Étude des interactions entre le catabolisme de la proline et le métabolisme de l'azote dans le développement de la graine chez Arabidopsis thaliana

Study of the interactions between proline catabolism and nitrogen metabolism in seed development of Arabidopsis thaliana

• Auteur / Autrice : Corentin Dourmap
• Direction : Anne Guivarc'h, Arnould Savouré
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie cellulaire et développement
• Date : Soutenance le 11/10/2022
• Etablissement(s) : Sorbonne université
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Complexité du vivant (Paris ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut d’écologie et des sciences de l’environnement de Paris (1997-....)
• Jury : Président / Présidente : Christophe Bailly
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Graham Noctor, Younès Dellero
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Gwyneth Ingram, Annie Marion-Poll

Mots clés

Mots clés contrôlés

Azote -- Métabolisme

Proline

Plantes -- Ontogenèse

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Développement de la graine

Proline

Azote

Énergie

Seed development

Proline

Nitrogen

Energy

Résumé

La proline est un acide aminé protéinogène qui a aussi de nombreuses fonctions à l’état libre chez les plantes notamment dans leur adaptation aux stress et leur développement. Son métabolisme est bien décrit à ce jour mais certains de ses rôles physiologiques restent encore énigmatiques. Synthétisée dans le cytosol à partir de glutamate, la proline est catabolisée dans la mitochondrie par l’action séquentielle de deux enzymes : la proline déshydrogénase (ProDH) et la pyrroline-5-carboxylate déshydrogénase (P5CDH). Des expériences préliminaires ont montré un très faible taux de germination des graines du mutant p5cdh ainsi qu’une faible remobilisation de l’azote au cours de la senescence. Les objectifs de cette thèse étaient de caractériser ce défaut de remobilisation de l’azote ainsi que son impact sur le développement de la graine. Nous avons pu montrer que le mutant p5cdh présentait un défaut de remobilisation de l’azote mais aussi du carbone, notamment lorsqu’il était cultivé avec un apport non limitant en azote. Les graines produites par ce mutant sont déformées et plus légères. Des analyses en imagerie ont montré que le développement embryonnaire du mutant p5cdh est bloqué à la transition entre les phases d’embryogenèse et de maturation lorsqu’il est exposé à de fortes concentrations en nitrates. L’embryon est alors bloqué dans son développement au stade torpille et est entouré d’albumen. Lors de la phase de déshydratation de la graine, l’embryon meurt. Afin d’identifier le rôle de P5CDH dans le développement de la graine, des études développementales, métabolomiques et protéomiques ont été entreprises sur des graines en cours de maturation et de déshydratation. Ces études ont montré qu’au cours du développement de la graine, le premier signe de perturbation chez le mutant p5cdh se manifeste au début de la phase de maturation par une phase de verdissement peu marquée et plus courte que chez le sauvage, suivie une accumulation limitée de lipides et de protéines de réserve. En revanche une accumulation très importante de proline est mesurée. Ces études ont également révélé dans les graines du mutant p5cdh une accumulation d’acides aminés libres ainsi qu’une perturbation marquée du métabolisme carboné. De nombreux marqueurs du métabolisme énergétique anaérobie sont induits probablement liés à la perte des capacités photosynthétiques de l’embryon. La teneur réduite en protéines HSP et LEA ainsi que de plusieurs sucres non-réducteurs chez le mutant p5cdh renforce le fait que la graine n’est pas préparée à cette phase de déshydratation. Les processus de maturation et de déshydratation étant fortement métaboliquement énergivores, l’arrêt du développement de la graine du mutant p5cdh pourrait être lié à une insuffisance énergétique. Ce déficit énergétique semble également toucher également le développement du gamétophyte mâle, puisque 50% des grains de pollen p5cdh meurent lors de leur maturation. Cette étude montre que le catabolisme de la proline est essentiel au développement de la graine et du pollen, notamment après la phase d’embryogénèse, en fournissant du pouvoir réducteur et de l’ATP. Elle vient confirmer de nombreuses hypothèses quant à l’importance de la proline et de son catabolisme pour la production d’énergie notamment lors de la reprise de la croissance après un stress mais également dans les organes à croissance rapide tels quel le tube pollinique, les pointes racinaires ou les cellules cancéreuses chez les modèles animaux.

Proline is a proteinogenic amino acid with numerous functions in plants especially in stress adaptations and development. Its metabolism is now well described but some of its physiological roles remained enigmatic. Synthesized in the cytosol from glutamate, proline is catabolized in the mitochondrion by the sequential action of two enzymes: proline dehydrogenase (ProDH) and Pyrroline-5-carboxylate dehydrogenase (P5CDH). Preliminary experiments showed weak germination rates for p5cdh mutants and weak nitrogen remobilization rate during senescence. The objectives of this thesis were to charaterize this remobilization defect and its impact on seed development. We have shown that p5cdh mutant presented a remobilization defect for nitrogen and carbon, especially when plants were grown under non limiting concentration of nitrates. Seeds produced by this mutant are out of shape and lighter. Imagery analysis have shown that embryo development of p5cdh mutant is blocked at the transition between embryogenesis and maturation phase when it is grown under high concentrations of nitrates. Embryo is blocked in its develoment in torpedo stage et is surrounded by endosperm. During the dehydration phase, embryo dies. In order to identify the role of P5CDH in seed development, developmental, metabolomics and proteomics studies were performed on maturing and dehydrating seeds. These studies have shown that during seed development, the first sign of disturbance in p5cdh mutant is visible at the beginning of the maturation phase with a weak and shorter greening phase compared to the wild-type. It is followed by a limited lipids accumulation and storage proteins. But an important accumulation of free proline were measured. These studies have also revealed an accumulation of free amino acids in p5cdh mutant's seeds and a marked disturbance of carbon metabolism. Numerous markers of anaerobic energy metabolism are induced probably linked to the loss of photosynthetic capacities of the embryo. The lower content in HSP and LEA proteins and in non-reducting sugars in p5cdh mutant reinforce the idea that the seed is not prepared to be dehydrated. Since the processes of maturation and dehydration are strongly energy demanding processes, the arrest of seed development in p5cdh mutant could be linked to a lack of energy. This lack of energy seems affect also the development of the male gametophyte since 50% of p5cdh pollen grain die during its maturation. This study shows that proline catabolism is essential to seed and pollen development, especially after the embryogenesis by provinding reduced power and ATP. It confirms the numerous hypothesis about the importance of proline and its catabolism in energy production during growth recovery after a stress but also in fast growth organs like pollen tube, root tip or cancer cells in animal models.