Étude des mécanismes cellulaires lors de la sénescence foliaire

From Green to Yellow A Leaf Story

• Auteur / Autrice : Olivier Keech
• Direction : Pierre Dizengremel, Per Gardeström
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie végétale et forestière
• Date : Soutenance le 12/10/2007
• Etablissement(s) : Nancy 1 en cotutelle avec Umeå University, Sweden
• Ecole(s) doctorale(s) : RP2E
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Écologie et écophysiologie forestières, INRA - Umeå Plant Science Centre
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Dizengremel, Per Gardeström, Lee Sweetlove, Leszek Kleczkowski, Catherine Bellini, Torgny Näsholm
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Lee Sweetlove, Leszek Kleczkowski

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arabidopsis thaliana

Mitochondries végétales

Plantes -- Vieillissement

Mots clés libres

Chloroplastes

Cytosquelette

Microtubules

Système redox

Résumé

Lors de son jaunissement, une feuille subit aussi bien des modifications morphologiques que métaboliques. Ce processus est appelé « sénescence ». Une meilleure compréhension des mécanismes de la sénescence représente un challenge très important non seulement pour la recherche fondamentale mais aussi pour de futures applications en biotechnologie. La thèse présentée ici porte sur d’importants aspects relatifs aux mécanismes cellulaires et métaboliques rencontrés lors de la sénescence foliaire et ce, en apportant une attention particulière à l’implication des mitochondries lors de ce processus. Dans un premier temps, nous avons développé deux méthodes pour isoler, à partir de feuilles d’Arabidopsis, soit des mitochondries conservant leurs fonctionnalités, soit des mitochondries hautement purifiées. Ces méthodes furent utilisées afin d’étudier le rôle des mitochondries dans l’équilibre redox des cellules mais aussi dans le but de déterminer les capacités mitochondriales lors de la sénescence foliaire. Plus précisément, nous avons comparé l’induction de la sénescence foliaire grâce à différents traitements à l’obscurité. Cette comparaison entre des feuilles individuellement placées à l’obscurité et des feuilles provenant d’une plante entièrement disposée à l’obscurité révéla des stratégies métaboliques très différentes. En intégrant des mesures de l’activité photosynthétique, de la respiration et de microscopie laser confocale avec des analyses de transcriptomique et de métabolomique, nous suggérons que le métabolisme d’une feuille provenant d’une plante placée longuement à l’obscurité entre dans un état de « veille » dans le but de maintenir la machinerie photosynthétique fonctionnelle le plus longtemps possible; dans ce cas, les capacités mitochondriales diminuent. A contrario, les mitochondries issues de feuilles individuellement soumises à l’obscurité sont beaucoup plus actives et peuvent par conséquent fournir l’énergie et les squelettes carbonés nécessaires à la dégradation des constituants cellulaires facilitant ainsi la remobilisation des nutriments. Par ailleurs, nous avons aussi mené des investigations sur la dynamique du cytosquelette lors d’une sénescence induite par l’obscurité. La mobilité mitochondriale fut affectée dans les feuilles individuellement soumises à l’obscurité par la dégradation précoce des microtubules ce qui ne fut pas le cas dans les feuilles issues d’une plante entièrement placée à l’obscurité. De plus, un certain nombre de MAPS (microtubules-associated proteins) semblent être impliquées dans l’agrégation des microtubules autour des chloroplastes. Dans son ensemble, cette thèse apporte d’importantes informations quant aux ajustements métaboliques ainsi qu’aux mécanismes cellulaires prenant place lorsque des feuilles d’Arabidopsis sont soumises à une obscurité prolongée. En particulier, nous pensons que les mitochondries ont un rôle prépondérant lors de la sénescence foliaire et que selon le statut métabolique de la plante, les régulations mitochondriales peuvent apparaître divergentes.

When switching from green to yellow, a leaf undergoes both morphological and metabolic changes. This process is known as senescence and improved understanding of its mechanisms is important both from a fundamental scientific perspective but also for biotechnological applications. The present thesis reports on several important aspects regarding the cellular and metabolic mechanisms occurring during leaf senescence with an emphasis on the mitochondrial contribution to this process. As a first step, we developed methods to isolate either highly functional crude mitochondria or highly purified mitochondria from leaves of Arabidopsis thaliana. These methods were further used to study mitochondrial contributions to cellular redox homeostasis and to estimate the mitochondrial capacities in leaves undergoing senescence. In particular, we compared the induction of senescence by different dark treatments in Arabidopsis. The comparison between individually darkened leaves and leaves from whole darkened plants revealed different metabolic strategies in response to darkness. Integrating data from measurements of photosynthesis, respiration and confocal laser microscopy with transcriptomic and metabolomic profiling, we suggested that metabolism in leaves of the whole darkened plants enter a “stand-by mode” with low mitochondrial activity in order to maintain the photosynthetic machinery for as long as possible. In contrast, mitochondria from individually darkened leaves are more active and may provide energy and carbon skeletons for the degradation of cell constituents, facilitating the retrieval of nutrients. We also investigated the dynamics of the microtubular cytoskeleton during dark-induced senescence. Mitochondrial mobility was affected by an early disruption of the microtubules in individually darkened leaves but not in whole darkened plants. In addition, several microtubules associated proteins (MAPs) seemed to be involved in the bundling of the microtubules around the chloroplasts. Altogether, the work presented in this thesis highlights several important steps regarding the metabolic adjustments and the cellular mechanisms in Arabidopsis leaves submitted to prolonged darkness. In particular, we suggest the mitochondria to fulfill specific and important functions during leaf senescence since the role of mitochondria in leaves experiencing prolonged darkness appears very dependant on the whole metabolic status of the plant.