Relations entre la lignification et la réponse à la sécheresse

Relationship between lignification and drought stress response

• Auteur / Autrice : Mohammad Mir Derikvand
• Direction : Lise Jouanin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences biologique. Biologie moléculaire végétale
• Date : Soutenance en 2008
• Etablissement(s) : Paris 11
• Partenaire(s) de recherche : Autre partenaire : Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Biosynthèse

Arabidopsis thaliana

Plantes -- Effets du stress

Sécheresse

Résumé

La sécheresse est un important stress abiotique qui affecte de nombreuses voies métaboliques chez les plantes. Récemment, des résultats préliminaires de transcriptomique ont suggéré que la lignification pourrait être impliquée dans la tolérance à la sécheresse, cependant aucune étude spécifique sur ce sujet n’a été initiée. L’objectif principal de cette thèse était d’étudier les relations entre la lignification et la tolérance à la sécheresse en utilisant Arabidopsis thaliana comme plante modèle. Un protocole de sécheresse progressive a été établi. Le profil d’expression de 14 gènes impliqués ou potentiellement impliqués dans la lignification a été déterminé par RT-PCR sur l’écotype WS à deux stades de développement. Au stade rosette, CADB2, CADG et CADA sont surexprimés en réponse au stress et au stade de floraison F5H1, COMT1 et CADB1 sont également induits. Des lignées nulles ou surexprimant les gènes COMT1, F5H1, CADB2 et CADG ont été utilisées afin de déterminer l’impact des mutations sur la production de biomassse en conditions de sécheresse. Bien que dans certains cas, des différences significatives aient été observées entre lignées sauvages et dérégulées, elles ne permettent pas de démontrer un rôle majeur de ces gènes dans la réponse à ce stress. Des analyses de lignine pour les écotypes WS et Col0 montrent que la sécheresse accélère la lignification et modifie la composition de la lignine de manière transitoire chez les plantes jeunes. Une augmentation du sinapoyl malate, un composé phénolique soluble, peut être corrélée à l’induction de F5H1 et COMT1. En parallèle, des mutants nuls pour les cinnamoyl-CoA réductases 1 et 2 (CCR1 & CCR2) impliquées dans la voie de biosynthèse des lignines ont été caractérisés. Les 2 mutants nuls ccr1 présentent une taille réduite, une stérilité partielle et une sénescence retardée par rapport au sauvage. Les analyses biochimiques révèlent une réduction de la quantité de lignine (25-30%) de structure plus condensée et avec incorporation d’acide férulique. La modification du contenu en sinapoyl malate et en flavonoïdes suggère une redirection du féruloyl-CoA de la lignine vers les esters pariétaux , le feruroyl malate et le sinapoyl malate. Par contre, aucune modification de ces paramètres n’a été observée chez le mutant ccr2 démontrant le rôle majeur de CCR1 dans la lignification.

Drought is an important abiotic stress which affects many metabolic pathways in plants. Recently, preliminary data, mainly from global transcriptome studies, have suggested that lignification may be involved in drought stress tolerance; however no lignin-specific investigations had been performed. The main objective of this thesis, therefore, was to study the relation between lignification and drought stress tolerance using Arabidopsis thaliana as a model for vascular plants. A progressive drought stress protocol was established. The expression pattern of 14 genes involved or potentially involved in the lignin-specific pathway was determined using RT-PCR on the WS ecotype at two developmental stages. At the rosette stage, CADB2, CADG and CADA were upregulated in response to drought. Subsequently, at the flowering stage, F5H1, COMT1 and CADB1 were induced. The up- or down-regulated mutant lines for F5H1, COMT1, CADB2 and CADG genes were used in order to determine the potential impact of the mutations on biomass production under drought conditions. Although in some cases, significant differences between wild type and overexpressing or repressed mutant lines were found, this was not sufficient to demonstrate a major role of these genes in response to drought stress. Lignin analyses of WS and Col0 wild type ecotypes indicated that drought stress accelerates lignification and modifies lignin composition transiently in young plants. The increase level in sinapoyl malate, a soluble phenolic, could be correlated with the induction of F5H1 and COMT1. In parallel, T-DNA knock-out mutants for cinnamoyl CoA reductase 1 and 2 (CCR1 & CCR2) involved in the lignin biosynthesis pathway were characterized. The two ccr1 null mutants had a stunted phenotype, partial sterility and delayed senescence when compared to wild type. Biochemical analyses showed that their lignin content was reduced (25-30%) with more condensed lignin which had incorporated ferulic acid. Modification of the pools of sinapoyl malate and flavonoids was observed suggesting redirection of feruloyl-CoA to cell wall-bound ferulate esters and to sinapoyl malate and feruloyl malate. In contrast, no modification of these traits was detected in the ccr2 mutant demonstrating a major role of CCR1 in lignification.