Analyse fonctionnelle des mutants de la catalase et de leur application à l'analyse des voies liées au NADPH dans la signalisation oxydative chez Arabidopsis thaliana

Functional analysis of catalase mutants and their application to the analysis of NADPH-linked pathways in oxidative signaling in Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Zheng Yang
• Direction : Graham Noctor
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 15/11/2018
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des sciences des plantes de Paris-Saclay (Gif-sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Marianne Delarue
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Graham Noctor, Marianne Delarue, Arnould Savouré, Yves Jolivet
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Arnould Savouré, Yves Jolivet

Mots clés

Mots clés contrôlés

Catalase

Transduction du signal cellulaire chez les plantes

Arabidopsis thaliana

Stress oxydatif

Oxydoréduction

Mots clés libres

Redox

Stress oxydant

Signalisation

Arabidopsis

Catalase

NADPH

H₂O₂

Redox

Oxidative stress

Signalling

Arabidopsis

Catalase

NADPH

H₂O₂

Résumé

Les conditions contraignantes provoquent la modification de l’état redox et la signalisation liée aux formes actives de l’oxygène (ROS), dont les concentrations sont régulées par des systèmes antioxydant complexes. On dénombre de plus en plus de processus qui sont affectés par la régulation redox, mais nous avons toujours des connaissances fragmentaires quant à l’importance des interactions centrales entre ROS et systèmes antioxydants pour la signalisation cellulaire chez les plantes. Cette étude a utilisé des approches de génétique classique et inverse chez l’espèce-modèle, Arabidopsis thaliana dans le but d’élucider les rôles des catalases et des systèmes NADPH-glutathion-ascorbate dans le métabolisme du H₂O₂ et la signalisation qui en dépend. Une analyse de mutants ADN-T pour les trois gènes codant la catalase a révélé que la mutation cat2, à la différence de cat1 et de cat3, a fortement affecté la croissance et le développement de la plante. Lorsqu’il était cultivé dans l’air, le mutant cat2 présentait une croissance réduite à la fois au niveau de la rosette et des racines, mais ces effets étaient absents lors de la culture des plantes sous un taux de CO₂ élevé, suggérant que la taille diminuée est causée, directement ou indirectement, par une capacité compromise de métaboliser le H₂O₂ produit par la photorespiration. Une étude de cat2 cultivé dans des photopériodes différentes a mis en évidence une forte influence de la période d’illumination sur la signalisation oxydative et ceci d’une manière qui est indépendante de l’intensité du stress. Lorsque cat2 est cultivé en jours longs, le stress oxydant induit la voie de l’acide salicylique (SA), provoquant des lésions visibles sur les feuilles. Cette réponse au stress oxydant est annulée dans un double mutant cat2 g6pd5, chez lequel l’expression d’une forme spécifique de la glucose-6-phosphate déshydrogénase (G6PDH) a également été inactivée. Une approche de génétique classique a permis d’identifier plusieurs gènes susceptibles d’être impliqués dans la régulation de la formation de lésions SA-dépendante dans ce double mutant. Afin d’explorer les rôles des monodéshydroascorbate réductases (MDHAR) spécifiques dans des conditions optimales et de stress, des mutants d’insertion pour plusieurs gènes codant la MDHAR ont été obtenus. Ces mutants présentaient un phénotype sauvage dans des conditions de culture optimales, mais à la suite de son introduction dans le fond cat2, l’un d’entre eux a fortement modifié l’induction de la voie SA par le stress oxydant. Pris dans leur ensemble, les résultats soulignent l’importance de CAT2 et permettent de dessiner un lien fonctionnel entre des G6PDH et MDHAR spécifiques dans les voies de signalisation oxydative chez Arabidopsis, lien qui pourrait s’expliquer par la production de NADPH par la G6PDH et son utilisation par la MDHAR.

Stress conditions lead to modified redox states and signaling linked to reactive oxygen species (ROS), whose cellular concentrations are regulated by complex antioxidative systems. While the list of processes subject to redox regulation continues to grow, our understanding of the importance of the core interactions between ROS and plant antioxidative systems in cell signaling remains very fragmentary. This work used forward and reverse genetics to analyze the roles of catalases and the NADPH-glutathione-ascorbate systems in H₂O₂ metabolism and related signaling in the model species, Arabidopsis thaliana. An analysis of T-DNA mutants for the three catalase-encoding genes revealed that cat2, but not cat1 or cat3, substantially impacted plant growth and development. While the cat2 mutant showed decreased shoot and root size when grown in air, both these effects were annulled by growth at high CO₂, suggesting that they were caused, directly or indirectly, by compromised capacity to metabolize photorespiratory H₂O₂. An analysis conducted in cat2 rosettes following growth in different photoperiods revealed that oxidative signaling is strongly influenced by day length in a manner that is independent of stress intensity. When cat2 is grown in long days, oxidative stress induces the salicylic acid (SA) pathway, leading to visible lesions on the leaves. This response to oxidative stress is annulled in cat2 g6pd5, which has additionally lost the function of a specific glucose-6-phosphate dehydrogenase (G6PDH). A forward genetics approach identified several genes that may be involved in regulating SA-dependent lesion formation in this double mutant. To explore the roles of specific monodehydroascorbate reductases (MDHAR) in optimal and stress conditions, insertion mutants for several MDHAR-encoding genes were obtained. While these mutants showed a wild-type phenotype in optimal growth conditions, one of them markedly altered induction of the SA pathway by oxidative stress when introduced into the cat2 background. Together, the results underline the importance of CAT2 and point to functional coupling between specific NADPH-producing G6PDH and NADPH-requiring MDHAR in oxidative stress signaling pathways in Arabidopsis.