Analyse fonctionnelle de deux gènes Heavy Metal ATPase de Nicotiana tabacum

par Victor Hermand

Thèse de doctorat en Biologie Intégrative des Plantes

Sous la direction de Pierre Berthomieu.

Soutenue le 25-06-2012

à Montpellier, SupAgro , dans le cadre de Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015) , en partenariat avec BPMP - Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes (laboratoire) .

Le jury était composé de Pierre Berthomieu, Michel Lebrun, Émilie Julio, Françoise Gosti.

Les rapporteurs étaient Nathalie Verbruggen, Alain Vavasseur.


  • Résumé

    Le cadmium est un métal lourd non-essentiel naturellement présent dans le sol. Il a été classé par le centre international de recherche sur le cancer (CIRC) comme un élément cancérigène de type I. Contrairement à la majorité des autres plantes, le tabac (Nicotiana tabacum) accumule le cadmium à des niveaux relativement élevés dans ses parties aériennes. Ce cadmium est ensuite retrouvé dans la fumée de cigarette. La concentration en cadmium dans les vaisseaux sanguins des fumeurs est deux à trois fois supérieure à celle que l'on rencontre chez les non-fumeurs. Pour diminuer la toxicité des cigarettes, il est souhaitable de diminuer la quantité de cadmium accumulé par le tabac dans ses feuilles. Pour parvenir à cet objectif, il est nécessaire de comprendre les mécanismes impliqués dans l'accumulation du cadmium chez le tabac.Les acteurs moléculaires impliqués dans le transport et l'accumulation du cadmium in-planta ont été principalement décrits chez l'espèce modèle Arabidopsis thaliana. Chez cette plante, le cadmium est chargé dans le xylème par AtHMA2 et AtHMA4, deux transporteurs de zinc qui partagent une redondance fonctionnelle partielle et qui sont responsables de la translocation du cadmium des parties racinaires vers les parties aériennes. Deux orthologues à AtHMA2 et AtHMA4 ont été identifiés chez N. tabacum et nommés NtHMAα et NtHMAβ. Ces deux transporteurs sont principalement exprimés dans les racines mais on en trouve également dans les feuilles. NtHMAα a été localisé plus précisément au niveau des cellules du péricycle dans les racines et dans les nervures tertiaires des feuilles. L'étude de lignées mutantes a confirmé le rôle de NtHMAα et NtHMAβ dans la translocation du cadmium des parties racinaires vers les parties aériennes. Les lignées qui expriment une version tronquée de NtHMAα ont une réduction de leur teneur en cadmium foliaire de 45%. Les lignées dans lesquelles l'expression des gènes NtHMAα et NtHMAβ est réduite sont sévèrement impactées dans leur développement. Un des phénotypes observé est une diminution drastique de la quantité de graines en raison de l'incapacité du pollen à germer à cause d'un déficit en zinc. Nous avons montré que chez ces lignées, la tolérance au cadmium était accrue. Dans l'ensemble, nos résultats montrent une grande redondance entre NtHMAα et NtHMAβ.

  • Titre traduit

    Functionnal analysis of two Heavy Metal ATPase genes in Nicotania tabacum


  • Résumé

    Cadmium is a heavy metal naturally present in the soil. It is classified as a Group 1 carcinogen by the International Agency for Research on Cancer (IARC). Unlike most other plants, tobacco (Nicotiana tabacum) translocates most of the cadmium taken up from the soil out of the roots and into the shoots. As a result, cadmium content in cigarettes is a problem for smokers who have four to five times higher blood cadmium concentrations than nonsmokers. In order to reduce cigarette toxicity it is desired to reduce cadmium accumulated in tobacco leaves. For this purpose, it is important to understand the mechanisms controlling cadmium accumulation in shoots.Molecular actors involved in cadmium repartition in plants have been well described in the model plant Arabidopsis thaliana. In Arabidopsis, cadmium is loaded into the xylem vessels by HMA2 and HMA4, two zinc transporters with partial functional redundancy. Two orthologous proteins of AtHMA2 and AtHMA4 were identified in N. tabacum and named NtHMAα and NtHMAβ. These two transporters are mainly expressed in roots but their expression was also found in shoots. NtHMAα expression was more precisely found in root pericycle cells and in shoot tertiary nerves. The analysis of mutant lines confirmed that NtHMAα and NtHMAβ are involved in cadmium translocation from roots to shoots. Lines which expressed a truncated version of NtHMAα had a 45% reduction in shoot cadmium content. Lines where both NtHMAα and NtHMAβ were silenced were severely impacted in their development. One of the phenotypes that was identified was a drastic reduction in the number of seeds due to the lack of pollen germination. We also found an enhanced tolerance to cadmium in the silenced lines. Altogether, our results show a great redundancy between NtHMAα and NtHMAβ.


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