Régulation et fonction des ferritines chez Arabidopsis thaliana : implication dans le développement racinaire

par Guilhem Reyt

Thèse de doctorat en Biologie intégrative des plantes

Sous la direction de Frédéric Gaymard.

Le président du jury était Bruno Touraine.

Le jury était composé de Frédéric Gaymard, Bruno Touraine, Laurent Nussaume, David Wendehenne, Cécile Raynaud, Thierry Lagrange.

Les rapporteurs étaient Laurent Nussaume, David Wendehenne.


  • Résumé

    Le fer est un élément essentiel pour les cellules car il est le cofacteur de nombreuses protéines impliquées dans de multiples processus biologiques comme la photosynthèse et la respiration. Cependant, l'excès de fer peut être délétère pour la cellule, car il peut réagir avec l'oxygène pour former des espèces réactives de l'oxygène (ROS). Les ferritines sont des protéines chloroplastiques codées par le génome nucléaire permettant de stocker le fer en excès sous forme non toxique. Chez les végétaux, la synthèse des ferritines est majoritairement régulée au niveau transcriptionnel en réponse au fer contrairement aux animaux où elle est majoritairement régulée au niveau post-transcriptionnel. Toutefois, une régulation post-transcriptionnelle a été mise en évidence pour le gène de ferritine AtFer1. L'ARNm d'AtFer1 est déstabilisé en réponse à un stress oxydatif généré par un excès de fer. Cette régulation fait intervenir un élément cis nommé DST (DownSTream) localisé dans la région 3' transcrite non traduite de ce transcrit (3'UTR). Chez deux mutants précédemment identifiés comme agissant en trans (dst1 et dst2), cette régulation est affectée. Une caractérisation physiologique de ces mutants a permis de montrer que cette voie de dégradation est un mécanisme essentiel contrôlant la physiologie et la croissance de la plante en réponse à un stress oxydatif. D'autre part, l'expression d'AtFer1 ainsi que d'autres gènes codant des protéines chloroplastiques est régulée par un acteur de la machinerie de dégradation des ARNm, l'exoribonucléase XRN4. Ces ARNm codant des protéines chloroplastiques seraient localisés à la surface des chloroplastes. Cette localisation ferait intervenir des acteurs de la machinerie de dégradation des ARNm. La localisation subcellulaire du transcrit AtFer1 a été estimée par deux approches. L'ARNm d'AtFer1 a été visualisé par une technique d'imagerie, l'hybridation in situ révélé par fluorescence (FISH) (i). L'accumulation d'ARNm codant des protéines chloroplastiques a été évaluée dans deux fractions (chloroplastes isolés et feuilles entière) afin de savoir si certain ARNm se retrouvent enrichis dans la fraction chloroplastique (ii). Les résultats obtenus suggèrent que l'ARNm d'AtFer1 serait localisé autour des chloroplastes, cependant cette localisation ne semble pas être affectée chez le mutant xrn4. Enfin, ce travail a permis de caractériser la régulation et la fonction des ferritines dans les racines d'Arabidopsis. Le fer en excès induit la synthèse de ferritines dans les racines, AtFer1 puis AtFer3 sont les gènes de ferritines les plus exprimés dans cet organe. Les racines de plantes cultivées en excès de fer présentent des spots de fer dans les cellules de l'endoderme et du péricycle, là où l'expression des gènes AtFer1 et AtFer3 est retrouvée. Ces spots sont absents dans un triple mutant fer1-3-4. L'excès de fer diminue la longueur de la racine primaire de manière indépendante des ferritines. Par contre, l'excès de fer modifie la densité et l'élongation des racines latérales, ces deux modifications requièrent la présence des ferritines. Lors d'un excès de fer, les ferritines participent à la mise en place du gradient de H2O2 et de O2.- entre les zones de prolifération et de différentiations. Ce gradient est impliqué dans le contrôle la croissance racinaire.

  • Titre traduit

    Regulation and function of ferritins in Arabidopsis thaliana : involvment in root development


  • Résumé

    Iron is essential for cells because it is the cofactor of many proteins involved in many biological processes such as photosynthesis and respiration. However, iron in excess can be deleterious to the cell due to its capacity to react with oxygen to form reactive oxygen species (ROS). Ferritins are plastidial proteins encoded by nuclear genes in order to store iron in a safe form. In plants, ferritin synthesis is mainly regulated at the transcriptional level in response to iron in contrast to animals, where it is mainly regulated at the post-transcriptional level.However, post-transcriptional regulation has been shown for the ferritin gene AtFer1. The AtFer1 mRNA is destabilized in response to oxidative stress generated by an excess of iron. This regulation involves a cis element called DST (DownSTream) located in the 3' untranslated region (3'-UTR) of this transcript. In two mutants previously identified as trans-acting (dst1 and dst2), this regulation is affected. Physiological characterizations of these mutants have shown this pathway is an important mechanism to control physiology and plant growth in response to oxidative stress.On the other hand, AtFer1 expression and expression of other genes encoding chloroplast proteins are regulated by a component of the mRNA decay machinery, the exoribonuclease XRN4. These mRNAs encoding chloroplast proteins would be localized on the surface of chloroplasts. This location would involve component of the mRNA decay machinery. The subcellular localization of AtFer1 mRNA was estimated by two approaches. AtFer1 mRNA was visualized by an imaging technique, fluorescent in situ hybridization revealed by (FISH) (i). Accumulation of mRNA encoding chloroplast proteins was evaluated in two fractions (purified chloroplasts and total leaves) to determine if some mRNAs are found enriched in the chloroplast fraction (ii) . Our results suggest that the AtFer1 mRNA is localized around chloroplasts, however, this location does not seem to be affected in the xrn4 mutant. Finally, this work has shown the regulation and function of ferritins in the roots of Arabidopsis. Iron in excess induces ferritin synthesis in roots, and AtFer1 then AtFer3 are the most expressed ferritin genes in this organ. Roots grown in iron excess present spots of iron in the cellular layers of the endoderm and pericycle, where AtFer1 and AtFer3 ferritin genes are expressed. This staining disappears in a triple fer1-3-4 ferritin mutant. Fe in excess decreases primary root length independently of the ferritins. In contrast, Fe excess mediated alteration of lateral root density and mean length requires ferritins, in particular at the highest Fe concentration tested. During an iron excess, ferritin are involved in the establishment of the H2O2 and O2.- gradient between proliferation and differentiation zones. This gradient is known to control of root growth.


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