Transport à longue distance de K+ et adaptation au stress salin chez le riz : analyses moléculaires et physiologiques de l'implication de canaux K+

Long-distance K+ transport and adaptation to salt stress in rice : Molecular and physiological analyses of the involvement of K+ channels

• Auteur / Autrice : Jing Zhou
• Direction : Anne-Aliénor Very
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Intégrative, Diversité et Amélioration des Plantes
• Date : Soutenance le 13/07/2021
• Etablissement(s) : Institut Agro
• 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
• Partenaire(s) de recherche : École d’inscription : L'Institut Agro Montpellier (2020-....)
• Jury : Président / Présidente : Pascal Gantet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Aliénor Very, Rob Roelfsema, Manuel Nieves Cordones, Tomoaki Horie, Yi Wang
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Rob Roelfsema, Manuel Nieves Cordones

Mots clés

Mots clés libres

Canaux Shaker d'efflux de K+

Transport de K+ sur de longues distances

Tolérance au sel

Génétique inverse

Riz

Physiologie

Outward Shaker K+ channels

Long-Distance K+ transport

Salt tolerance

Reverse genetics

Rice

Physiology

Résumé

L'obtention de hauts rendements chez le riz repose sur l'apport de K+, comme celui d'autres macronutriments. L'absorption efficace de K+ par les racines à partir de la solution du sol et la distribution de ce cation dans la plante, par une circulation sur de longues distances via le xylème et le phloème, le flux ascendant étant alimenté en partie par la transpiration, sont essentielles pour la production de biomasse et de grains, également dans des conditions environnementales stressantes telles qu'une forte salinité du sol. L'objectif de ma thèse a été d'étudier les systèmes de transport de K+ impliqués dans ces processus clés chez le riz, pour une meilleure compréhension des mécanismes de transport de K+ au niveau de la plante entière, en vue du développement futur de cultures plus productives et adaptées au stress salin. Dans cette étude, une approche de génétique inverse a révélé que le canal Shaker d'efflux de K+ OsK5.2 est un déterminant majeur du maintien de la croissance des plantes en conditions salines. Sous traitement salin, l'analyse par qRT-PCR a montré que l'expression d'OsK5.2 était maintenue dans les racines et stimulée dans les feuilles. La fonction d'efflux de K+ d'OsK5.2 dans les cellules de garde limitant l'ouverture des stomates s'est révélée minimiser le flux de Na+ arrivant aux parties aériennes via le flux de transpiration. La contribution d'OsK5.2 à la charge en K+ de la sève xylèmienne surpasse l'effet négatif de la diminution du débit volumétrique dans le xylème pour l'alimentation en K+ des parties aériennes. Les fonctions combinées d'OsK5.2 se sont donc montrées très bénéfiques à l'homéostasie K+/Na+ de la feuille en conditions salines et à la limitation de la toxicité de Na+. OsK5.2 s'est également révélé crucial pour la production de biomasse en cas de limitation de la période lumineuse journalière, suggèrant un rôle dans le transport phloémien. En exprimant le gène rapporteur GUS sous contrôle du promoteur d'OsK5.2, il est apparu qu'OsK5.2 s'exprime dans les cellules compagnes du phloème des racines et des parties aériennes. L'utilisation de Rb+ pour tracer la circulation de K+ dans les sèves du xylème et du phloème, a révélé une contribution importante d'OsK5.2 à la décharge de K+ du phloème dans les racines. Enfin, l'analyse chez le riz et en contexte hétérologue chez Arabidopsis d'un autre canal Shaker d'efflux exprimé dans le système vasculaire des racines, OsK5.1, a suggéré que ce canal pourrait être impliqué, en plus d'OsK5.2, dans la charge en K+ de la sève xylèmienne chez le riz.

Rice high quality and yield requires the supply of K+, as that of other macronutrients. Efficient absorption of K+ by the roots from the soil solution and distribution of this cation within the plant, through long distance circulation via the xylem and phloem vasculature, the ascending flow being driven in part by the transpiration stream, is essential to support biomass and grain yield production, also in stressing environmental conditions such as soil salinity. The aim of my thesis was to study rice K+ transport systems involved in these key processes, for a better understanding of K+ transport mechanisms at the whole plant level, towards future development of more productive and salt stress adapted crops. In this study, a reverse genetics approach revealed that the outwardly-rectifying Shaker K+ channel OsK5.2 is a major determinant of plant growth upon saline conditions. Under salt treatment, qRT-PCR analysis showed that OsK5.2 expression was weakly affected in roots and rapidly upregulated in leaves. OsK5.2 mediated K+ efflux from guard cells limiting stomatal aperture was shown to minimize the Na+ flux arriving in shoots via the transpiration stream. OsK5.2 contribution to K+ loading into the xylem sap outperformed the negative effect of the decrease in xylem sap flow for shoot K+ feeding. OsK5.2 combined functions appeared, so, highly beneficial to the leaf K+ to Na+ homeostasis upon saline conditions and Na+ toxicity limitation. OsK5.2 was also revealed to be crucial for plant biomass production under limitation of the day light period, suggesting a role in phloem transport. OsK5.2 promoter GUS reporter fusions indicated localization of OsK5.2 expression in the phloem companion cells of root and shoot. By tracing K+ circulation in xylem and phloem saps, using Rb+, an important physiological contribution of OsK5.2 to K+ unloading from the phloem in roots was evidenced. In addition, analysis in rice and heterologously in Arabidopsis of another outward Shaker channel expressed in root vasculature, OsK5.1, suggested that this channel might play a role in xylem sap K+ loading, in addition to OsK5.2.