Transports de Na+ et K+ chez le riz : caractérisation de transporteurs et co-transporteurs de Na+ et K+ de la famille HKT

K+ and Na+ transports in rice : characterization of Na+ and K+ transporters and co-transporters of the HKT family

• Auteur / Autrice : Ali Sassi
• Direction : Anne-Aliénor Very
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Intégrative des Plantes
• Date : Soutenance le 12/12/2011
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : BPMP - Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anne-Aliénor Very, Bruno Touraine, Jean-Marie Frachisse, Hervé Sentenac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nathalie Leonhardt, Chedly Abdelly

Mots clés

Mots clés libres

Oryza sativa

Transport de potassium

Transporteur HKT

Électrophysiologie

Stress salin

Ovocyte de xénope

Oryza sativa

Potassium transporter

HKT transporter

Electrophysiology

Salt stress

Xenopus oocytes

Real-time PCR

Résumé

Un prélèvement efficace de K+ à partir du sol est essentiel au développement des végétaux. Sur un sol riche en NaCl, le maintien d'un prélèvement sélectif et efficace de K+ à partir du sol et le contrôle de l'exportation de Na+ par la racine vers les feuilles constituent des fonctions essentielles pour la survie de la plante. Chez les plantes, les transporteurs HKT (High-affinity K+ Transporters) sont classés en deux sous-familles sur des bases phylogénétiques et de sélectivité ionique. Les membres de la sous-famille 1 transportent sélectivement Na+. Plusieurs d'entre eux ont été identifiés comme des acteurs majeurs de l'adaptation des plantes aux fortes salinités du sol en prévenant l'accumulation de Na+ dans les parties aériennes. Les membres de la sous-famille 2 co-transportent Na+ et K+. Leur rôle dans la plante, notamment dans le transport de K+, est encore mal compris. Je me suis intéressé à différents systèmes de transports de K+ et Na+, appartenant essentiellement à la famille HKT chez le riz. La caractérisation que j'ai effectuée a fait appel à plusieurs approches : électrophysiologie (voltage-clamp après expression en ovocyte de xénope), biologie cellulaire, génétique inverse et PCR en temps réel. L'analyse de l'expression par RT-PCR en temps réel de toute la famille HKT (4 membres dans chacune des deux sous-familles) a montré que ces transporteurs sont différemment exprimés au niveau des racines et des feuilles, et que leur niveau de transcrits est fortement et differentiellement régulé en conditions de stress salin ou osmotique et en présence d'hormones, ce qui suggère que ces différents systèmes jouent des rôles propres et diversifiés dans la plante. L'analyse plus détaillée d'OsHKT2;4, a montré par expression hétérologue dans l'ovocyte de xénope que ce système possède des propriétés fonctionnelles originales: il transporte sélectivement K+ à faibles concentrations de Na+, mais co-transporte Na+ et K+ à fortes concentrations de Na+ (>10 mM). L'analyse de l'expression d'OsHKT2;4 a révélé que ce transporteur est surexprimé en condition de carence en K+ et de stress salin, suggérant qu'OsHKT2;4 pourrait jouer un rôle important dans le transport de K+ dans ces deux conditions. Enfin, un patron d'expression nouveau pour un transporteur HKT a été révélé par l'analyse de plantes transgéniques exprimant le promoteur d'OsHKT2;4 fusionné aux gènes rapporteurs GUS ou GFP : en plus d'une localisation classique dans les tissus conducteurs, une forte expression est observée dans les stomates des gaines et des limbes foliaires, suggérant un rôle dans l'osmocontractilité de ces cellules.Mots clés: Oryza sativa, transport de potassium, transporteur HKT, Na+-K+ co-transporteur, électrophysiologie, ovocyte de xénope, localisation tissulaire, PCR quantitative, stress salin

Efficient uptake of K+ from the soil solution is essential for plant development. When plants are grown on a soil rich in NaCl, the maintenance of an efficient and selective uptake of K+ and the control of Na+ export from roots to shoots are crucial for plant survival. In plants, transporters belonging to the HKT (Highaffinity K+ Transport) family have been sorted in two subfamilies based on phylogenetic grounds and functional properties. Subfamily 1 members transport selectively Na+. Several of them have been shown to play major roles in plant adaptation to salt stress by preventing excessive accumulation of Na+ in shoots. Subfamily 2 members are thought to co-transport Na+ and K+, at least when expressed in heterologous systems. Their roles in planta, especially their potential role in K+ transport, are still largely unknown. I have been interested in different K+ and/or Na+ transport systems in rice, mostly belonging to the HKT family. For their characterization, different approaches have been used: electrophysiology (two-electrode voltage-clamp after expression in Xenopus oocytes), cell biology, reverse genetics and real-time PCR. Realtime RT-PCR analyses on the whole family of rice HKT transporters (4 members in both subfamilies) showed that the expression level in roots and leaves of these different systems is variable, and is differentially regulated by salt and osmotic stresses as well as by hormonal treatments, which suggests that these transporters have diverse and differentiated functions in the plant. A detailed analysis of OsHKT2;4 revealed original functional properties: this HKT transporter was indeed shown to be K+-selectively in the presence of low external Na+, but to switch to Na+ and K+ co-transport mode at high (>10 mM) Na+ concentrations. Expression analysis of OsHKT2;4 showed that this transporter is overexpressed upon salt stress and K+ shortage, which suggests that it could play an important role in K+ transport in these two conditions. At last, a new expression pattern for an HKT transporter was evidenced through the analysis of transgenic rice plants expressing OsHKT2;4 promoter fused to the GUS or GFP reporter genes: in addition to a classical localization in vascular tissues, expression of OsHKT2;4 was observed in stomata, suggesting a role for OsHKT2;4 in osmotic regulation in these cells