Signalisations locales et systémiques contrôlant le développement racinaire adaptatif en réponse à un stress hydrique

par Marina Bellanger

Projet de thèse en Biologie du développement

Sous la direction de Philippe Nacry.

Thèses en préparation à Montpellier, SupAgro , dans le cadre de Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...) , en partenariat avec BPMP - Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes (laboratoire) depuis le 23-01-2017 .


  • Résumé

    Contexte Dans le contexte actuel de changement climatique et de forte demande en eau par l'agriculture, la sécheresse est reconnue comme le stress abiotique le plus sévère pour la productivité agricole. Les racines jouent un rôle crucial dans l'absorption de l'eau du sol par les plantes et dans leur équilibre hydrique. L'absorption racinaire d'eau est déterminée, d'une part, par l'architecture du système racinaire, qui détermine sa capacité à explorer le sol et, par les caractéristiques hydrauliques des cellules et tissus. Le stress hydrique a un fort impact à la fois sur la conductivité hydraulique racinaire et sur son architecture. Dans les sols, l'eau est souvent répartie de façon hétérogène. Quelques travaux antérieurs montrent qu'un stress hydrique localisé ou l'ablation d'une partie du système racinaire modifient la croissance racinaire et accroissent la conductivité hydraulique de la partie non traitée, probablement via l'activation de canaux hydriques membranaires, les aquaporines. Le rôle d'hormones comme l'ABA et l'auxine, dans le développement racinaire et la régulation du transport d'eau, est également fortement étudié. Comprendre comment la plante perçoit la disponibilité locale en eau et quelles sont les signalisations locales et systémiques mises en jeu pour permettre une exploitation optimale de la ressource en eau sont des questions majeures. Travaux du laboratoire d'accueil. Pour comprendre comment les plantes maintiennent un équilibre hydrique lors de leur croissance et en réponse à des conditions environnementales variables, l'équipe a entrepris une approche pluridisciplinaire et multi-échelle sur l'espèce modèle Arabidopsis. L'équipe s'intéresse également au maïs. Bien qu'il s'agisse de la céréale la plus cultivée à l'échelle planétaire, la caractérisation de son développement racinaire et de sa réponse adaptative au stress hydrique a été très largement délaissée. L'équipe a montré que, chez Arabidopsis, les aquaporines jouent un rôle central dans le contrôle du transport racinaire d'eau, notamment en conditions de stress hydrique. Pour approfondir nos connaissances sur les réponses développementales à ce stress, nous utilisons plusieurs systèmes de culture en hydroponie ou in vitro. En particulier, un système de « split-root » permettant d'appliquer un stress hydrique localisé sur une partie du système racinaire et d'observer son effet sur le développement. Des résultats préliminaires indiquent chez Arabidopsis à la fois une réponse locale et une réponse systémique. Objectifs du projet de recherche : Les objectifs de la thèse sont : 1) caractériser l'implication des voies de signalisation hormonales (ABA, auxine et ethylène) dans la réponse adaptative des racines à un stress hydrique homogène, 2) identifier et analyser les voies de signalisations locales et systémiques contrôlant les réponses physiologiques et moléculaires à un stress hydrique localisé 3) identifier des gènes et construire des réseaux de gènes contrôlant le développement racinaire et/ou la réponse adaptative au stress hydrique Ces questions seront abordées chez Arabidopsis et/ou le maïs. Méthodes et plan de travail Le projet de thèse proposé repose sur deux axes distincts et complémentaires. Axe 1 : Signalisations locales et systémiques contrôlant le développement racinaire adaptatif en réponse au stress hydrique chez Arabidopsis On caractérisera les cinétiques du développement racinaire de plantules cultivées in vitro, sous différents niveaux de contrainte hydrique induits par des concentrations variables de polyethylène glycol. Dans un premier temps, l'accent sera mis sur l'implication de l'ABA. Outre des plantes sauvages, une large palette de mutants de biosynthèse (aba2, aba3, 35SNCED...) de perception (abi) ou de signalisation (snrk) de l'ABA sera caractérisée. Dans un deuxième temps, l'implication possible d'autres phytohormones, comme l'auxine et l'éthylène, sera explorée. Enfin, les interactions entre hormones seront testées en combinant des approches pharmacologiques et/ou génétiques. Cette approche sera adossée à une plateforme de phénotypage racinaire à haut débit développée au laboratoire. Les données générées seront analysées grâce à des outils d'analyse statistique développés en collaboration avec l'équipe Virtual Plant (INRIA, Montpellier). Pour un nombre limité de traitements clés ou de lignées, les données morphologiques seront complétées par une caractérisation moléculaire ciblée (RT-PCR quantitative) ou systématique (transcriptome). Un second volet visera à identifier les voies de signalisation locales et systémiques en réponse à un stress hydrique localisé. Le doctorant précisera dans un premier temps les réponses architecturales et développementales de plantules sauvages soumises à différents niveaux de stress localisés. L'implication possible des signalisations hormonales sera explorée comme décrit plus haut. Cette analyse sera complétée par une caractérisation moléculaire fine par RNA seq. Un accent particulier sera mis sur l'identification d'ARN non codants qui émergent comme des acteurs clés des signalisations à longue distance. Ce travail sera conduit en collaboration avec l'équipe de M. Crespi (IPS2 Saclay). Les données obtenues seront également utilisées, en étroite collaboration avec un chercheur de l'équipe, pour implémenter et consolider un modèle d'architecture hydraulique racinaire développé au laboratoire. Axe 2 Gènes et réseaux de gènes contrôlant le développement racinaire adaptatif au stress hydrique chez le maïs. Ce travail, conduit sur le maïs, vise à identifier des gènes impliqués dans le contrôle de l'architecture du système racinaire ou dans la réponse adaptative au stress hydrique. Il repose sur deux approches complémentaires : d'une part, une approche de génétique d'association (Genome Wide Association Study) basée sur le phénotypage d'une population recombinante multiparentale (MAGIC) parfaitement caractérisée et d'autre part, sur des analyses transcriptomiques localisées. Ces deux approches vont générer d'importantes masses de données qui seront analysées par le doctorant à l'aide d'outils d'analyse bioinformatique disponibles dans l'unité et chez le partenaire Biogemma. Ces analyses permettront de construire des réseaux de gènes et d'identifier des gènes régulateurs clés contrôlant les réponses adaptatives au stress hydrique. Le second volet du travail consistera à identifier les gènes orthologues d'Arabidopsis et analyser les réponses racinaires de plantes mutantes correspondantes. Enfin, pour quelques-uns des gènes les plus intéressants, le doctorant recherchera des variants alléliques de maïs et testera leur rôle par transgénèse des mutants d'Arabidopsis.

  • Titre traduit

    Local and systemic signaling controlling adaptive root development in response to water stress


  • Résumé

    Context In the context of global warming and high water demand in agriculture, drought is now recognized as the abiotic stress affecting the most crop productivity. Roots play a crucial role in water uptake from soil and in maintenance of plant water status. Root water uptake is determined both by root system architecture which determines the root ability to explore the soil volume and by hydraulic properties of root cells and tissues. Water stress dramatically impacts both root hydraulic conductivity and root architecture. In soil, water is often heterogeneously distributed. Several reports have shown that local water stress or partial root ablation modify root growth and increase hydraulic conductivity in the non-treated part, probably through the activation of membrane water channels named aquaporins. The involvement of phytohormones including ABA and auxin, in the control of root development and regulation of water transport is also intensively investigated. However, the mechanisms by which plants sense local water availability and the local and systemic signaling processes determining optimal soil exploration and water use are as yet largely unknown. Previous work of host group. In order to understand how plants maintain their water status all along their development and in response to a fluctuating environment, our group initiated a multi-disciplinary and multi-scale approach on the model plant Arabidopsis. The group is also interested in maize. Although it is a widely cultivated crop, its root development and adaptive responses to water stress have so far been poorly characterized. Our group showed that, in Arabidopsis, aquaporins play a central role in the control of root water transport, including in response to water stress. The group also developed several hydroponic and in vitro culture systems. In particular, we recently established an in vitro “split root” system allowing application of local water stress and analysis of its effect on root development. Preliminary results indicate that local water stress induces in Arabidopsis a local and a systemic response, at both morphological and molecular levels. Main objectives of the research project : The objectives of the PhD project are : 1) to characterize the role of hormonal signaling pathways (ABA, auxin, ethylene…) in root adaptive responses to homogenous water stress. 2) to identify and analyze the local and systemic signaling pathways controlling physiological, developmental and molecular responses to local water stress 3) to identify and characterize the genes and gene networks controlling root development and/or adaptive root responses to water stress. This research will be conducted in Arabidopsis and/or maize. Approaches and work plan The proposed PhD project relies on two distinct but complementary axes. Axis 1 : Local and systemic signaling controlling adaptive root development to homogeneous and local water stress in Arabidopsis. Firstly, root development kinetics will be analyzed in seedlings cultivated in vitro under different levels of water stress, as induced by variable concentrations of polyethylene glycol. Involvement of ABA in the root adaptive response will first be tested. Besides wild type plants, a large panel of ABA biosynthesis (aba2, aba3, 35SNCED...), sensing (abi) or signaling (snrk) mutants will be characterized. Next, involvement of other phytohormones such as auxin, ethylene, or cytokinins will be investigated. Finally, hormonal interactions will be tested by combining pharmacological and genetic approaches. This extensive study will be made possible by a high throughput phenotyping platform developed in the lab. The massive amount of data generated will be analyzed through a statistical analysis pipeline developed in collaboration with the Virtual Plant team (INRIA, Montpellier). For a limited number of key treatments or lines, morphological data will be implemented by targeted (quantitative RT-PCR) or systematic (transcriptomic) molecular analysis. The second part aims at identifying local and systemic signaling pathways involved in response to local water stress. Firstly, architectural and developmental responses of wild-type seedlings subjected to different levels of local stress will be analyzed in detail. Then, the involvement of putative hormonal signaling will be investigated as described above. This developmental characterization will be coupled to fine molecular analysis by RNAseq. A particular attention will be paid onto identification of non-coding RNAs that are emerging as key players in plant responses to abiotic stresses and have been found to be involved in long distance signaling. This part of the project will be done in collaboration with M. Crespi (IPS2 Saclay). The generated data will also be exploited in close collaboration with a colleague to implement a root hydraulic model developed in the team. Axis 2 Genes and gene networks controlling root development and root adaptive responses to water stress in maize. This project, to be conducted in maize, aims at identifying genes controlling root system architecture and/or adaptive responses to water stress. It will be based on two complementary approaches: a Genome Wide Association Study based on the phenotyping of a well characterized multiparental recombinant population (MAGIC) and a local transcriptomic analysis. These two approaches will generate large amounts of data that will be analyzed by the PhD candidate with informatics tools available in our lab or through Biogemma, our industrial partner. These analyses will allow us to construct gene networks and identify key regulatory genes. The second part of this project will identify orthologous genes in Arabidopsis and analyze root development of corresponding knock-out mutants. Finally, for a limited number of genes of particular interest, the PhD candidate will search for maize allelic variants and will test their role by complementation of Arabidopsis mutants.