Catabolisme de la proline et du GABA chez le colza : incidence de carences azotée et hydrique

par Pascal Faes

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Carole Deleu et de Marie-Françoise Niogret.


  • Résumé

    Dans le cadre du changement climatique et de l'évolution de la réglementation concernant les intrants azotés, la culture du colza risque d'être fortement pénalisée dans la mesure où c'est une culture qui nécessite d'importants apports azotés pour atteindre son potentiel de rendement. Par ailleurs, comme chez le colza un déficit hydrique induit l'accumulation de certains composés azotés, il est vraisemblable que cela conduise au détournement d'une quantité importante d'azote vers les organes végétatifs aux dépens des organes reproducteurs et donc du rendement. Chez le colza, la réponse métabolique au déficit hydrique se traduit par une très forte accumulation de proline et dans une moindre mesure une augmentation de la teneur en GABA (acide γ-aminobutyrique), deux acides aminés connus chez la plupart des plantes pour leur réponse à de nombreux stress abiotiques. L'objectif de cette thèse est de déterminer comment le métabolisme de ces deux molécules contribue à l'allocation de l'azote au cours du développement de la plante en situation normale comme en condition de stress hydrique et/ou azoté. Pour répondre à cette question nous avons fait le choix de caractériser deux voies enzymatiques majeures impliquées dans le catabolisme de la proline et du GABA : la proline déshydrogénase (ProDH) et la GABA-transaminase (GABA-T) et d'évaluer l'impact de carences hydriques et/ou azotées sur ces voies. Cette étude nécessitait d'identifier au préalable les gènes codant ces enzymes afin d'aborder une approche fonctionnelle. Les résultats montrent l'existence de multiples copies de gènes ProDH et GABA-T dans le génome du colza. L'analyse de leurs profils d'expression suggère que des processus de sub-fonctionnalisation sont en cours conduisant à l'expression spécifique, de certaines copies en réponse aux stress, et d'autres dans les processus développementaux. La comparaison des profils métaboliques avec les profils spécifiques des transcrits a permis d'élaborer des hypothèses sur le rôle de ces voies dans la gestion de l'azote. L'étude conjointe des métabolismes de la proline et du GABA suggère l'existence de régulations connexes entre les deux. Enfin, l'utilisation de plantules a permis - d'approfondir la régulation des gènes étudiés à des stades précoces de développement - et de mettre en évidence les effets délétères de l'inhibition de la GABA-T par une approche pharmacologique. En conclusion ces résultats apportent des précisions sur la régulation de ces deux enzymes et fournissent des éléments de réponse quant au rôle fonctionnel des catabolismes de la proline et du GABA dans les processus de gestion de l'eau et de l'azote chez le colza. Ces travaux constituent donc une première étape dans une démarche de validation de ces gènes comme candidats pour des programmes d'amélioration du colza visant à sélectionner des génotypes mieux adaptés aux conditions environnementales futures.

  • Titre traduit

    Catabolism of proline and GABA in oilseed rape : impact of water and nitrogen deficiency


  • Résumé

    In the context of climate change and recent regulation concerning nitrogen inputs, the oilseed rape yields may be severely decreased because its crop requires significant nitrogen supply to reach high yield performance. Moreover, as water deficit induces the accumulation of some nitrogen compounds in oilseed rape, it is likely that this could lead to diversion of significant amounts of nitrogen to the vegetative organs at the expense of the reproductive ones and therefore of the yield. In oilseed rape, the metabolic response to water deficit results in a very high proline accumulation and, to a lesser extent, an increased content of GABA (γ-aminobutyric acid), both these amino acids known for their response to many environmental stresses in most species. The objective of the work presented here was to determine how the metabolism of proline and GABA contributes to the nitrogen allocation during plant development under optimal conditions and under water stress and/or nitrogen depletion. To answer this question, we have chosen to characterize two major enzymatic pathways involved in the catabolism of proline and GABA, proline dehydrogenase (ProDH) and GABA transaminase (GABA-T), and assess the impact of water and/or nitrogen deficiency on these pathways. This study has required to preliminary identify the genes encoding these enzymes in order to initiate a functional approach. The results show the presence of multiple copies of ProDH and GABA-T genes in the oilseed rape genome. Analysis of their expression profiles suggests that sub-functionalization processes are occurring, leading to the specific expression of some copies in response to stress, and some in developmental processes. Comparison of metabolic profiles with specific profiles of transcripts allows us to hypothesize about the role of these pathways in management of nitrogen. The combined study of proline and GABA metabolisms suggests the existence of relationships between them. Finally, the use of seedlings allows - further studying the regulation of genes in the early stages of development - and highlighting the deleterious effects of the inhibition of GABA-T by a pharmacological approach. In conclusion these results supply information on the regulation of these two enzymes and provide answers about the functional roles of proline and GABA catabolisms in the management processes of water and nitrogen in oilseed rape. These works constitute a first step in validation process of these genes as putative candidates for oilseed rape breeding programs to select genotypes better adapted to future environmental conditions.

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Informations

  • Détails : 1 vol. (246 p.)
  • Annexes : Bibliogr. p. 233-246

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  • Bibliothèque : Université de Rennes I. Service commun de la documentation. Section sciences et philosophie.
  • Disponible pour le PEB
  • Cote : TA RENNES 2014/24
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