Caractérisation de mutants d’Arabidopsis thaliana affectés dans le stockage du fer dans leurs graines

par Viviane Mary

Thèse de doctorat en Biologie

Sous la direction de Sébastien Thomine.

Le président du jury était Jacqui Shykoff.

Le jury était composé de Sébastien Thomine, Jacqui Shykoff, Stéphane Mari, Thierry Desnos, Helen North.

Les rapporteurs étaient Stéphane Mari, Thierry Desnos.


  • Résumé

    Selon l’Organisation Mondiale de la Santé, environ 30% de la population mondiale souffre de carence en fer. Une des stratégies proposées afin d’endiguer l’anémie due à cette carence est d’augmenter le contenu en fer et sa disponibilité dans les parties consommées des plantes, en particulier les graines. Pour répondre à ce défi, il est important de comprendre les mécanismes de stockage du fer dans la graine. Chez la plante modèle Arabidopsis thaliana, le fer est stocké au sein des vacuoles des cellules entourant les tissus vasculaires de l’embryon. Le transporteur AtVIT1 est impliqué dans l’entrée de fer au sein de ces vacuoles. Le mutant vit1-1 présente un patron de distribution du fer modifié : le fer est accumulé dans les cellules sous épidermiques abaxiales des cotylédons et les cellules corticales de la radicule. AtNRAMP3 et AtNRAMP4 fonctionnent de manière redondante permettant la sortie du fer vacuolaire lors de la germination. En conditions de carence en fer, le double mutant nramp3nramp4 présente un arrêt développemental associé à une forte chlorose dus à son incapacité à utiliser ses stocks de fer vacuolaire. Pour identifier de nouveaux gènes impliqués dans l’homéostasie du fer au sein de la graine, nous avons criblé une population de double mutant nramp3nramp4 mutagénisé à l’EMS à la recherche de suppresseurs du phénotype du double mutant sur un milieu carencé en fer. Nous avons nommés ces mutants isv pour “bypass iron storage in vacuoles”. Nous avons confirmé et classifié 29 candidats selon le patron de distribution du fer de leurs embryons : 20 présentent un patron similaire au type sauvage, 3 dont le patron est semblable à celui du mutant vit1-1 et enfin 6 ne présentent pas de colorations dans la plupart de leurs embryons. Les 3 mutants isv présentant un patron similaire à vit1-1ont été caractérisés de manière plus approfondie. Chez deux d’entre eux, nous avons démontré que des mutations dans le gène AtVIT1 sont responsables du phénotype suppresseur. Ce résultat établit un lien génétique et fonctionnel entre le stockage du fer dans les vacuoles endodermiques par AtVIT1 et sa libération par AtNRAMP3 et AtNRAMP4. Le troisième mutant isv au patron semblable à vit1-1 ne porte pas de mutations dans la séquence codante d’AtVIT1. L’identification du gène affecté apportera sans doute des informations sur la régulation de VIT1. Enfin, pour sept autres mutants isv, nous disposons actuellement des populations F2 dont l’analyse par séquençage haut débit permettra de déterminer la mutation responsable du phénotype suppresseur.

  • Titre traduit

    Characterization of Arabidopsis thaliana mutants affected in seed iron storage


  • Résumé

    Over 30% of the world population is iron deficient (WHO resources). One strategy proposed to fight iron deficiency is to improve iron (Fe) content and availability in crops, especially in seeds. To address this challenge, it is crucial to decipher the mechanisms that control Fe storage during seed development. In Arabidopsis thaliana seeds, iron is stored in the vacuoles of cells surrounding the vasculature of the embryo. The AtVIT1 transporter is involved in Fe influx into vacuoles. The vit1-1 mutant displays an altered Fe pattern: Fe is accumulated in abaxial cells of the cotyledons and radicle peripheral cells. AtNRAMP3 and AtNRAMP4 function redundantly in Fe retrieval from vacuoles during germination. When germinated under iron deficient conditions, nramp3nramp4 double mutant development is altered as a consequence of impaired Fe mobilization. To identify novel genes involved in seed Fe homeostasis, we screened an EMS mutagenized population of nramp3nramp4 for mutations restoring the growth of nramp3nramp4 on low Fe. We named these mutants isv for “bypass iron storage in vacuoles”. The 29 confirmed isv mutants identified by the screen have been classified according to the iron localization pattern in their embryo after Perls/DAB staining: 20 display a wild type pattern, 3 display a pattern of Fe localization similar to vit1-1 mutant and 6 do not show any staining in most embryos. The three isv mutants displaying a vit1-1 like pattern were further investigated. In two of them, mutations in the AtVIT1 gene were shown to be responsible for the suppressor phenotype. This result establishes a genetic and functional link between Fe loading in endodermal vacuoles by AtVIT1 and its retrieval by AtNRAMP3 and AtNRAMP4. The third isv mutant with a vit1-1 like iron localization pattern does not carry any mutation in AtVIT1 coding sequence. Identification of the mutated gene will likely uncover molecular mechanisms regulating VIT1 action. For seven other confirmed isv mutants, F2 populations are available. High-throughput sequencing of batched segregants from these F2 populations will allow to map and identify the mutations causing the suppression.


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