Analyse des caractéristiques métaboliques de plantes extrêmes du Désert d'Atacama

Analysis of the metabolic features of plant extremophile species from the Atacama Desert

• Auteur / Autrice : Thomas Dussarrat
• Direction : Dominique Rolin, Rodrigo A. Gutiérrez, Pierre Pétriacq
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences agronomiques
• Date : Soutenance le 20/04/2022
• Etablissement(s) : Bordeaux en cotutelle avec Pontificia universidad católica de Chile (Santiago de Chile)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences de la vie et de la santé (Bordeaux)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Biologie du fruit et pathologie
• Jury : Président / Présidente : José O'Brien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : José O'Brien, Cédric Bertrand, Anne-Emmanuelle Hay, Michel Hernould
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Cédric Bertrand, Anne-Emmanuelle Hay

Mots clés

Mots clés contrôlés

Espèces végétales

Diversité des espèces

Adaptation (biologie)

Microorganismes des milieux extrêmes

Atacama, Désert d' (Chili)

Écologie des milieux extrêmes

Mots clés libres

Adaptation

Environnements extrêmes

Multi-Espèces

Métabolomique prédictive

Ecologie

Plante

Adaptation

Extreme environments

Multiple species

Predictive metabolomics

Ecology

Plant metabolism

Résumé

Les terres extrêmes situées à la limite d'au moins un gradient abiotique permettent la survie de très peu d'espèces. Ces espèces dites extrêmophiles (littéralement, aimant "philos" les extrêmes) abritent un réservoir unique d'adaptations génétiques et biochimiques qui a toujours attiré la curiosité de l'homme. Des études antérieures ont montré un haut degré de spécificité à l’espèce pour l'adaptation des plantes aux écosystèmes hostiles, ce qui explique que les transferts réussis de mécanismes de résistance vers les cultures agronomiques restent rares. Cependant, des stratégies adaptatives génériques pourraient également exister. Dans ce contexte, je propose de mener une approche compréhensive, de l'écosystème aux métabolites, afin d’étudier les ajustements biochimiques des espèces végétales extrêmophiles du désert d'Atacama, le désert non polaire le plus sec de la planète. Les plantes ont été collectées dans leur environnement naturel qui s’étend sur un gradient d’altitude de 2500 à 4500m. De multiples approches métabolomiques ont été combinées avec le "machine learning" pour dévoiler une boîte à outils générique prédisant la résilience des plantes aux conditions environnementales difficiles. Par la suite, des analyses d'enrichissement des réactions et des voies métaboliques ont permis d'identifier des héritages génétiques gouvernant des stratégies biochimiques convergentes sélectionnées au cours de l'évolution. Enfin, le rôle des interactions positives avec le cactus Maihueniopsis camachoi dans l'adaptation de diverses espèces végétales aux milieux inhospitaliers a été exploré. Les résultats ont permis une meilleure compréhension du processus de facilitation et la découverte d’un ensemble intrigant de métabolites capables de prédire le statut d’interaction. Dans l'ensemble, cette étude a permis de mieux comprendre les mécanismes d'adaptation qui sous-tendent la résilience des plantes aux climats extrêmes. Par ailleurs, notre approche multi-espèces représente une nouvelle stratégie analytique qui ouvre la voie à des études et des découvertes prometteuses en agronomie et en écologie.

Extreme lands lying at the edges of at least one abiotic gradient permit the survival of extremely few species. These so-called extremophile species (literally loving “philos” the extremes) harbour a unique reservoir of genetic and biochemical adaptations that has always attracted human curiosity. Previous studies have shown a high degree of species-specificity for plant adaptation to hostile biomes, thus explaining that successful transfers of protective mechanisms to crops remain scant. However, generic adaptive strategies may also exist. In this context, I propose to carry out a comprehensive approach from the ecosystem to the metabolites to investigate the biochemical adjustments of extremophile plant species from the Atacama Desert, the driest non-polar desert on earth. Plants were collected in their natural environment that spans an elevation gradient from 2500 to 4500m. Multiple metabolomic approaches were combined with machine learning to unveil a generic toolbox for plant resilience to harsh conditions. Subsequently, reaction and pathway enrichment analyses identified genetic legacies underlying convergent biochemical strategies selected through evolution. Finally, the role of positive interactions with the cactus Maihueniopsis camachoi in the adaptation of various plant species to harsh environments was explored. Results yielded a better mechanistic understanding of facilitation processes and the discovery of an intriguing set of metabolites able to predict the interaction status. Overall, while this study provided significant insights into our comprehension of adaptive mechanisms underlying plant resilience to extreme climates, our multi-species approach foreshadows promising studies and discoveries in agronomy and ecology.