Caractérisation d'osmosenseurs de peuplier et recherche de ligands dans le but d'une application en tant que biostimulants

Characterisation of poplar osmosensors and search for ligands with a view to application as biostimulants

• Auteur / Autrice : Hanae Makhokh
• Direction : François Héricourt, Sabine Carpin
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie. Biochimie, biologie cellulaire et moléculaire
• Date : Soutenance le 21/12/2023
• Etablissement(s) : Orléans
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Santé, Sciences Biologiques et Chimie du Vivant (Centre-Val de Loire)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physiologie, Ecologie et Environnement (Orléans)
• Jury : Président / Présidente : Hélène Bénédetti
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Wipf, Azeddine Driouich, Mathias Brault
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Claire Rosnoblet, Nicolas Papon

Mots clés

Mots clés contrôlés

Plantes -- Régulation génétique

Plantes -- Besoins en eau

Plantes -- Potentiel osmotique

Plantes -- Écophysiologie

Histidine kinases

Ligands (biochimie)

Peupliers

Mots clés libres

Stress osmotique

MSP

Osmotic stress

MSP

Résumé

Dans le contexte de changement climatique actuel, les plantes sont soumises à une réduction de la disponibilité en eau dans le sol, ce qui génère un stress hydrique pouvant affecter leur développement. Parmi les différents mécanismes participant à la perception et la réponse à ce stress, perçu comme un stress osmotique à l'échelle cellulaire, une voie de signalisation de type Phosphorelais Multiple (MSP) semble être impliquée. Notre étude se concentre sur ce MSP osmosensing chez le peuplier, composé de trois partenaires : deux récepteurs de type histidine-aspartate kinase (HK1a et HK1b), trois protéines Histidine Phosphotransfert (HPt) et six Régulateurs de Réponse de type B (RR-B). Les deux récepteurs HK1 sont notamment caractérisés par leur domaine extracellulaire (ECD) incluant un domaine Cache, capable de fixer de petits ligands d'après la littérature, bordés par deux domaines transmembranaires (TM1 et TM2) et une partie cytoplasmique contenant les domaines transmetteur (TD) et receveur (RD). L'objectif de la thèse visait d'une part à la caractérisation fonctionnelle et biochimique des récepteurs HK1, et d'autre part à l'identification des ligands potentiels de ces récepteurs. Ce travail a mis en lumière le rôle des domaines Cache et TM2 dans l'osmosensing en utilisant une approche génétique. Par ailleurs, une approche biochimique a permis la production et la solubilisation de l'ECD, ouvrant la voie à des études structurales futures. Afin d'identifier les éventuels ligands de ces récepteurs avec leur domaine Cache, un système rapporteur fluorescent d'osmosensing a été développé en levure osmodéficiente. Nous avons pu ainsi mener des criblages de molécules candidates, par une approche ciblée, ainsi que des extraits de peuplier, par une approche aléatoire. Parmi les dizaines de phytoextraits testés, deux extraits foliaires semblent influencer l'activité de ces récepteurs. Selon l'hypothèse que le MSP activerait les mécanismes de tolérance des plantes lors de sécheresses, l'identification de molécules de phytoextraits via l'activation du système rapporteur, permettrait leur utilisation comme biostimulant et dans cette optique, des tests sur différentes espèces végétales ont été réalisés en condition de sécheresse avec ou sans application des deux extraits sélectionnés. Les expérimentations sont encore en cours mais les résultats préliminaires semblent montrer une amélioration de la croissance et de la survie des plantes lors d'un stress hydrique. Sur la base de ces résultats prometteurs, un dépôt de brevet pour l'utilisation du système rapporteur d'osmosensing pour l'identification d'extraits aux capacités biostimulantes pour l'amélioration de la tolérance à la sécheresse des plantes est en cours.

In the current context of climate change, plants are facing reduced water availability in the soil, leading to water stress that can affect their development. Among the various mechanisms involved in perceiving and responding to this stress, which is perceived as osmotic stress at the cellular level, a Multiple Phosphorelay (MSP) signaling pathway appears to be involved. Our study focuses on this osmosensing MSP in poplar, composed of three partners: two histidine-aspartate kinase receptors (HK1a and HK1b), three Histidine Phosphotransfer proteins (HPt), and six Response Regulators of type B (RR-B). The two HK1 receptors are notably characterized by their extracellular domain (ECD), including a Cache domain capable of binding small ligands according to the literature. These domains are bordered by two transmembrane domains (TM1 and TM2) and a cytoplasmic part containing transmitter (TD) and receiver (RD) domains. The objectives of the thesis were, on the one hand, to functionally and biochemically characterize the HK1 receptors, and on the other hand, to identify potential ligands for these receptors. This work highlighted the roles of the Cache and TM2 domains in osmosensing using a genetic approach. Furthermore, a biochemical approach enabled the production and solubilization of the ECD, paving the way for future structural studies. In order to identify potential ligands for these receptors with their Cache domain, a fluorescent osmosensing reporter system was developed in osmodeficient yeast. This allowed us to conduct screenings of candidate molecules by a targeted approach, as well as poplar extracts by a random approach. Among the dozens of phytoextracts tested, two leaf extracts appeared to influence the activity of these receptors. According to the hypothesis that MSP would activate the tolerance mechanisms of plants during droughts, the identification of phytoextract molecules via the activation of the reporter system would allow their use as a biostimulant and in this context, tests on different plant species have been carried out under drought conditions with or without application of the two selected extracts. The experiments are still ongoing, but preliminary results seem to indicate an improvement in plant growth and survival during water stress. Building upon these promising results, a patent application for the use of the osmosensing reporter system for identifying extracts with biostimulant capabilities to enhance plant drought tolerance is currently in progress.