Développement d'un nouvel outil permettant de poser un diagnostic précoce sur l'état de santé des plantes exposées aux aléas climatiques en milieu naturel et dans des espaces cultivés

par Arnaud Dannfald

Projet de thèse en Biologie

Sous la direction de Jean-Marc Deragon et de Jean-Jacques Favory.

Thèses en préparation à Perpignan , dans le cadre de École doctorale Énergie environnement , en partenariat avec Laboratoire Génome et Développement des Plantes (laboratoire) et de Reprogrammation post-transcriptionnelle de l'expression des gènes en réponse au stress (equipe de recherche) depuis le 01-10-2020 .


  • Résumé

    L'épitranscriptomique est une toute nouvelle branche de la génétique qui étudie l'ensemble des modifications chimiques ciblant les ARN et en particulier les ARN messager (ARNm). Au cours des cinq dernières années, plusieurs études ont montré l'importance de ces modifications pour reprogrammer l'expression des gènes en réponse aux stress, et ceci autant chez les animaux que chez les plantes (1-5). Ainsi, ces marques chimiques ont tendance à être quantitativement modifiées en fonction de l'intensité et de la nature du stress subit. Par exemple, une baisse significative de la marques chimique 'm6A' des ARNm du maïs est observée lors d'un stress sècheresse (6). Il est important de noter que cette baisse est observée pour une variété sensible à la sècheresse, qui présente les symptômes caractéristiques de ce stress, mais également pour une variété tolérante, qui elle ne présente aucun symptôme. Ainsi, la variation à la baisse de m6A est, pour l'espèce tolérante, plus précoce que l'apparition de symptômes. Cette variation indique néanmoins que la plante tolérante compromet son potentiel de croissance pour investir dans la réponse à la sècheresse. Une connaissance précise de l'état de santé de la plante avant l'apparition de symptômes pourrait donc permettre d'apporter des solutions limitant cette compromission et donc préservant le rendement. Contrairement au stress sècheresse, le stress hypoxique (souvent associé à des sols inondés) a pour effet de plutôt augmenter le m6A des ARNm (7). Ainsi pour une même marque chimique, une augmentation ou une baisse pourrait être indicatif de la nature du stress subit par la plante. Des marques chimiques autres que le m6A varient également en fonction de différents stress. Ainsi, par exemple, le niveau de pseudouridylation des ARNm de l'Arabette des Dames augmente lors d'une élévation de la température et lors d'un stress oxydatif (8). Le stress oxydatif entraine aussi l'augmentation des marques N4-AcC (9) et m1G (10) alors qu'il conduit à une diminution de la marque m5-C au profil de la marque 5hmC (11). Il existe au moins 18 marques chimiques différentes sur les ARNm des plantes. Ainsi, l'étude de l'ensemble de ces marques chez un individu pourrait être assimilé à un code bar permettant de poser un diagnostic précis de la nature et de l'intensité des différents stress qu'il a subi, et ceci en amont de l'apparition de symptôme. Ce diagnostic précoce permettrait ainsi de planifier une intervention préservant le rendement dans le cas de plantes cultivées ou de prendre des actions de préservation dans le cas d'espaces naturels protégés. L'objectif de cette thèse est, en utilisant une approche de spectométrie de masse, de développer et de calibrer une nouvelle génération de senseurs précoces de l'état de santé des plantes (en milieu naturel et cultivé) en amont de l'apparition de symptômes. Cet outil sera développé en utilisant l'Arabette des Dames comme espèce sentinelle des espaces naturels de notre territoire et le blé tendre et le maïs comme espèces cultivées d'importance économique pour la Région Occitanie.

  • Titre traduit

    Development of a new tool to make early diagnostics of plant exposed to climate changes in natural and cultivated environments


  • Résumé

    Epitranscriptomic is a new branch of genetic studying all modifications targeting RNAs and especially messenger RNAs (mRNAs). In the past five years, several studies have shown the importance of plant and animal mRNA chemical modifications to reprogram gene expression in stress situations (1-5). These chemical marks on mRNAs have a tendency to quantitatively vary depending on the nature and intensity of the perceived stresses. For example, in maize, a significant lower level of the mRNA chemical mark “m6A” was observed in drought situations (6). It is important to note dans this drop was observed for a maize variety that is sensible to drought (and present all corresponding phenotypes) but also for a drought resistant line that do not present stress symptom. Therefore, this drop in m6A marks for a drought tolerance variety without symptom, is diagnostic of the stress the plant is experiencing, forcing it to compromised it growth and development functions to invest in the stress response pathways. A precise knowledge of the plant health situation, before phenotype apparition, could allow to set up solution (here irrigation) without compromising future yield. Contrarily to drought, hypoxic stress (often associated to flooded land) led to an increase in mRNA m6A content (7). So for a given chemical mark, an increase or a lowering could be diagnostic of different types of stress. mRNA chemical marks other than m6A can also vary upon stress exposure. For example, Arabidopsis thaliana mRNA pseudouridylation level vary following heat and oxidative stresses (8). Oxidative stress also lead to the increased of N4-AcC (9) et m1G (10) in plant mRNAs while the m5C mark diminished to the profit of the 5hmC (11). At least 18 different chemical marks were detected on plant mRNAs. Therefore, a simultaneous study of all these marks in an individual could be assimilated to a barcode allowing to set up a diagnostic of the plant health situation. This diagnostic, before the apparition of stress-related symptoms, would allow to plan interventions to protect yield in case of cultures or to take preservation actions in case of natural resources. The objective of this thesis is, by using a mass spectrometry strategy, to develop and calibrate a new generation of monitoring tools to evaluate plant health (in cultured or natural environments) before the apparition of any stress phenotypes. This tool will be develop on Arabidopsis thaliana, as a sentinel species of Occitanie natural areas and on tender wheat and economically important crop for this Region.