Etude de l'effet biostimulant des acides aminés individuels sur l'AAUE des plantes et exploration des bases génétiques de l'AAUE des plantes en présence de leucine

Study of the biostimulant effect of individual amino acids on plant AAUE and explore the genetic basis of plant AAUE in the presence of leucine

• Auteur / Autrice : Manon Lardos
• Direction : Céline Masclaux-Daubresse, Fabien Chardon, Anne Marmagne, Bernard Béal
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences végétales
• Date : Soutenance le 12/11/2024
• Etablissement(s) : université Paris-Saclay
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut Jean-Pierre Bourgin (Versailles ; 2010-....)
• Partenaire(s) de recherche : Référent : Faculté des sciences d'Orsay
• Partenaire(s) de recherche : graduate school : Université Paris-Saclay. Graduate School Biosphera (2020-....)
• Partenaire(s) de recherche : Entreprise : NOVAEM (France)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Christophe Avice
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Hoai-Nam Truong-Cellier, Anne-Sophie Leprince, Arnould Savouré
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Jean-Christophe Avice, Hoai-Nam Truong-Cellier

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arabidopsis thaliana

Acides aminés

Auxines

Étude d'association pangénomique

Hydrolysats de protéines

Mots clés libres

Hydrolysats protéiques

Expérimentation in vitro

Génétique d'association

Auxine conjugués

Amino acid use efficiency

Arabidopsis thaliana

Protein hydrolysates

In vitro experiment

Gwas

Auxin conjugates

Amino acid use efficiency

Arabidopsis thaliana

Résumé

L'intérêt suscité par l'utilisation des biostimulants en agriculture est encouragé par les avancées scientifiques qui démontrent leur efficacité sur la croissance des plantes et leur capacité à améliorer la résistance des plantes aux stress biotiques et abiotiques. La communauté scientifique s'investit dans la caractérisation des effets des différentes classes de biostimulants et la compréhension de leurs modes d'action. Parmi ces biostimulants, les hydrolysats protéiques se distinguent par leur contribution à l'économie circulaire puisqu'ils sont produits à partir de sous-produits d'autres industries. Ils sont majoritairement composés d'acides aminés. Bien que la littérature rapporte l'efficacité des hydrolysats protéiques sur de nombreux caractères de performance des plantes, elle ne détaille pas l'effet individuel de leurs composés majoritaires ni leur mode d'action. Le premier objectif de ma thèse était d'analyser parmi les 20 acides aminés protéinogènes ceux qui possédaient un effet biostimulant sur Arabidopsis et d'explorer les bases génétiques de cette réponse. Pour cela, j'ai mis en place des cultures in vitro d'Arabidopsis en présence de nitrate et d'acide aminé. Nous avons développé un index Amino Acid Use Efficiency (AAUE) pour quantifier l'effet biostimulant des acides aminés en présence de nitrate. Ce dispositif expérimental a permis de mettre en évidence 3 groupes d'acides aminés avec des effets bénéfiques, neutres ou défavorables sur l'AAUE des plantes. En nous appuyant sur ces résultats, nous avons cherché à déterminer si les acides aminés bénéfiques possédaient un effet biostimulant. Le dispositif expérimental décrit précédemment a été utilisé pour tester des gammes de concentration d'asparagine et de glutamine, démontrant leur effet biostimulant sur l'AAUE des plantes, même à de très faibles concentrations. Leur effet biostimulant a été confirmé en utilisant leurs formes énantiomériques L et D. Le second objectif de ma thèse était d'utiliser le dispositif expérimental décrit précédemment pour effectuer une GWAS afin de déterminer les bases génétiques de l'AAUE en présence de la leucine chez Arabidopsis. Puisque la leucine a un effet inhibiteur sur la croissance, sa présence dans le milieu permet d'étudier la réponse des plantes sans être gêné par les variations de croissance des génotypes de la collection sur nitrate. Cette expérience a permis d'identifier le gène candidat IAR4 comme étant impliqué dans cette réponse. L'exploration de l'effet de la mutation d'IAR4 sur l'AAUE de deux lignées mutantes (iar4-2 et iar4-7) et les réponses contrastées de 12 accessions naturelles d'Arabidopsis (Tos-82-387, Fly2-2, T850, Jm-0, IP-Lab-7, Erg2-6, Hov1-7, TAD 01, IP-Cal-0, IP-Ses-0, IP-Vas-0, ARR-17) en présence de leucine a validé le rôle de la protéine IAR4 et a révélé son effet biostimulant à faibles concentrations. En conclusion ce projet de thèse démontre le potentiel des acides aminés individuels en tant que biostimulants pour les plantes et permet une meilleure compréhension des bases génétiques de l'AAUE en présence d'un acide aminé.

The interest in using biostimulants in agriculture is growing, fuelled by scientific advances that demonstrate their effectiveness in promoting plant growth and enhancing plant resistance to biotic and abiotic stresses. The scientific community is actively researching the effects of different classes of biostimulants and striving to understand their modes of action. Among these biostimulants, protein hydrolysates are notable for their contribution to the circular economy, since they are produced from by-products of other industries. They are primarily composed of amino acids. Although the literature reports the efficiency of protein hydrolysates on many plant performance traits, it does not detail the individual effect of their major compounds or their mode of action. The first objective of my thesis was to analyse which of the 20 proteinogenic amino acids had a biostimulant effect on Arabidopsis and to explore the genetic basis of this response. To archive this, I set up in vitro cultures of Arabidopsis in the presence of nitrate and amino acid. We developed an Amino Acid Use Efficiency (AAUE) index to quantify the biostimulant effect of amino acids in the presence of nitrate. This experimental set-up enabled us to identify 3 groups of amino acids with beneficial, neutral or adverse effects on plant AAUE. Based on these results, we sought to determine whether the beneficial amino acids had a biostimulant effect. The experimental set-up described above was used to test concentration ranges of asparagine and glutamine, demonstrating their biostimulant effect on plant AAUE, even at very low concentrations. Their biostimulant effect was confirmed using their L and D enantiomeric forms. The second objective of my thesis was to use the experimental set-up described above to carry out a GWAS in order to determine the genetic basis of AAUE in the presence of leucine in Arabidopsis. Since leucine has an inhibitory effect on growth, its presence in the medium made it possible to study the response of the plants without being hampered by the variations in growth of the genotypes in the nitrate collection. This experiment identified the candidate gene IAR4 as being involved in this response. Exploration of the effect of mutating IAR4 on the AAUE of two mutant lines (iar4-2 and iar4-7) and the contrasting responses of 12 natural Arabidopsis accessions (Tos-82-387, Fly2-2, T850, Jm-0, IP-Lab-7, Erg2-6, Hov1-7, TAD 01, IP-Cal-0, IP-Ses-0, IP-Vas-0, ARR-17) in the presence of leucine validated the role of the IAR4 protein and revealed its biostimulant effect at low concentrations. In conclusion, this PhD project demonstrates the potential of individual amino acids as biostimulants for plants and provides a better understanding of the genetic basis of AAUE in the presence of an amino acid.