Approches physiologiques et moléculaires pour mieux comprendre les évènements précoces déclenchés par le déficit hydrique dans la racine d'Arabidopsis

Physiological and molecular approaches to decipher the early events triggered by water deficit in the root of Arabidopsis

• Auteur / Autrice : Yunji Huang
• Direction : Christophe Maurel, Yann Boursiac
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie, Intégrations, Diversité Adaptative des Plantes (BIDAP)
• Date : Soutenance le 26/10/2023
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : IPSiM - Institut des Sciences des Plantes de Montpellier
• Jury : Président / Présidente : Thierry Simonneau
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yann Boursiac, Thierry Simonneau, Marie-Béatrice Bogeat-Triboulot, Benoit Landrein, Leslie Sieburth
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Marie-Béatrice Bogeat-Triboulot, Benoit Landrein

Mots clés

Mots clés libres

Déficit hydrique

Arabidopsis

Potentiel hydrique

Osmosensibilité

Rapporteur génétique

Potentiel de turgescence

Water deficit

Arabidopsis

Water potential

Osmosensing

Genetic reporter

Turgor potential

Résumé

La disponibilité de l'eau constitue l'un des facteurs limitants les plus importants influençant la productivité des cultures. Démêler les mécanismes régissant la perception du déficit hydrique par les plantes est devenu impératif pour l'agriculture, en particulier dans le contexte de fréquentes sécheresses dues au changement climatique. Le potentiel hydrique des plantes est principalement composé de deux paramètres biophysiques, le potentiel de turgescence (P) et le potentiel osmotique (Π), qui vont déterminer les mouvements de l'eau dans le continuum sol-plante-atmosphère. Ici, la diminution du Π externe et la réduction du P provoquée par un léger déficit hydrique (MWD, où les cellules corticales de la zone d'élongation de la racine primaire maintenaient la turgescence) ont été considérées comme des signaux d'entrée, tandis que les premiers changements dans l'expression des gènes ont été considérés comme des signaux de sortie. Pour étudier les réponses transcriptionnelles du génome entier aux modifications de Π et P, un déficit hydrique a été induit par des traitements de la racine avec divers osmolytes : NaCl, sorbitol, polyéthylène glycol 8000 et éthylène glycol (EG), dans la solution hydroponique. Pour explorer le mécanisme de régulation de l'expression des gènes, nous avons observé les effets provoqués par la cordycépine, un inhibiteur de la transcription, et l'inactivation génétique des composants des voies de dégradation de l'ARNm. Enfin, nous avons cherché à développer des rapporteurs de Π- et P-, pour lesquels nous avons utilisé les éléments régulateurs (promoteur et 3'UTR) des gènes corrélés Π- et P- pour piloter l'expression des rapporteurs.L'analyse transcriptomique a révélé quelques gènes corrélés aux Π et P. L'EG, un composé qui diffuse rapidement dans la cellule, nous a permis de distinguer les corrélations quantitatives avec Π des corrélations avec P. Un gène At1G64640 (ENODL8) corrélé à P et un gène At3G14440 (NCED3) corrélé à Π ont été étudiés plus en détail. Les corrélations avec des traitements plus sévères et au fil du temps ont montré que la plasmolyse des cellules corticales modifiait leur dynamique de réponse, et qu'ENODL8 était probablement un véritable gène corrélé à P tandis que NCED3 ne présenterait une réponse quantitative aux changements de P que durant les premières 30 minutes. La manipulation de leur activité promotrice et de la dégradation de l'ARNm a montré que les expressions d'ENODL8 et de NCED3 étaient régulées par un déficit hydrique aux niveaux transcriptionnel et post-transcriptionnel.L'étude des signaux Sluc dans des plantes transgéniques exprimant une construction pNCED3 :: Sluc-3'UTR en réponse à un déficit hydrique a démontré que cette construction pourrait être utilisée comme osmo-rapporteur chez Arabidopsis. L'analyse des corrélations entre le signal Sluc et Π ou P a suggéré que, lors d'un traitement à long terme, le signal Sluc dans les plantes signale le Π externe causé par le déficit hydrique, tandis qu'au début du traitement (30 à 60 min), le signal Sluc signale des variations de P. Combinés à l'activité promotrice d'ENODL8, nos résultats suggèrent que le site de perception pourrait être situé dans les zones d'élongation et de méristème sous MWD, et dans l'hypocotyle et les cotylédons sous SWD. Le traitement des plantes exprimant l'osmo-rapporteur avec du fluridone, un inhibiteur de la synthèse d'ABA, et d'ISX, qui altère l'intégrité de la paroi cellulaire, a montré que l'initiation de sa réponse était indépendante de ces facteurs.En conclusion, nos travaux ont montré que la réduction de P et Π provoquée par un déficit hydrique régit l'expression des gènes aux niveaux transcriptionnel et post-transcriptionnel. Nous fournissons également deux gènes marqueurs P et Π fiables, ainsi qu'un « osmo-rapporteur ».

Water availability stands as one of the most important limiting factor influencing crop productivity. Unraveling the mechanisms governing plant perception of water deficit has become crucial for agriculture, particularly in the context of frequent drought events due to climate change. Plant water potential is primarily composed of two biophysical parameters, the turgor potential (P) and the osmotic potential (Π), that will determine water movements in the soil-plant-atmosphere continuum. Here, decline in external Π and P reduction caused by mild water deficit (MWD, where cortical cells in the elongation zone of the primary root maintained turgidity) were considered as input signals, while early changes in gene expression was taken as a readout. To study the whole-genome transcriptional responses to variations in Π and P, water deficit was induced by treatments of the root with various osmolytes: NaCl, sorbitol, polyethylene glycol 8000 and ethylene glycol (EG), into the hydroponic solution. To further explore the regulatory mechanism of gene expression, we observed the effects caused by the transcriptional inhibitor cordycepin and genetic knockouts of components of mRNA decay pathways. Finally, we aimed at developing Π- and P- reporters, for which we used the regulatory elements (promoter and 3'UTR) of Π- and P- correlated genes to drive the expression of reporters.Transcriptomic analysis revealed a few Π- and P- correlated genes. Under MWD treatments, the diffusing solute EG provoked less P reduction, thereby allowing us to distinguish quantitative correlations to Π from correlations to P. A P-correlated At1G64640 (ENODL8) and Π-correlated gene At3G14440 (NCED3) were studied in more details. Extending the correlations to more severe treatments and over time showed that plasmolysis of cortical cells altered their response pattern, and that ENODL8 was probably a true P-correlated gene under MWD treatments, while NCED3 only exhibited a quantitative response to changes in P in the first 30 min. Manipulating their promoter activity and mRNA degradation showed that both ENODL8 and NCED3 expressions were regulated by water deficit at both transcriptional and post-transcriptional levels.Studying Sluc signals in transgenic plants expressing a pNCED3::Sluc-3'UTR construct in response to water deficit demonstrated that this construction could be used as an osmo-reporter in Arabidopsis. Analyzing correlations between Sluc signal and Π or P suggested that, during a long-term treatment, Sluc signal in plants report changes in the external Π, while at the early stage of treatments (30-60 min), Sluc signal report variations in P caused by MWD. Combined with the promoter activity of ENODL8, our findings suggest that the perception site may be located in the elongation and meristem zones under MWD, and in the hypocotyl and cotyledons under SWD. Treating plants expressing the osmo-reporter with fluridone, an inhibitor of ABA synthesis and ISX, a compound impairing cell wall integrity showed that initiation of its response was independent of those.In conclusion, our work showed that reduction of P and Π caused by water deficit governs gene expression at both transcriptional and post-transcriptional levels. We also provide two reliable P- and Π- marker genes, and developped an “osmo-reporter”.