Progression de la racine primaire d'Arabidopsis thaliana en réponse à des variations de contraintes mécaniques de son substrat

Penetration of the Arabidopsis thaliana primary root in response to variations in growth medium strength

• Auteur / Autrice : Juliette Roué
• Direction : Valérie Legué
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie Végétale
• Date : Soutenance le 19/12/2018
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences de la vie, santé, agronomie, environnement (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Physique et Physiologie Intégratives de l'Arbre en Environnement Fluctuant
• Jury : Président / Présidente : Jean-Louis Julien
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Alexis Maizel
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Lionel Dupuy, Evelyne Kolb, Maïté Vicré-Gibouin

Mots clés

Mots clés contrôlés

Arabidopsis thaliana

Mots clés libres

Courbure

Résistance mécanique

Phytagel

Croissance racinaire

Biomécanique

Flambement

Coiffe racinaire

Curvature

Medium strength

Phytagel medium

Root growth

Biomechanics

Root buckling

Root cap

Résumé

Le comportement mécanique d’un sol constitue un des facteurs prépondérants affectant la croissance et le développement racinaire. L’augmentation de la résistance mécanique d’un sol affecte l’architecture du système racinaire, la croissance axiale et radiale des racines, et l’orientation de la croissance. Bien que ces réponses soient décrites sur diverses espèces végétales dans la littérature, leur mise en place et les mécanismes de signalisation sous-jacents restent à ce jour méconnus. L’objectif principal de cette thèse est d’étudier la mise en place des réponses des racines primaires d’Arabidopsis thaliana à des variations de contraintes mécaniques de son substrat. La littérature fait état jusqu’ici de deux voies de signalisation mécanique possibles, l’une impliquant une mécanoperception au niveau de la coiffe racinaire, et l’autre faisant intervenir entres autres l’activation de canaux mécano-sensibles au niveau de l’apex racinaire. Pour étudier leur implication respective, nous avons caractérisé les réponses à une augmentation des contraintes mécaniques de racines primaires issues de la lignée Arabidopsis thaliana sauvage et de lignées mutantes affectées au niveau de l’organisation de la coiffe (fez-2, smb-3, brn1-1 brn2-1) ou au niveau de canaux ioniques mécanosensibles (mca1-null, mslΔ5). Nous avons développé un système expérimental original basé sur le suivi de croissance et d’orientation des racines dans des milieux de culture à base de Phytagel. Ces milieux de culture permettent de mimer d’une part une augmentation à long terme et simultanée des contraintes mécaniques axiales, radiales et des frottements et d’autre part une augmentation à court terme des contraintes mécaniques axiales. Tout d’abord, nous avons observé que la mise en place des réponses de croissance des racines primaires d’Arabidopsis thaliana à ces augmentations de contraintes mécaniques reposait sur une interaction entre des processus mécaniques (flambement) et biologiques (régulations de la zone de croissance). Ensuite, nous avons mis en évidence que la coiffe racinaire participait à la mise en place des réponses des racines d’Arabidopsis thaliana face à une augmentation des contraintes mécaniques. Nos résultats suggèrent que la coiffe pourrait constituer un siège de la mécanoperception. Par ailleurs, nos résultats sur les lignées mca1-null et mslΔ5 suggèrent que les canaux ioniques MCA1 et MSLs participeraient également à la mise en place des réponses racinaires à l’augmentation des contraintes mécaniques.

Root growth and development are highly modulated by soil mechanical properties such as texture, structure and bulk density. Increases in soil penetration resistance affect root system architecture, root cell production and elongation, root diameter, and root tip orientation. Although root responses to changes in mechanical stresses are well described in several plant species, their establishment and the signaling pathways underlying these responses remains misunderstood. The main objective of this thesis is to study the establishment of Arabidopsis thaliana primary root responses to changes in mechanical stresses. So far, studies reported two distinct putative mechanical signaling pathways involving either (i) the root cap as a main mechanosensing site or (ii) the activity of stretch-activated ion channels localized on the cell plasma membranes along the root apex. According to previous studies, we studied the implication of the root cap and of the stretch-activated channels of the MCA and MSL families in the root responses to increases in mechanical stresses. We developed an original experimental set-up based on the monitoring of growth and orientation of Arabidopsis thaliana primary roots in one-layer and two-layer Phytagel based growth media. The one-layer growth media mimicked a long-term increase in frictions and in radial and axial mechanical stresses whereas the two-layer growth media mimicked a short-term increase in axial mechanical stresses. We characterized penetration abilities, growth rate and tip orientation of Arabidopsis thaliana wild type roots (Col-0) and mutant roots showing defects in root cap organization (fez-2, smb-3, brn1-1 brn2-1) or in stretch-activated ion channels activity (mca1-null, mslΔ5) in one-layer and two-layer media. Firstly, we observed that the establishment of root growth responses to increases in mechanical stresses involved both mechanical (buckling) and biological (growth zone modulations) mechanisms. Then, our experiments demonstrated that alterations in root cap organization led to altered root growth responses to increases in mechanical stresses. Our results suggest that the root cap acts as a mechanosensing site. Moreover, the results obtained with the mca1-null and mslΔ5 Arabidopsis lines suggest that the MCA1 and MSLs ion channels also participate in the establishment of root responses to increases in mechanical stresses.