Mécanismes moléculaires des interactions plante xénobiotique : implication de la régulation des signalisations liées au stress, au développement et aux voies hormonales

Molecular mechanisms of plant-xenobiotic interactions : involvement of stress, development and hormone signaling regulations

• Auteur / Autrice : Diana Alberto
• Direction : Gwenola Gouesbet, Cécile Sulmon, Ivan Couée
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 20/12/2017
• Etablissement(s) : Rennes 1
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Écologie Géosciences Agronomie Alimentation (Rennes ; 2016-2022)
• Partenaire(s) de recherche : ComuE : Université Bretagne Loire (2016-2019)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecosystèmes, Biodiversité, Evolution (Rennes ; 1996-....)

Mots clés

Mots clés contrôlés

Écotoxicologie

Mécanisme d'action

Xénobiotiques

Plantes -- Effets des produits chimiques

Effets du stress

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Arabidopsis thaliana

Stress xénobiotique

Herbicide

Pollution environnementale

Métabolites

Atrazine

Déséthylatrazine

Hydroxyatrazine

Développement

Réseaux moléculaires de signalisation

Stress abiotique

Cytokinines

Mutant

Perception

Arabidopsis thaliana

Xenobiotic stress

Environmental herbicide pollution

Herbicide metabolites

Atrazine

Desethylatrazine

Hydroxyatrazine

Development

Molecular signaling networks

Abiotic stresses

Cytokinins

Insertional mutants

Sensing

Résumé

Les herbicides sont des polluants suscitant de grandes inquiétudes en raison de leur ubiquité environnementale résultant de leur usage intensif dans l’agriculture moderne et de leur persistance dans les sols et les eaux. Les herbicides peuvent être dégradés par des microorganismes, des plantes ou d’autres processus naturels, produisant alors une vaste gamme de métabolites dont l’impact sur les écosystèmes reste méconnu. Dans un contexte d’évaluation des risques environnementaux, l’étude de la réponse des plantes à des mélanges complexes de xénobiotiques est importante pour estimer les effets des contaminations, notamment dans le cas de pollution résiduelle. Afin d’étudier l’impact de cette diversité de polluants, les mécanismes de réponse et les cibles impliquées, la plante modèle Arabidopsis thaliana a été confrontée à des doses variables de molécules de la famille des triazines constituant une série chimique cohérente : atrazine, herbicide encore largement utilisé au niveau mondial, déséthylatrazine, métabolite chloré de l’atrazine, et hydroxyatrazine, métabolite de déchloration de l’atrazine. Ce travail montre que l’exposition de courte durée à des doses variables d’atrazine, de déséthylatrazine et d’hydroxyatrazine, au niveau racinaire, affecte de manière spécifique et dose-dépendante la croissance précoce et le développement de la plante. La caractérisation d’effets directs et multiples sur la respiration et la croissance racinaire a permis de révéler des mécanismes d’action non-canoniques, distincts de l’action classiquement décrite des triazines sur le photosystème II. Afin d’identifier ces mécanismes, activés en absence de dommages cellulaires, une analyse transcriptomique au niveau du génome entier a été effectuée. Les trois triazines induisent des changements coordonnés et spécifiques dans l’expression des gènes. L’analyse fonctionnelle des gènes différentiellement exprimés et de leur promoteur révèle que les voies de signalisation liées à la fois aux hormones végétales, à la perception de faibles niveaux d’énergie, aux stress environnementaux ainsi qu’aux interactions biotiques sont impliquées dans la réponse aux faibles doses de triazines. Les triazines affectent, en particulier, l’expression de gènes connus pour être régulés par les cytokinines. De manière intéressante, cette famille d’hormones végétales montre des caractéristiques chimiques similaires à celles des triazines. Des études développementales utilisant différentes modalités d’exposition aux triazines et aux cytokinines ont alors été effectuées sur des génotypes sauvages et sur des mutants de la voie de signalisation des cytokinines. L’identification d’interactions spécifiques entre les triazines et les composants de la signalisation des cytokinines a alors mis en évidence des mécanismes potentiels de compétition et/ou d’antagonisme. La caractérisation de ces perturbations au niveau de la transduction du signal pourra permettre à terme d’évaluer l’efficacité des herbicides sur les cultures ainsi que l’impact des contaminations xénobiotiques sur les communautés végétales naturelles. Enfin, l’identification des interactions entre stress xénobiotique, biotique et abiotique approfondira les connaissances sur les effets croisés de la pollution chimique et des stress liés au changement climatique.

Herbicides are pollutants of high concern due to their environmental ubiquity resulting from extensive use in modern agriculture and persistence in soil and water. Degradation events on active molecules mediated by microorganisms, by plants and by natural processes give rise to a plethora of herbicide metabolites of unknown impact on ecosystems. Study of plant behavior toward such complex mixtures of xenobiotic structures is important to evaluate the effects of contaminations, especially in the context of residual pollution. In order to understand the mechanisms underlying the action of this diversity of compounds, the model plant Arabidopsis thaliana was confronted to variable doses of the widely-used triazine herbicide atrazine, and of two of its metabolites, desethylatrazine and hydroxyatrazine. Short exposure to varying concentrations of atrazine, desethylatrazine and hydroxyatrazine was found to affect early growth and development in various dose-dependent and distinct manners. These differential effects pointed out to the multiple involvement of non-canonical mechanisms, directly affecting respiration and root development. In order to identify these mechanisms, which are activated in the absence of major adverse physiological effects, a genome-wide transcriptomic analysis was carried out. All of the triazines under study induced coordinated and specific changes in gene expression. Functional analysis of differentially expressed genes and of their promoters revealed that signaling pathways related to plant hormones, low energy sensing, environmental stresses and biotic interactions were involved in low-dose triazine responses. In particular, triazines affected the expression of genes known to be regulated by cytokinins. Interestingly, this family of plant hormones shares similar chemical features with triazine compounds. Developmental studies on plants bearing mutations in cytokinin sensing and signaling pathways were then carried out under variable triazine exposures. The identification of specific interactions between triazine compounds and cytokinin-signaling components highlighted potential mechanisms of competition and/or antagonism. The characterization of such signal transduction modifications and perturbations will be useful to assess herbicide efficiency in crop systems and xenobiotic contamination impact on natural plant communities. Finally, the identification of crosstalk processes between xenobiotic, abiotic and biotic stress signaling gives novel insights into the interplay between chemical pollution and climate change stressors.