Diversité et mécanismes de l'hyperaccumulation des métaux : rôle du transporteur IRT1 dans l'absorption du nickel chez l'espèce hyperaccumulatrice Noccaea caerulescens

Diversity and mechanisms of metal hyperaccumulation : role of the IRT1 transporter for nickel uptake in the hyperaccumulator species Noccaea caerulescens

• Auteur / Autrice : Célestine Belloeil
• Direction : Sylvain Merlot
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance le 14/03/2023
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du végétal : du gène à l'écosystème (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut de biologie intégrative de la cellule (Gif-Sur-Yvette, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-….)
• Jury : Président / Présidente : Stéphane Ravanel
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Catherine Curie, Nathalie Verbruggen, Hélène Frérot, Sandrine Isnard
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Catherine Curie, Nathalie Verbruggen

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génome

Amérique du Sud

Plantes tropicales

Bioaccumulation

Métallophytes

Transcriptome

Spectroscopie des rayons X

Ions métalliques

Homéostasie

Mots clés libres

Homéostasie métallique

XRF

Transcriptomique

Hyperaccumulation

Flore néotropicale

Génome

Metal homeostasis

XRF

Transcriptomic

Hyperaccumulation

Neotropical flora

Genome

Résumé

Certains métaux tels que le fer, le zinc, le manganèse, ou le nickel sont essentiels au développement des plantes, cependant à des concentrations supra-optimales ces éléments deviennent toxiques. Ainsi, l'homéostasie des métaux est finement régulée, en particulier pour les espèces végétales qui ont colonisé les sols métallifères grâce à deux stratégies d'adaptation contrastantes. La plupart de ces plantes tolèrent ce type de conditions édaphiques en empêchant les métaux de s'accumuler dans leurs organes aériens. Dans de rares cas, les plantes métallifères sont capables d'accumuler les métaux dans leurs feuilles et lorsque cette concentration dépasse une valeur seuil spécifique, ces espèces végétales sont appelées « hyperaccumulatrices ». Les mécanismes moléculaires de l'hyperaccumulation des métaux dérivent probablement de modifications de mécanismes de base impliqués dans l'homéostasie générale des métaux. A ce jour, il existe environ 800 espèces hyperaccumulatrices, dont 70 % hyperaccumulent le nickel. Une façon efficace d'en découvrir de nouvelles espèces est de quantifier les métaux de spécimens d'herbier à l'aide d'analyseurs de fluorescence des rayons X. Nous avons utilisé cette technologie afin d'établir le profil élémentaire d'une grande diversité d'espèces de la flore néotropicale, qui était jusqu'à présent sous étudiée. Au total plus de 11 000 spécimens provenant des herbiers de Paris et de Cuba ont été analysés pour leur teneur en nickel, zinc et manganèse. Cela nous a permis d'identifier 30 nouvelles espèces hyperaccumulatrices de nickel à Cuba ainsi que les premières espèces hyperaccumulatrices de manganèse et de zinc d'Amérique du Sud. Bien que les hyperaccumulatrices de nickel représentent la majorité des espèces décrites, ses mécanismes moléculaires sont moins bien connus que ceux de du zinc. Ainsi, dans la seconde partie de ma thèse, nous avons cherché à identifier les mécanismes moléculaires de l'hyperaccumulation du nickel en utilisant l'espèce modèle Noccaea caerulescens. Afin d'identifier les gènes à l'origine du caractère d'hyperaccumulation de nickel chez cette espèce, nous en avons généré le premier assemblage génomique de haute qualité ce qui nous a permis de mener des analyses transcriptomiques comparatives avec l'espèce proche non-accumulatrice Microthlaspi perfoliatum. Ces analyses ont entre autres confirmé l'importance de IREG2 pour la mise en place du caractère d'hyperaccumulation de nickel. Dans un second temps nous avons exploité la diversité intraspécifique de Noccaea caerulescens en comparant les séquences des gènes impliqués dans l'homéostasie métallique entre des accessions hyperaccumulatrices et une accession nommée La Calamine qui n'est pas capable d'accumuler le nickel. Chez cette accession nous avons identifié une mutation créant un codon stop prématuré dans la protéine IRT1, décrit chez Arabidopsis thaliana comme un transporteur d'influx de divers cations divalents dont le nickel. Nous avons montré que IRT1 de La Calamine n'est pas capable d'assurer sa fonction de transport de métaux et que l'expression d'une version fonctionnelle dans les racines de La Calamine augmente l'accumulation de nickel dans les feuilles. Nous avons ainsi conclu que chez Noccaea caerulescens IRT1 semble être la voie principale de l'absorption du nickel dans les racines. L'identification de nouvelles espèces hyperaccumulatrices couplée à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires de l'hyperaccumulation sont importantes pour soutenir le développement de biotechnologies de phytoremédiation qui utilisent les plantes afin d'extraire les métaux du sol, pour les recycler et finalement dépolluer les sols contaminés.

Some metals such as iron, zinc, manganese, or nickel are essential for plant development, but in excess, these elements become toxic. Thus, metal homeostasis is tightly regulated, especially for plant species that have colonized metalliferous soils through two contrasting adaptation strategies. Most of these plants tolerate such edaphic conditions by preventing metals from accumulating in their aerial organs. In rare cases, metalliferous plants are able to accumulate metals in their leaves and when this concentration exceeds a specific threshold value, these plant species are called ''hyperaccumulators.'' The molecular mechanisms of metal hyperaccumulation likely derive from modifications of basic mechanisms involved in general metal homeostasis. To date, there are about 800 hyperaccumulating species, 70% of which hyperaccumulate nickel. An effective way to discover new species is to quantify metals in herbarium specimens using X-ray fluorescence analysers. We have used this technology to establish the elemental profile of a large diversity of species of the understudied Neotropical flora. In total, more than 11 000 specimens from the herbaria of Paris and Cuba were analysed for their nickel, zinc and manganese content. This allowed us to identify 30 new hyperaccumulating species of nickel in Cuba as well as the first hyperaccumulating species of manganese and zinc in South America. Although nickel hyperaccumulators represent most of the described species, its molecular mechanisms are less understood than those of zinc. Therefore in the second part of my thesis, we sought to identify the molecular mechanisms of nickel hyperaccumulation using the model species Noccaea caerulescens. In order to identify the genes responsible for the nickel hyperaccumulation trait in this species, we generated the first high quality genomic assembly of Noccaea caerulescens which allowed us to perform comparative transcriptomic analyses with the closely related non-accumulating species Microthlaspi perfoliatum. These analyses confirmed the importance of IREG2 for the establishment of nickel hyperaccumulation trait. In a second step we exploited the intraspecific diversity of Noccaea caerulescens by comparing the sequences of genes involved in metal homeostasis between hyperaccumulating accessions and an accession named La Calamine which is not able to accumulate nickel. In this accession we identified a mutation creating a premature stop codon in the IRT1 protein, described in Arabidopsis thaliana as an uptake transporter of various divalent cations including nickel. We showed that IRT1 in La Calamine is not able to perform its metal transport function and that the expression of a functional version in the roots of La Calamine increases nickel accumulation in the shoots. We thus concluded that Noccaea caerulescens IRT1 appears to be the primary pathway for nickel uptake in the roots of this species. The identification of new hyperaccumulating species along with a better understanding of the molecular mechanisms of hyperaccumulation are important to support the development of phytoremediation biotechnologies that use plants to extract metals from the soil, in order to recycle them and eventually clean up contaminated soils.