinc. Les résultats ont montré que les plantes de l’espèce A. halleri ont une tolérance accrue au déficit hydrique par rapport à ce qui est observé chez A. thaliana et A. lyrata lorsqu'elles sont cultivées sous forte concentration de zinc dans le sol. Les plantes A. halleri ont montré une plus grande capacité à contrôler la teneur en eau des feuilles en réduisant la perte d'eau par transpiration due à la réduction de la conductance stomatique, ce qui a finalement augmenté positivement l'efficacité d'utilisation de l'eau. Notre étude montre que l'excès de zinc et le déficit hydrique ont des effets négatifs additifs sur la croissance des plantes des espèces A. thaliana alors qu'A. lyrata est moins affecté par l'addition de Zn au sol conditions WD. La combinaison de ces stress a effet interactif positif sur la croissance des plantes A. halleri. D'autre part, les défensines de plantes (PDF) sont impliquées dans la réponse des plantes aux stress biotiques et abiotiques. Le but de ce travail a également été de comprendre la contribution des PDF type 1 (PDF1s) dans la réponse des plantes à l'excès de zinc en utilisant comparativement des plantes A. thaliana sauvages et des plantes transgéniques amiRNA ciblant la diminution des transcrits PDF1s. Nous avons comparé les caractéristiques physiologiques de plantes matures cultivées en présence d’un excès de zinc dans le sol, et dans des conditions hydroponiques. Nos résultats montrent que, sous l’effet du zinc, la diminution des transcrits AtPDF1s est associée à une tolérance au zinc plus faible que celle observée chez les plantes A. thaliana sauvages sans changement du contenu en zinc.


  • Résumé

    Plants are continuously exposed to several biotic and abiotic stresses. Plant responses to these stresses are highly complex and involve changes at the transcriptome, cellular, as well as physiological levels. Among these stresses, drought is one of the most detrimental factors for plant growth and productivity and is considered a severe threat for sustainable crop production, especially under current changing climate. The aim of this study is to investigate traits and/or mechanisms involved in plants response to water deficit under zinc condition using plant material A. halleri. Arabidopsis halleri is a hypertolerant and hyperaccumulator plant species for zinc and cadmium; this evolutionary feature represents a valuable potential to investigate plant responses to multiple stresses. Here, we developed a comparative approach using this particular species and two closely related species, A. thaliana and A. lyrata, both sensitive to zinc excess. We characterized morpho-physiological traits of three Arabidopsis species in response to combinations of water deficit and zinc excess. The findings showed that, A. halleri plants has increased tolerance to water deficit compared to A. thaliana and A. lyrata when grown under high zinc concentration in the soil. A. halleri showed higher ability to control leaf water content by reduced water loss through transpiration due to reduction of stomatal conductance which ultimately positively increased water use efficiency. Our study shows that, zinc excess and water deficit have additive negative effects on the growth of A. thaliana species plants, whereas A. lyrata is less affected by the addition of Zn under conditions of WD compared to WW conditions. The combination of these stresses has a positive interactive effect on the growth of A. halleri plants. In other hand, plant defensins (PDF) are involved in plant responses to biotic and abiotic stresses. The purpose of this work was also to understand the contribution of PDF Type 1 (PDF1s) in the response of plants to zinc excess using comparatively wild-type A. thaliana plants and transgenic amiRNA plants targeting the reduction of transcripts PDF1s. We compared the physiological characteristics of mature plants grown in the presence of excess zinc in the soil, and under hydroponic conditions. Our results show that, under the effect of zinc, the decrease in AtPDF1s transcripts is associated with a lower zinc tolerance than that observed in wild-type A. thaliana plants without a change in zinc content.



Le texte intégral de cette thèse sera accessible sur intranet à partir du 01-01-2022

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