Etude des régulations géniques impliquées dans le maintien de l’homéostasie du fer chez Arabidopsis thaliana.

par Nicolas Tissot

Thèse de doctorat en BIDAP - Biologie, Interactions, Diversité Adaptative des Plantes

Sous la direction de Christian Dubos.

Le jury était composé de Nicolas Rouhier, Jacqueline Grima-Pettenati, Bruno Touraine.

Les rapporteurs étaient Sébastien Thomine, Sébastien Baud.


  • Résumé

    Le fer (Fe) est un élément indispensable à la vie. Sa capacité à perdre ou à gagner un électron lui permet d’être un cofacteur de choix pour de nombreuses réactions enzymatiques telles que la photosynthèse, la synthèse d’ADN ou la respiration. Cependant, le fer est très réactif et potentiellement toxique pour la cellule. Les plantes doivent donc strictement réguler leur homéostasie en fer afin d’éviter toute carence ou tout excès préjudiciable pour leur organisme. Parmi les acteurs du maintien de l’équilibre ferrique, les ferritines jouent un rôle majeur. Chez les végétaux, elles sont principalement régulées transcriptionnellement. Le gène modèle des ferritines, AtFER1, est régulé par au moins trois voies indépendantes (l’excès de fer, la carence en phosphate, et l’alternance jour/nuit). Toutefois, la façon dont ces signaux s’intègrent au niveau de son promoteur n’est pas formellement établie. Mon travail a consisté à mettre en place une étude fonctionnelle du promoteur d’AtFER1 en caractérisant des lignées stables d’Arabidopsis thaliana exprimant le gène rapporteur GUS (β-glucuronidase) sous le contrôle de différentes versions du promoteur d’AtFER1 (délétions en 5’ et en 3’, mutagenèse dirigée) selon différents traitements (e.g. disponibilité en fer). Cette approche a mis en évidence le rôle clef de certains éléments cis du promoteur. Des cribles simple hybride chez la levure sur ces éléments ont permis l’identification du facteur de transcription bHLH105/ILR3 comme régulateur potentiel d’AtFER1. Une caractérisation moléculaire et physiologique des mutants ilr3 a démontré l’implication de ce facteur dans la réponse des plantes à l’excès de fer. Elle a aussi mis en évidence qu’ILR3 avait un rôle central d’intégrateur dans l’homéostasie du fer chez les plantes. D’autre part, des données suggéraient qu’un long ARN non codant (At5g01595) pouvait potentiellement réguler AtFER1. Une caractérisation des mécanismes potentiellement impliqués a démontré que cette régulation n’était pas avérée.Les mécanismes moléculaires et physiologiques mis en place par les végétaux en réponse à une carence en fer sont relativement bien décrits. A l’inverse, peu d’informations sur la réponse des plantes à un « excès » de fer sont disponibles. Dans ce contexte, une expérience visant à décrypter, au niveau du transcriptome (puces à ADN), la dynamique de la réponse précoce (de quelques minutes à 2 heures) à un excès de fer a été mise en place. Une analyse de variance a été réalisée sur les données d’expression générées afin d’identifier les gènes dont l’expression est affectée par le traitement. Nous nous sommes plus particulièrement focalisés sur l’identification de facteurs de transcription, acteurs majeurs du maintien de l’homéostasie du fer. Parmi eux, WRKY33, WRKY40, ZAT10 et MYB51, tous liés à la réponse au ROS, semblent avoir un rôle clé dans la réponse précoce au fer.D’autre part, un mécanisme clé de l’homéostasie du fer est le prélèvement. Une précédente étude a montré que la nutrition en fer était facilitée par la synthèse et la sécrétion de composés phénoliques via le transporteur PDR9. Une caractérisation des mutants pdr9 a permis d’établir que d’une part (i) ses composés pouvaient être stockés dans les vacuoles des cellules racinaires, et d’autre part (ii) qu’ils permettaient l’entrée de fer via le système de prélèvement gouverné par le mécanisme FRO2/IRT1.Mes travaux de thèse ont permis d’apporter des éléments nouveaux sur les mécanismes moléculaires et physiologiques impliqués dans le contrôle de l’homéostasie du fer chez Arabidopsis.

  • Titre traduit

    Study of gene networks involved in the regulation of iron homeostasis in Arabidopsis thaliana


  • Résumé

    Iron (Fe) is an essential micronutrient required for life. Since it can transfer electrons, Fe is a crucial cofactor for several enzymatic reactions such as photosynthesis, DNA synthesis or respiration. However, Fe is potentially toxic for the cells as it can react with oxygen and generate ROS (Reactive Oxygen Species). Therefore plants have evolved robust strategies to monitor Fe homeostasis in order to avoid Fe deficiency or excess that could be detrimental for their growth and development. Among the molecular actors involved in Fe homeostasis sensing, ferritins are central actors. In plants, ferritins are mainly transcriptionally regulated. AtFER1 (model of ferritin genes in Arabidopsis thaliana) is regulated by at least three independent environmental pathways (Fe excess, phosphate deficiency and diurnal/circadian rhythms). However, how these environmental signals are integrated at AtFER1 promoter remains elusive. During my PhD, I have functionally characterized the AtFER1 promoter in different growth conditions (i.e. Fe availability), using GUS as a reporter gene. This approach leads to the identification of specific cis-regulatory sequences within the AtFER1 promoter. Yeast one-hybrid screens using these cis-regulatory elements allowed the identification of the transcription factor bHLH105/ILR3 as putative transcriptional regulator of AtFER1 expression. In addition, molecular and physiological characterization of ilr3 mutants (gain- and loss-of-function mutations) brought out the involvement of ILR3 in plant responses to Fe excess and confirmed that ILR3 is a central integrator of Fe homeostasis in plants. I have also investigated the potential role of a long non-coding RNA in controlling AtFER1 expression. A deep characterization of the mechanisms potentially involved in this process demonstrated that this long non-coding RNA is most probably not involved in the control of AtFER1 expression. The molecular mechanisms by which plants face and adapt against Fe deficiency are well documented, however, very few data are available with regard to Fe excess. In this context, we set up a transcriptome analysis (microarrays) aiming at deciphering the dynamics of the early response (i.e. prior AtFER1 expression is induced) to an excess of Fe in A. thaliana. An analysis of variance was performed on the expression data generated in order to identify genes whose expression is affected by the treatment. We particularly focused on the identification of transcription factors that are major players in the regulation of gene expression in response to Fe and ROS excess. Among them, WRKY33, WRKY40, ZAT10 and MYB51 have been identified. Finally, I have been investigating the mode of action of PDR9, a transporter involved in the secretion of phenolic compounds in response to Fe deficiency. Through the characterization of pdr9 mutants, I have shown that the secreted phenolic compounds (i) allow the entrance of Fe via the FRO2 / IRT1 mechanism and (ii) that these compounds are stored in the vacuoles of the root cells before secretion.In conclusion, my PhD brings new elements on the molecular and physiological mechanisms involved in maintaining Fe homeostasis in Arabidopsis.


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