Role de la signalisation lipidique chez les plantes en réponse aux contraintes de l'environnement et lors du développement

par Tetiana Kalachova

Thèse de doctorat en Sciences de l'Univers et Environnement

Sous la direction de Eric Ruelland et de Volodymyr Kravets.

Le président du jury était Alla Yemets.

Le jury était composé de Eric Ruelland, Jean-Luc Cacas, Natalia Taran.

Les rapporteurs étaient Anne Guivarc'h.


  • Résumé

    La thèse est consacrée à l'étude de la signalisation lipidique comme un mécanisme universel de médiation des réponses cellulaires à phytohormones et élicitors jouant ainsi un rôle clé dans la réorganisation de métabolisme cellulaire pendant l'adaptation de la plante aux changements environnementaux.Phospholipase D (PLD) et son produit acide phosphatidic (PA) ont étés impliqués au cascades de signalisation induites par l’acide salicylique (SA) dans les cellules de garde de Arabidopsis thaliana. On a trouvé une activation de PLD et la production de PA dans les feuilles des plantes après le traitement par SA. En utilisant le marquage radioactif des phospholipides, l'analyse histochimique, les inhibiteurs de la signalisation lipidique et des lignées transgénique des plantes, nous avons montré la participation de la PLD et la NADPH-oxidase RbohD à la formation du superoxyde dans les tissues d’Arabidopsis et à la fermeture des stomates induite par SA.La cooperation entre le SA et l’acide abscisic (ABA) dans la réorganisation de transcriptome induite par ces hormones a été examinée dans la culture de la suspension cellulaire. Tant SA que l'ABA ont inhibé l'activité basale in vivo de phospholipase C dépendante de phosphatidylinositol (PI-PLC), tandis que SA (mais pas ABA) a incité aussi le phosphorylation de phosphatidylinositols. Les transcriptomes de cellules après le traitement par SA ou ABA ont été comparé à ceux obtenus aprés le traitement avec U73122 ou wortmannin. Nous avons trouvé des groupes de gènes, pour qui l'effet d'ABA et des inhibiteurs était semblable; des gènes dependants du SA via l'équilibre des phosphoinositides et des gènes dependants du SA via l’activité de PLD. Basé sur l'analyse bioinformatique de toutes les groupes de gènes choisis, nous proposons le règlement du niveaux des phosphoinositides comme un facteur important dans la regulation du transcriptome basal et également dans les changements du profile transcriptomique induits par l'effet du SA ou d'ABA.L'effet du peptide bactérien flg22 sur l’équilibre des phospholipides a été détecté tant dans des cellules de suspension que dans des plantules. Flg22 a induit l'accumulation de PA par l'activation de PI-PLC couplée a la diacylglycerolkinase 5 (DGK5), et egalement la diminution de niveau de phosphatidylinositol-4,5-biphosphate, qui est un substrat de PI-PLC. L'analyse des effects des inhibiteurs a révélé la participation des DGK et PI-PLC dans la production des espèces d'oxygène réactive (ROS) induite par flg22. La production du PA a été placée dans la cascade de la signalisation en aval de la reconnaissance du flg22 par le complexe de récepteur FLS2-BAK1, mais aprés la formation du ROS par NADPH-oxydase RbohD. Le rôle de DGK5 a été caractérisé dans la regulation du transcriptome; dans l’accumulation du callose induite par flg22 dans l’apoplast et dans la résistance au pathogène biotrophique Pseudomonas syringae pv tomato DC3000. Finalement, nous avons proposé un nouveau modèle de perception du flagellin qui inclut PI-PLC et DGK5.Le rôle de phosphoinositides dans les cascades de la signalisation d’auxin et cytokinin a été révélé dans la morphogenesis racinaire dans le mutant d'Arabidopsis pi4kb1b2 (muté dans deux isoformes de PI4K) et pi4kb1b2sid2 (contient la mutation supplémentaire de l'enzyme de biosynthèse du SA, permettant de séparer les effets du mutation en PI4K qui dependent du SA). Nous avons analysé l'anatomie de la meristem des racines, l'allongement de cellules corticales, la réponse gravitropic, les réponses aux hormones exogènes et nous avons montré la connexion entre l'activité PI4K avec les effets d’auxin et de cytokinin pendant le morphogenesis racinaire et gravitropism. Nos résultats élargissent la connaissance de la nature de la signalisation phytohormonale dans les plantes et peuvent être utilisés comme une base pour augmenter la résistance de céréales agricolement importantes aux contraintes de l’environnement

  • Titre traduit

    Deciphering the role of lipid signalling in plant response to environmental stresses and developmental cues


  • Résumé

    Thesis is devoted to the investigation of lipid signaling processes as a universal mechanism mediating cellular responses to phytohormones and elicitors thus playing a key role in cell metabolism remodeling during plant adaptation to environmental changes. Phospholipase D (PLD) and its product phosphatidic acid (PA) were found to be involved to the SA-induced signaling cascades in Arabidopsis thaliana guard cells. Using radioactive labeling of phospholipids we found an activation of PLD and production of PA in leaves of 4-week old plants after salicylic acid (SA) treatment. Using histochemical assay, inhibitor assay and transgenic lines knock-out by different isoforms of NADPH-oxidases, we showed the involvement of PLD and NADPH-oxidase RbohD to PA-mediated superoxide formation in Arabidopsis tissues infiltrated by SA and SA-induced stomatal closure. SA- crosstalk with abscisic acid (ABA) in transcriptome remodeling induced by these hormones was investigated in suspension cell culture. Both SA and ABA inhibited basal activity of phosphatidylinositol dependent phospholipase C (PI-PLC) in vivo, while SA (but not ABA) also induced the phosphorylation of phosphatidylinositols. Total transcriptomes of suspension cells after SA or ABA treatment were compared to those obtained from suspension cells treated with U73122 (PI-PLC inhibitor) or wortmannin (inhibitor of phosphatidylinositol-4-kinases (PI4K) that provide the substrate for PI-PLC catalyzed reactions). We found a specific gene clusters, for those the effect of ABA and inhibitors was similar; SA-dependent genes, regulated via the balance of phosphoinositides, and SA-dependent genes, regulated via PLD-mediated pathway. Based on the bioinformatic analysis of the promoters of all selected gene sets, we claim a phosphoinositides level regulation to be an important factor mediating basal cell transcriptome and expression changes induced by SA and ABA.The effect of bacterial peptide flg22 on phospholipid turnover was detected in both suspension cells and seedlings. Flg22 induced accumulation of PA by the activation of PI-PLC coupled with diacylglycerolkinase (DGK) and a corresponding parallel increase of phosphatidylinositol-4,5-biphosphate content, that is a substrate of PI-PLC. Inhibitor analysis revealed the involvement of Ca2+ ions in lipid signaling enzymes reaction to flagellin treatment. We showed the role of DGK and PI-PLC in production of reactive oxygen species (ROS) induced by flg22. PA-production was placed in signaling cascade downstream of flagellin recognition by FLS2-BAK1 receptor complex receptor, but upstream or ROS formation by NADPH-oxidase RbohD. DGK5 was found to be the main source of the detected PA. The role of DGK5 was characterized in basal transcriptome regulation and its flagellin-induced remodeling; in flg22-induced callose accumulation in apoplast and resistance to biotrophic pathogen Pseudomonas syringae pv tomato DC3000. We proposed a new model of flagellin perception that includes PI-PLC and DGK5. Role of phosphoinositides in auxin and cytokinin signaling cascades was revealed studying root morphogenesis in Arabidopsis mutant pi4kb1b2 deficient for two PI4K genes, and pi4kb1b2sid2 that had additional mutation it key enzyme of SA biosynthesis, thus allowing us to separate SA-dependent and independent effects of the PI4K deficiency. pi4kb1b2 mutant plants exhibit the dwarf phenotype both in leaf and root parts, while pi4kb1b2sid2 show the normal rosette growth compared to WT, but still shorter roots. We analyzed root meristem anatomy, cortical cells elongation, gravitropic response, responses to exogenic hormones and firstly showed the connection of PI4K activity with auxin and cytokinin effects during root morphogenesis and gravitropism. Our results broaden the knowledge about the nature of plant phytohormonal signaling and can be used as a basis for increasing the resistance of agriculturally important crop plants to environmental stresses


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