Adaptation des plantes à la salinité : caractérisation de variants écotypiques et de lignées invalidées pour des systèmes de transport de NA+ chez le riz

Plant adaptation to salinity stress : characterisation of ecotypic variants and knock-out lines for Na+ transport systems in rice

• Auteur / Autrice : Fouad Al-Shiblawi
• Direction : Anne-Aliénor Very
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Génétique et amélioration des plantes
• Date : Soutenance le 15/11/2017
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• 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 : Pascal Gantet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Aliénor Very, Pascal Gantet, Renaud Brouquisse, Sophie Filleur
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Renaud Brouquisse, Sophie Filleur

Mots clés

Mots clés libres

Stress salin

Transporteur HKT

Fusion promoteur::GUS

CRISPR/Cas9

Riz

Physiologie moléculaire

Salt stress

HKT transpoter

Promoter::GUS fusion

CRISPR/Cas9

Rice

Molecular physiology

Résumé

La salinité de l'eau d'irrigation et des sols est l'une des principales contraintes abiotiques en agriculture. Parmi les 130 mha de riz cultivés dans le monde, 30% environ se trouvent dans des zones où la salinité est trop élevée pour permettre de bons rendements. Dans l'objectif de mieux comprendre le rôle des systèmes de transport de Na+ dans la compartimentation de Na+ dans la plante permettant de maintenir un rapport K+/Na+ élevé dans les tissus sensibles lors d’un stress salin, je me suis intéressé à deux transporteurs de la famille HKT, OsHKT1;1 et OsHKT1;3, chez le riz, la plante modèle des céréales. Mon principal projet a allié une stratégie ''promoteur::GUS'' pour préciser les patrons d'expression in planta des deux gènes, et une approche de génétique inverse en produisant des mutants pertes de fonction à l’aide de la technologie CRISPR-Cas9, qui s’est confirmée être un outil efficace pour générer des mutations indèles après cassure ciblée de l’ADN, transmissibles de façon stable chez le riz. Les tests histochimiques de l’activité GUS ont montré une expression prédominante d’OsHKT1;1 et d’OsHKT1;3 dans les tissus vasculaires (parenchyme xylémien et/ou phloème), essentiellement au niveau des parties aériennes. L’analyse phénotypique des plantes ''CRISPR'' a mis en évidence des modifications des profils d’accumulation de Na+ dans les feuilles chez les mutants: défaut d’accumulation de Na+ dans les gaines foliaires pour les plantes oshkt1;1 et répartition altérée de Na+ entre les vieilles et les jeunes feuilles chez les plantes oshkt1;3, conduisant à une augmentation de la teneur en Na+ dans les limbes des jeunes feuilles chez les 2 types de mutants. Dans l’ensemble, ces résultats suggèrent qu’OsHKT1;1 et OsHKT1;3 participent au dessalage des jeunes limbes foliaires lors d’un stress salin, via des mécanismes différents, contrôlant les transports xylémiques et phloémiens de Na+. En plus de cette étude, j’ai collaboré avec un groupe de généticiens, qui avait identifié une forte association entre des différences écotypiques de contenu racinaire en Na+ et de rapport K+/Na+, et une région du chromosome 4 du riz comprenant le gène OsHKT1;1. En comparant fonctionnellement par électrophysiologie les deux variants majeurs d’OsHKT1;1, des différences de capacités de transport de Na+ susceptibles d’expliquer le trait racinaire ont été observées. L’ensemble des données obtenues souligne l’intérêt d’analyser tous des gènes HKT de riz dans les mécanismes de tolérance de la plante à la salinité

The salinity of irrigation water and soils is one of the main abiotic constraints in agriculture. Among the 130 mha of rice grown around the world, about 30% are in areas where salinity is too high to allow for good yields. In order to better understand the role of Na+ transport systems in the compartmentalization of Na+ in the plant to maintain a high K+/Na+ ratio in sensitive tissues during salt stress, I focused on two transporters from the HKT family, OsHKT1;1 and OsHKT1;3, in rice, the model cereal species. My main project combined a “promoter::GUS” strategy to specify the expression pattern of both genes, and a reverse genetics approach by producing loss-of-function mutants using the CRISPR-CAS9 technology, which was confirmed to be an efficient tool for generating indel mutations after targeted DNA breaks, stably transmitted in rice. Histochemical tests of GUS activity showed predominant expression of OsHKT1;1 and OsHKT1;3 in vascular tissues (xylem parenchyma and/or phloem), mainly in the aerial parts. Phenotypic analysis of ''CRISPR'' plants revealed changes in leaf Na+ accumulation profiles in mutants: lack of Na+ accumulation in leaf sheaths for oshkt1;1 plants and altered distribution of Na+ between old and young leaves in oshkt1;3 plants, leading to an increase in the leaf blade Na+ content in both types of mutants. Overall, these results suggest that OsHKT1 and OsHKT1.3 contribute to the desalination of young leaf blades during salt stress, via different mechanisms, controlling transports of Na+ through the xylem and phloem. In addition to this study, I collaborated with a group of geneticists who identified a strong association between ecotypic differences in root Na+ and K+/Na+ ratio, and a region of chromosome 4 of rice including the OsHKT1;1 gene. By comparing electrophysiologically the two major variants of OsHKT1;1, differences in Na+ transport capacities that could explain the root trait were observed. All the data obtained underline the interest of analyzing all HKT genes of rice in the mechanisms of plant tolerance to salinity.