Arabidopsis thaliana : un modèle pour étudier les adaptations thermique et saline des plantes dans les Pyrénées

Arabidopsis thaliana : a model to study thermal and saline adaptations of plants in the Pyrenees

• Auteur / Autrice : Ali Eljebbawi
• Direction : Christophe Dunand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Développement des plantes
• Date : Soutenance le 05/11/2021
• Etablissement(s) : Toulouse 3
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences écologiques, vétérinaires, agronomiques et bioingénieries (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de Recherche en Sciences Végétales (Toulouse ; 2010-....)
• Jury : Président / Présidente : Elisabeth Jamet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Christophe Dunand, Aurélien Boisson-Dernier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christian Dubos, Sandrine Ruffel

Mots clés

Mots clés contrôlés

Facteurs abiotiques

Racines (botanique)

Pyrénées (France)

Évolution

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Arabidopsis thaliana

ARN

Class III peroxidases

Croissance de la racine

ROS

Stress abiotiques

Abiotic stress

Arabidopsis thaliana

RNA-seq

Root development

ROS

Résumé

Dans le contexte du changement climatique, les plantes seront confrontées à des contraintes environnementales de plus en plus récurrentes qui affecteront négativement leur productivité et leur survie. L'élévation et les brusques fluctuations de température exposeront les plantes à des stress thermiques critiques pour leur développement. De plus, les événements d'inondation associés à la montée du niveau de la mer augmenteront la salinité des sols ce qui perturbera les plantes sauvages et cultivées. Ainsi, une préoccupation majeure de la biologie végétale est de définir des stratégies pour faire face aux stress thermiques et salins afin de maintenir la biodiversité et la productivité agricole. Dans ce cadre, l'acclimatation et l'adaptation des plantes aux stress abiotiques ont été massivement étudiées à différents niveaux et sous de multiples aspects. Parce que les plantes sont sessiles, elles ont une dispersion restreinte qui limitera leur migration vers des régions aux cadres climatiques plus favorables. Par conséquent, elles sont amenées à s'acclimater rapidement à de nouvelles conditions environnementales via leur plasticité phénotypique. À long terme, les plantes peuvent s'adapter à leurs microenvironnements locaux via la sélection naturelle qui améliore leur adaptation à leur niche écologique. Ce mécanisme est à la base de la diversité naturelle. La diversité naturelle intra-espèces est un outil puissant pour étudier la réponse de la plante aux changements environnementaux. Arabidopsis thaliana a été adoptée comme espèce modèle pour de telles études. Dans ce travail, des populations naturelles d'A. thaliana provenant du versant Français des Pyrénées sont utilisées pour caractériser la plasticité phénotypique et transcriptomique en réponse aux stress thermiques et salins. L'intérêt particulier de ces populations provient de leur origine géographique restreinte mais présentant des climats très contrastés du fait de son caractère montagnard. Plus spécifiquement, l'étude se concentre sur la plasticité au niveau des racines. Les racines représentent la moitié de la plante et jouent un rôle fondamental tout au long de son cycle de vie. En conséquence, les régulations moléculaires des espèces réactives de l'oxygène (ROS) au cours du développement racinaire ont été répertoriées. Aussi, le développement racinaire d'une trentaine de populations pyrénéennes d'A. thaliana, plus Columbia (Col-0, Pologne, 200 m) et Shahdara (Sha, Tadjikistan, 3400 m), a été phénotypé lors de combinaison de stress thermique et salin. Enfin, des analyses transcriptomiques ont été effectuées via un séquençage d'ARN. Elles mettent en évidence la régulation des gènes dans des populations pyrénéennes sélectionnées d'A. thaliana présentant des phénotypes tolérants au stress. Les résultats obtenus ont révélé l'énorme plasticité phénotypique entre les populations étudiées en réponse aux contraintes de température -froid ou chaleur- et/ou salines. Les analyses intégratives des données phénotypiques ont mis en évidence des populations dont les racines sont peu ou fortement impactées par la contrainte abiotique.[...]

In the context of climate change, plants are facing recurrent environmental constraints that negatively affect their productivity and survival. The elevations and abrupt fluctuations of temperature expose plants to thermal stresses that are critical to their development. Additionally, the flooding events associated with the rise of sea level increase the salinity of soils which endangers wild and cultivated plants. Therefore, a major concern of plant biology is defining strategies to cope with these stresses to maintain the biodiversity and the agricultural productivity. In this scope, the plant acclimation and adaptation to abiotic stresses have been massively studied at different levels and in multiple aspects. Being sessile organisms, plants have restricted dispersal that limits their migration to regions of more convenient climatic frames. However, they are capable of achieving rapid acclimation to novel environmental conditions via their phenotypic plasticity. Additionally, they can adapt to their local microenvironments on the long term via natural selection, which enhances their fitness to their living niche. This mechanism is the basis of natural diversity. Indeed, natural diversity is a powerful tool to investigate the plant's response to environmental changes. Arabidopsis thaliana has been adopted as a model species for within-species (also called intraspecific) natural diversity. In this study, A. thaliana natural populations from the French Pyrenees were characterized for their phenotypic and transcriptomic plasticity in response to thermal and saline stresses. The particular interest in these populations is that they originate from a geographically restricted area, but with highly contrasted climates due to its mountainous nature. Additionally, the study focused on the plasticity displayed at the level of roots. Roots represent half of the plant's body, and they serve fundamental roles throughout its lifecycle. Accordingly, the molecular regulations of reactive oxygen species (ROS) during root development were reviewed. Also, the root development of thirty A. thaliana Pyrenean populations in addition to Columbia (Col-0, Poland, 200 m) and Shahdara (Sha, Tajikistan, 3400 m) was phenotyped under combination of thermal and saline stresses. Lastly, transcriptomic analyses were performed at the whole-genome level via RNA sequencing to highlight changes in the gene regulation in selected A. thaliana Pyrenean populations that displayed stress-tolerant phenotypes. The obtained results revealed the enormous phenotypic plasticity between the studied populations in response to cold-, heat-, and/or saline stresses. The integrative analyses of the phenotypic data distinguished populations as stress-tolerant/sensitive, with their roots being slightly/highly impacted by the abiotic constraint. Moreover, the transcriptomic analyses of the tolerant populations shed light on the variations of their gene expression under the applied stresses. A particular focus was made on cell wall- and ROS homeostasis- related genes since they are highly correlated with the observed phenotypes. The results showed that in the stress-tolerant populations, more genes coding for cell wall, lignin, and anthocyanin biosynthesis were upregulated. Additionally, the ROS gene network was highly implicated in the plant response to the environmental constraints. In fact, tolerant populations activated novel genes such as class III peroxidases in their acclimation response.