Dynamique de la sécrétion de coumarines dans le sol par les plantes pour améliorer la nutrition en fer

par Kévin Robe

Projet de thèse en Génétique et amélioration des plantes

Sous la direction de Christian Dubos et de Esther Izquierdo alegre.

Thèses en préparation à Montpellier, SupAgro , dans le cadre de Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...) , en partenariat avec BPMP - Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes (laboratoire) depuis le 02-01-2017 .


  • Résumé

    L'étude du contrôle de l'homéostasie du fer chez Arabidopsis thaliana nous a récemment conduit à l'identification d'un nouveau mécanisme impliqué dans l'acquisition de ce micronutriment dans le sol. Ce mécanisme repose sur la sécrétion de composés phénoliques (coumarines) par les racines, qui permet d'améliorer la capacité d'extraction du fer par les plantes (hors graminées). Cependant, malgré l'importance du rôle joué par les coumarines dans l'adaptation des plantes à leur environnement, au travers de leur action à l'interface plante / sol, très peu d'éléments sur les mécanismes qui régissent l'accumulation et le transport de ces composés phénoliques dans les racines ont été à ce jour décrits. L'identification des acteurs moléculaires impliqués dans ce processus présente un double intérêt, (i) scientifique tout d'abord car le transport des composés phénoliques / métabolites secondaires est très peu connu, et (ii) socio-économique ensuite, car cela peut potentiellement conduire au développement de nouvelles stratégies pour la conduction de cultures en milieux pauvres, la biofortification, ou bien encore pour le piégeage de carbone dans le sol (Initiative 4 pour 1000, http://4p1000.org/). L'équipe d'accueil a démontré que la sécrétion de coumarines dans la rhizosphere par la transporteur PDR9 joue un rôle majeur dans le maintien de l'homéostasie du fer chez les plantes et que, dans ce contexte, PDR9 agit de concert avec des acteurs impliqués dans ce processus déjà caractérisés : AHA2 (H+-ATPase), FRO2 (réductase ferrique) et IRT1 (transporteur spécifique du fer). L'équipe d'accueil a par ailleurs mis en évidence que la sécrétion de ces composés est un mécanisme complexe, qui fait intervenir des acteurs moléculaires qu'il reste à identifier et à caractériser. Dans le cadre de la thèse les questions auxquelles nous cherchons à répondre sont les suivantes : - Quels sont les acteurs moléculaires qui contrôlent le stockage des coumarines dans les vacuoles de la racine ?, sont-ils identiques dans tous les types cellulaires ? - Comment les coumarines sont-elles transportées entre les différents types cellulaires de la racine jusqu'au rhizoderme suite à la perception de la carence en fer ? - Le trafic des coumarines est-il unidirectionnel vers le rhizoderme ou peut-il être bidirectionnel vers l'endoderme, voir le système vasculaire ? - Le système de transport et de sécrétion des coumarines est-il régulé (au niveau post-traductionnel) de la même manière que FRO2 et IRT1? Doit on raisonner en terme de complexe d'assimilation du fer ou en terme de protéines indépendantes ? Le programme de recherche suit les 3 objectifs principaux de la thèse : 1 - Dynamique du transport et de la sécrétion des coumarines. La méthode de microscopie spectrale sera utilisée pour la caractérisation fine, au cours temps et selon le type cellulaire, de la sécrétion des coumarines en fonction de la disponibilité en fer. Il s'agira aussi d'étudier la composition en coumarines dans les différents types cellulaires. Dans ce cadre, des lignées sauvage et pdr9 mutant (perte de fonction) exprimant des gènes marqueurs des types cellulaires et de compartiments sous cellulaires seront générées et utilisées pour ces expériences (e.g. PIP2;3:GFP pour le tonoplaste). 2 - Identification de nouveaux acteurs impliqués dans le transport des coumarines. Des lignées mutantes (perte de fonction, lignées T-DNA ou Crisr-Cas9) simple ou multiples pour les gènes candidats pré-sélectionnés (et pdr9) seront réalisées et caractérisées phénotypiquement, notamment pour leur réponse à des conditions de nutrition en fer contrastées. Une analyse de protéomique quantitative sera réalisée pour compléter cette approche et identifier des gènes candidats supplémentaires. Une caractérisation fonctionnelle des gènes candidats retenus sera réalisée (i.e. profil d'expression, activité du promoteur, localisation de la protéine, activité). 3 - Analyse intégrée de la dynamique du trafic et de la sécrétion des coumarines. Cet axe sera centré sur l'étude de la régulation post-traductionnelle de PDR9 en fonction de la disponibilité en fer. Cette étude sera réalisée à la lumière des travaux réalisé sur IRT1 et intégrera FRO2 (et / ou AHA2), et potentiellement tout nouveau gène candidat qui aura été caractérisé dans le cadre de cette thèse.

  • Titre traduit

    Dynamics of coumarin secretion by plant roots into the soil to improve iron nutrition


  • Résumé

    Iron (Fe) is an essential micronutrient for plant productivity as well as for the quality of their derived products. However Fe is generally poorly available to plants because it is mainly present in the soil in the form of insoluble chelates. We and others have recently identified a novel mechanism involved in plant Fe acquisition that relies on the secretion in the soil of coumarin compounds (secondary metabolites) through the PDR9 transporter in order to improve the Fe mining capacity of the plants. Results we have recently obtained allowed us to pinpoint that the coumarin secretion process follows a complex and yet undescribed pathway involving various cell types and proteins involved in their transport. Understanding the whole dynamics of coumarin transport and secretion into the soil is therefore the next challenge we need to tackle. Hence, addressing this issue is of primary importance if one aims at improving food crop production as well as providing better food for the growing population without the use of Fe fertilizers that is expensive and can be questioned in term of sustainability in modern agriculture.