Flux de carbone optimisé pour une amélioration des rendements et de la tolérance au stress hydrique chez le pois

Optimized carbon fluxes for improved yields and water stress tolerance in peas

• Auteur / Autrice : Amélie Morin
• Direction : Nathalie Pourtau, Joan Doidy
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physiologie végétale
• Date : Soutenance le 28/02/2023
• Etablissement(s) : Poitiers
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Rosalind Franklin (Poitiers ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Ecologie et biologie des interactions - EBI (Poitiers ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : faculte : Université de Poitiers. UFR des sciences fondamentales et appliquées
• Jury : Président / Présidente : Marie-Pascale Prud'homme
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vanessa Vernoud, Thierry Simonneau, Soulaïman Sakr
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Alain Bouchereau, Rozenn Le Hir

Mots clés

Mots clés contrôlés

Phloème

Transport physiologique

Glucides

Cultures -- Rendements

Déficit hydrique

Graines

Pisum sativum

Mots clés libres

Flux de carbone

Déficit hydrique

Pois

Graines

Rendement

Transporteurs de sucre

Carbon fluxes

Water deficit

Pea

Seed

Yield

Sugar transporters

Résumé

Le pois (Pisum sativum) est une légumineuse d’intérêt agroécologique cultivée pour ses graines ayant une forte valeur nutritive, notamment en amidon et en protéines. Réintroduite dans l’objectif d’atteindre l’autonomie protéique, sa réimplantation en France dans les régions actuellement soumises à des épisodes de sécheresse entraîne une réduction du rendement en graines, suggérant des changements majeurs dans les flux de carbone. Le développement de la graine et son remplissage en nutriments sont dépendants du flux de carbone à longue distance entre les organes sources et les organes puits, impliquant des acteurs moléculaires dans ces variations : les transporteurs de sucre. Après avoir mis en place la culture du pois au sein du laboratoire et défini la carence hydrique à appliquer, l’étude de l’allocation du carbone dans la plante a été développée afin d’analyser les flux de carbone des feuilles sources vers la graine lors de l’embryogenèse, phase de divisions mitotiques intenses, et le début du remplissage de la graine, stade d’accumulation des réserves, chez deux variétés présentant des rendements contrastés au champ. Les résultats ont permis de montrer que le déficit hydrique engendre un arrêt de la floraison et une réduction de la biomasse fructifère, suggérant des changements importants dans les flux de carbone des feuilles sources vers les phytomères reproductifs. Le déficit hydrique a également provoqué une augmentation des avortements de la graine observée au début du stade de remplissage, soit lorsque les graines ont passé le stade limite d’avortement. Les résultats suggèrent que cet avortement serait lié à une diminution de la disponibilité en carbone due à une réduction de l’export de carbone depuis les feuilles sources. Les teneurs en amidon foliaire suggèrent plutôt une remobilisation des réserves amylacées afin de compenser la diminution de la disponibilité en carbone liée au déficit hydrique. Les résultats indiquent également que lors du stress hydrique, les gousses interviendraient plus intensément dans la nutrition des graines.Pour étudier les acteurs moléculaires impliqués dans ces variations de flux de sucres en réponse au déficit hydrique, une analyse ciblée des gènes de transporteurs de sucres (SUT et SWEET) responsables du chargement et du déchargement du phloème et d’enzymes invertasiques (INV) responsables de la dégradation du saccharose a été réalisée. Ainsi, PsSWEET15.1, PsCWINV1.2 et PsVINV1.1 sont proposés comme candidats permettant de maintenir les flux de sucres vers la graine en embryogenèse et de limiter ainsi les avortements de la graine. Du fait de leur rôle dans la nutrition de la graine, les gènes des familles d’invertases ont été annotés dans le génome du pois et leur expression étudiée. Cette étude a permis d’identifier les invertases pariétales, cytosoliques et vacuolaires régulées par le développement de la graine et le déficit hydrique. Enfin, une approche globale par RNA-seq a permis de déterminer dans trois organes (feuilles, racines et graines), les régulations d’expression à l’échelle du génome. Cette étude transcriptomique a permis d’identifier parmi les gènes différentiellement exprimés dans les organes source et puits, des transporteurs de sucre (SUT, MST et SWEET), des enzymes du catabolisme du saccharose (SUSY et INV) et des enzymes de la voie de synthèse de l’amidon (notamment des UGPase, PGM, AGPase), potentiellement impliqués dans les réponses d’adaptation au déficit hydrique.L’ensemble des travaux réalisés ont permis d’identifier de nombreux gènes candidats ouvrant ainsi de nouvelles perspectives pour mieux comprendre les flux de sucres vers la graine en réponse au stress hydrique. Une meilleure compréhension des mécanismes de transport vers les graines pourrait permettre de limiter les pertes de rendements au champ en proposant des marqueurs soutenant la sélection de variétés adaptées aux contraintes climatiques actuelles et futures..

Pea (Pisum sativum) is a legume of agroecological interest cultivated for its seeds with a high nutritional value, particularly in starch and protein. Reintroduced to achieve protein autonomy, its re-establishment in France in regions currently subject to drought episodes is leading to a reduction in seed yield, suggesting major changes in carbon flows. Seed development and nutrient replenishment are dependent on long-distance carbon flow between the source and sink organs, involving molecular actors in these variations: sugar transporters. After setting up the pea crop in the laboratory and defining the water deficiency to be applied, the study of carbon allocation in the plant was developed to analyze the carbon fluxes from the source leaves to the seed during embryogenesis, a phase of intense mitotic divisions, and the beginning of seed filling, a stage of reserve accumulation, in two varieties with contrasting yields in the field. The results showed that water deficit causes flowering to stop and fruiting biomass to be reduced, suggesting important changes in carbon fluxes from source leaves to reproductive phytomeres. The water deficit also caused an increase in seed abortion observed during the early filling stage when seeds passed the abortion limit stage. The results suggest that this abortion may be related to a decrease in carbon availability due to a reduction in carbon export from the source leaves. The leaf starch contents suggest the remobilization of starch reserves to compensate for the decrease in carbon availability due to the water deficit. The results also indicate that pods would be more intensively involved in seed nutrition during water stress.To study the molecular actors involved in these variations of sugar fluxes in response to water deficit, a targeted analysis of the genes of sugar transporters (SUT and SWEET) responsible for phloem loading and unloading and of invertase enzymes (INV) responsible for sucrose degradation was performed. Thus, PsSWEET15.1, PsCWINV1.2, and PsVINV1.1 are proposed as candidates to maintain sugar fluxes to the seed during embryogenesis and thus limit seed abortion. Because of their role in seed nutrition, the genes of the invertase families were annotated in the pea genome and their expression was studied. This study identified parietal, cytosolic, and vacuolar invertases regulated by seed development and water deficit. Finally, a global RNA-seq approach was used to determine genome-wide expression regulations in three organs (leaves, roots, and seeds). This transcriptomic study allowed us to identify among the genes differentially expressed in the source and sink organs, sugar transporters (SUT, MST, and SWEET), enzymes of sucrose catabolism (SUSY and INV), and enzymes of the starch synthesis pathway (in particular UGPase, PGM, AGPase), potentially involved in the adaptation responses to water deficit.All the work carried out has enabled the identification of numerous candidate genes, thus opening new perspectives for a better understanding of sugar flows to the seed in response to water stress. A better understanding of the mechanisms of transport to the seeds could help limit yield losses in the field by proposing markers to support the selection of varieties adapted to current and future climatic constraints.