Rôle de la remobilisation du sulfate vacuolaire via PsSULTR4 dans le développement des graines et la senescence foliaire chez le pois : contribution à la production et à la qualité des graines

Role of PsSULTR4-mediated vacuolar sulfate remobilization in seed development and leaf senescence in pea : contribution to seed production and quality

• Auteur / Autrice : Fanélie Bachelet
• Direction : Karine Gallardo, Markus Wirtz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biochimie et biologie moléculaire
• Date : Soutenance le 12/12/2024
• Etablissement(s) : Bourgogne Franche-Comté
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Environnements, Santé (Dijon ; Besançon ; 2012-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Agroécologie (Dijon)
• Partenaire(s) de recherche : établissement de préparation : Université de Bourgogne (1970-2024)
• Jury : Président / Présidente : Nathalie Leborgne
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hélène Zuber, Véronique Santoni, Jérôme Verdier
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hélène Zuber, Véronique Santoni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Carence en soufre

Pois (légumes)

Soufre

Pisum sativum

Mots clés libres

Pisum sativum

PsSULTR4

Sulfate vacuolaire

Rendement et composition protéique des graines

Remobilisation des nutriments

Carence en soufre

Pisum sativum

PsSULTR4

Vacuolar sulfate

Seed yield and protein composition

Nutrient remobilization

Sulfur deficiency

Résumé

Le soufre (S) est un macronutriment essentiel à la croissance des plantes, à la qualité des graines et à la tolérance au stress. Face à l'augmentation des carences en S dans les sols, il devient important d'étudier et d’améliorer le statut soufré des cultures, ainsi que leur efficacité à utiliser ou remobiliser ce nutriment. Le sulfate est la forme principale de S absorbée par les racines. Il est réduit pour permettre la synthèse des acides aminés soufrés, mais peut aussi être stocké dans les vacuoles des cellules et remobilisé dans des conditions de faible disponibilité en S. Cette remobilisation est médiée par les transporteurs de sulfate du groupe 4 (SULTR4), qui font l'objet de cette thèse de doctorat, dont l'objectif était d'explorer le rôle du sulfate vacuolaire dans l’établissement du rendement et de la qualité des graines de pois (Pisum sativum), une source prometteuse de protéines pour accélérer la double transition alimentaire et agroécologique. Dans le génome du pois, nous avons identifié un unique gène SULTR4, nommé PsSULTR4, et confirmé sa localisation au tonoplaste. Nous avons ensuite caractérisé fonctionnellement des mutants TILLING (Targeting Induced Local Lesions IN Genomes) de pois pour ce gène, en conditions de suffisance en S (+S) et de carence en S tout au long de la période reproductive (-S). Deux mutations, l'une conduisant à un codon stop prématuré (W78*) et l'autre à un changement d’acide aminé (E568K), ont significativement réduit le nombre de graines produites en conditions -S. Cette réduction est associée à des différences dans la répartition du S entre les tissus, en particulier entre les feuilles végétatives, où le S est retenu, et les feuilles des nœuds reproducteurs, carencées en S par rapport au génotype sauvage. PsSULTR4 permet donc au pois de maintenir sa production de graines en l'absence de S exogène pendant la phase reproductive en facilitant la remobilisation du S vers les parties reproductrices. Les feuilles inférieures des mutants en conditions -S présentaient un phénotype ''stay-green'' jusqu'à maturité. L'analyse de leur transcriptome, réalisée 25 jours après la floraison, a révélé une dérégulation de l'expression des gènes associés à la sénescence et à la dégradation de la chlorophylle, reflétant un retard de sénescence associé au maintien de la chlorophylle. Des mesures de sulfate, de métabolites soufrés, de sucres, et d’acides aminés dans les feuilles à différentes positions sur la plante et à différents stades lors de la phase reproductive ont permis d’éclairer les changements métaboliques associés. En conditions +S, bien que la quantité de graines produite par les deux mutants soit identique aux génotypes sauvages, la composition protéique des graines est altérée. Les graines des mutants sultr4 contiennent moins de protéines de réserve riches en S. Ce résultat est associé à une utilisation réduite du sulfate stocké dans l'albumen à la fin de l'embryogenèse chez les deux mutants. Par ailleurs, des études d'expression et des mesures de métabolites dans les graines en développement ont révélé des différences entre les mutants présentant une protéine PsSULTR4 tronquée (W78*) ou non tronquée (E568K), suggérant que ce transporteur non seulement médie l'efflux de sulfate vacuolaire, mais contribue également à la régulation métabolique, possiblement via son domaine STAS (Sulfate Transporter and AntiSigma factor antagonist). Sur la base de ces données, un modèle a été proposé pour expliquer comment PsSULTR4 stabilise le rendement ou la composition protéique des graines, en fonction de la disponibilité en S dans le sol. Enfin, des données préliminaires suggèrent que, comme chez Arabidopsis, le sulfate est capable d'induire la fermeture des stomates chez le pois. Ces premiers résultats suggèrent qu’il serait intéressant d’étudier le rôle de PsSULTR4 dans la résistance du pois à un déficit hydrique lorsque la disponibilité en S est réduite.

Sulfur (S) is an essential macronutrient for plant growth, seed quality and stress tolerance. Therefore, the increasing occurrence of S deficiency in soils is becoming a major concern in agriculture, highlighting the need to study and improve the S status of crops, as well as their efficiency in using or remobilizing this nutrient. Sulfate is the main form of S absorbed by roots. It is reduced within plant cells to enable the synthesis of S-containing amino acids, but can also be stored in cell vacuoles and remobilized in conditions of low S availability. This remobilization is mediated by group 4 sulfate transporters (SULTR4), which are the subject of the PhD thesis, which aimed to investigate the physiological significance of vacuolar sulfate remobilization for the establishment of seed yield and protein quality in pea (Pisum sativum), which is a promising source of protein to accelerate the dual food and agroecological transition. In the pea genome, we identified a single SULTR4 gene, which we named PsSULTR4, and confirmed its tonoplast localization. We then functionally characterized pea TILLING (Targeting Induced Local Lesions IN Genomes) mutants for this gene under both S sufficiency (+S) and S deficiency applied throughout the reproductive period (-S). Two mutations, one leading to a premature stop codon (W78*) and the other to an amino acid change (E568K), significantly reduced the number of seeds produced under -S conditions. This reduction was associated with differences in the distribution of S between the plant compartments, in particular between vegetative leaves, where S was retained, and the leaves of reproductive nodes, which contained lower amounts of S compared to the wild type genotype. PsSULTR4 therefore enables pea to maintain its seed production in the absence of exogenous S during the reproductive period by facilitating the remobilization of S towards the reproductive parts. The lower leaves of the mutants grown under -S exhibited a stay-green phenotype until maturity. The analysis of their transcriptome, performed 25 days after flowering, revealed a deregulation in the expression of genes related to senescence and chlorophyll degradation, which reflected a delay in leaf senescence associated with the maintenance of chlorophyll. Measurements of sulfate, S metabolites, sugars, and amino acids in leaves from different positions on the plant and at different developmental stages shed light on the associated metabolic changes. Under +S conditions, although the seed yield of the two mutants was identical to the wild-type genotypes, their seed protein composition was altered. The seeds of the sultr4 mutants contained less S-rich storage proteins in mature seeds. This was associated with a reduced utilization of the sulfate stored in the endosperm of the two mutants at the end of embryogenesis, when the seeds switch towards storage activities. In addition, expression studies and metabolite measurements in developing seeds revealed differences between the mutants with truncated (W78*) and non-truncated (E568K) PsSULTR4 proteins, suggesting that this transporter not only mediates vacuolar sulfate efflux, but also contributes to metabolic regulations, possibly via its cytosolic STAS (Sulfate Transporter and AntiSigma factor antagonist) domain. Based on these data, a model was proposed to explain how PsSULTR4 stabilizes seed yield or seed protein composition, depending on S availability. Finally, preliminary data suggested that, as in Arabidopsis, sulfate is capable of inducing stomatal closure in pea. These initial results suggest that it would be interesting to investigate the role of PsSULTR4 in the resilience of pea to drought under low S availability.