Dissection moléculaire et physiologique du rôle de l'acide phytique dans la réponse des plantes aux stress de l'environnement

Physiological and molecular dissection of phytic acid role in response of plant to environmental stress

• Auteur / Autrice : Nibras Belgaroui
• Direction : Hatem Rouached, Moez Hanin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique et amélioration des plantes
• Date : Soutenance le 17/12/2016
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro en cotutelle avec Université de Sfax. Faculté des sciences
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut des Sciences des Plantes de Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Ali Faouzi Gargouri
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hatem Rouached, Moez Hanin, Ali Faouzi Gargouri, Chedly Abdelly, Thierry Desnos, Christophe Robaglia
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Chedly Abdelly, Thierry Desnos

Mots clés

Mots clés libres

Phosphore

Acide phytique

Phytase

Homéostasie

Inositolphosphates

Stress

Phosphorus

Phytic acid

Phytase

Homeostasis

Inositolphosphates

Stress

Résumé

La faible disponibilité du phosphore (P) constitue une contrainte majeure à la croissance et au développement des cultures végétales à l’échelle mondiale. En fait, jusqu’à 95% du P total dans les sols agricoles existe sous forme de P organique dont le composant le plus prépondérant est l’acide phytique, qui n’est disponible aux plantes que s’il est hydrolysé par des enzymes spécifiques appelées les phytases. Nous nous sommes intéressés ici à l’étude d’une phytase PHY-US417 de la souche de Bacillus subtilis US417 afin de tester sa capacité à améliorer la mobilisation du P à partir de l’AP chez les plantes d’Arabidopsis thaliana. Nous avons démontré dans un premier temps que la surexpression chez Arabidopsis d'une forme intracellulaire de la phytase PHY-US417 a entrainé une diminution de 40% le taux d’AP dans les graines. Des analyses physiologiques ont révélé que la surexpression de cette phytase améliore la croissance des plantes après un stress par manque de P, grâce à l’augmentation du niveau intracellulaire du Pi et du sulfate. Remarquablement, une plus forte mobilisation du fer a été observée au cours de la germination chez ces lignées transgéniques. En outre, la perception du Pi extérieur suite à des changements dans les profils d'expression de certains gènes induits par la carence en phosphate. Ces résultats indiquent que l’AP constitue non seulement une forme de stockage de P au niveau des graines mais agit aussi comme une molécule de signalisation qui régule l’interaction entre l’homéostasie du phosphore et du sulfate.Ces lignées transgéniques nous ont conduit à conclure aussi que l'AP et ses dérivés en inositol phosphates pourraient être impliqués aussi dans l'interconnexion entre les voies régulant l'homéostasie le P et celle du Zn. Ces mêmes composants semblent également jouer un rôle de régulateur positif dans la réponse des plantes au stress osmotique et ce via une stimulation des activités antioxydantes. Dans un deuxième temps, l'effet de la sécrétion de la phytase PHU-US417 par les racines d'Arabidopsis a été étudié. Les résultats obtenus ont montré que la forme extracellulaire ePHY-US417 a été capable d'hydrolyser l'AP utilisé comme seul source de Pi dans le milieu extérieur. En conséquence, ces lignées surexprimant ePHY-US417 ont une meilleure acquisition du Pi et une meilleure croissance. Enfin cette amélioration de la croissance dans des conditions de carence en Pi a concerné aussi d'autres plantes d'Arabidopsis ou de tabac co-cultivées avec les lignées sécrétant la phytase ePHY-US417. Une telle avancée montre que les phytases secrétées pourraient avoir un fort potentiel de valorisation via le développement de nouvelles pratiques de cultures associées qui favorisent une agriculture durable en limitant l'usage intensif des engrais phosphatés.

The low availability of phosphorus (P) is a major constraint to growth and development of vegetable crops worldwide. In fact, up to 95% of total P in agricultural soils exists as organic P where phytic acid is the most dominant component, that is not available to plants unless hydrolyzed by specific enzymes called phytases. We are particularly interested to study a microbial phytase PHYC of Bacillus subtilis US417 strain (Farhat et al., 2008) to test its ability to enhance the mobilization of P from PA in Arabidopsis thaliana plants. Firstly, we have demonstrated in this work that overexpression of an intracellular form of phytase PHY-US417 in Arabidopsis resulted in reduction of PA levels in the grain.Physiological analyzes showed that overexpression of this phytase improves plant growth after P deficiency, by increasing the intracellular level of Pi and sulfate. Remarkably, a stronger mobilization of iron was observed during germination in these transgenic lines. In addition, the perception of the outside Pi result of changes in the expression profiles of genes induced by phosphate deficiency. These results show that the AP is not only a storage form in seeds but also acts as a signaling molecule that regulates the interaction between the phosphorus and sulfate homeostasis.These transgenic lines also led to conclude that the AP and its derivatives inositol phosphates may also be involved in the interconnection between the pathways regulating homeostasis of P and Zn. These components also appear to play a role as a positive regulator in the plant response to osmotic stress and this via stimulation of antioxidant activities.In a second step, the effect of the secretion of the PHY-US417 phytase by Arabidopsis roots was studied. The results showed that the extracellular form ePHY-US417 was able to hydrolyze the PA used as the sole P source of Pi in the external environment. Therefore these lines over ePHY-US417 have a better acquisition of Pi and better growth.Finally, this improved growth in Pi deficiency conditions has also affected other plants Arabidopsis or tobacco co-cultivated with plants secreting phytase. Such a step shows that the secreted phytase could have a significant upside potential through the development of new ways of ''intercropping'' that support sustainable agriculture by limiting the intensive use of phosphate fertilizers.