Recherche d'acteurs moléculaires impliqués dans l'arrêt de croissance des rootlettes de racines protéoïdes de lupin blanc - Institut des sciences des plantes de Montpellier Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Research of molecular players implied in the determinate growth of rootlets of white lupin proteoid root

Recherche d'acteurs moléculaires impliqués dans l'arrêt de croissance des rootlettes de racines protéoïdes de lupin blanc

Résumé

Phosphate (Pi) is an essential plant nutrient but by far the least mobile and least available for plants, therefore representing a limiting factor for their growth and development. It is well known that Pi deprivation triggers developmental adaptations in plants, including the modification of their root architecture. In white lupin (Lupinus albus), low Pi induces the formation of very specialized roots called cluster roots. These structures are made up of hundreds of short rootlets with a determinate growth, forming one or more very dense clusters. The spectacular ability of rootlets to improve Pi nutrition has been widely studied, though little information is known about the determinate development of these structures. My thesis project aims to unravel the molecular players involved in the determinate growth of white lupin rootlets.To this extent, an anatomical and physiological description of the rootlets, combined with transcriptomic approaches, allowed us to define 5 developmental stages, leading to the identification of a major transition change in rootlet development, both at the structural and functional level. Indeed, rootlets evolve from a growth phase, involving root meristem activity, to a functional phase fully dedicated to nutrition in which the meristem has disappeared.In order to unravel the molecular actors implied in rootlet determined growth, LaWOX5.1-like and LaWOX5.2-like, homologous genes of AtWOX5 known in the model plant Arabidopsis for being involved in the maintenance of the root meristem, were overexpressed in white lupin roots with hairy-root transformation. However, the obtained phenotypes did not allow us to confirm the involvement of LaWOX5.1-like and LaWOX5.2-like in the developmental transition of rootlets.It is known that rootlets emerge in a successive manner along the cluster root leading to the formation of a continuous spatial gradient of rootlet development. Abnormally long rootlets, differing from standard short rootlets by their longer size, caught our attention. Anatomical studies showed that long rootlet apex structure is very similar to the cluster root indeterminate apex. A transcriptomic data set was generated, allowing to compare: long rootlets, cluster root apexes and normal rootlets. The study of the transcriptomic data set revealed the high expression of a network of genes involved in the meristem maintenance in long rootlets compared to normal rootlets. In addition, its analysis allowed the identification of LaRGF2-like gene, homologous to AtRGF2 peptide, known to be involved in the meristem maintenance. Overexpression of LaRGF2-like in white lupin roots seems to maintain meristem activity in transformed rootlets, suggesting that this gene is a key gene in the molecular switch leading to rootlet determined growth.Finally, this thesis work has enabled the acquisition of knowledge and a better understanding of the molecular mechanisms involved in the determined growth of rootlets. In the long term, the understanding of the development of these special structures could make it possible to transfer the ability of producing cluster roots to other crop species, thereby improving their phosphate nutrition.
Le phosphate (Pi) est un nutriment indispensable au développement des végétaux, connu pour faire partie d’une signalisation nutritionnelle responsable de modifications importantes du système racinaire. Chez le lupin blanc (Lupinus albus), la carence en Pi induit la formation de structures racinaires spécialisées appelées racines protéoïdes, sur lesquelles se développent de denses amas de racines courtes à croissance déterminée que nous appellerons les rootlettes. De nombreuses études ont mis en évidence la capacité spectaculaire de ces rootlettes à améliorer l’acquisition du Pi, mais peu d’informations sont disponibles sur leur développement spécifique et en particulier le caractère déterminé de leur croissance. Les travaux de cette thèse visent à mettre en évidence les mécanismes moléculaires impliqués dans la croissance déterminée des rootlettes de racines protéoïde de lupin blanc.En ce sens, une caractérisation anatomique et physiologique des rootlettes, associée à une approche transcriptomique, a permis de définir 5 stades de développement, menant à l’identification d’une profonde transition à la fois structurale et fonctionnelle. Ainsi, les rootlettes évoluent d’une phase de croissance, impliquant la présence d’une activité méristématique, vers une phase entièrement dédiée à la nutrition associée à la différentiation complète de leur méristème. Dans le but de mettre en évidence les acteurs moléculaires de cette transition, les gènes LaWOX5.1-like et LaWOX5.2-like, homologues de AtWOX5 connu chez la plante modèle Arabidopsis pour son rôle central dans le maintien du méristème, ont été sur-exprimés dans des racines de lupin blanc par transformation génétique hairy-root. Cependant, les phénotypes racinaires obtenus n’ont pas permis de confirmer une implication de ces gènes dans la transition développementale des rootlettes. Il est acquis que les rootlettes émergent de manière successive et génèrent un gradient développemental le long de la racine protéoïde. Notre attention s’est focalisée sur des rootlettes particulières qui se distinguent par une longueur plus importante, interrompant donc ce gradient caractéristique. La caractérisation anatomique de ces rootlettes anormalement longues a démontré de fortes similitudes avec la structure d’un apex de racine protéoïde à croissance indéterminée. Un jeu de données transcriptomiques a été généré afin de comparer : rootlettes longues, apex de racines protéoïdes et rootlettes courtes (standard). L’analyse de ces données a permis de montrer qu’un réseau de gènes impliqués dans l’auto-maintien du méristème est fortement exprimé dans les rootlettes longues par rapport aux rootlettes courtes (standard) juxtaposées. L’analyse de ce transcriptome a également permis de mettre en évidence le gène LaRGF2-like, homologue du peptide AtRGF2 connu pour être impliqué dans la régulation du méristème. La sur-expression de LaRGF2-like par transformation hairy-root dans des racines de lupin blanc semble permettre le maintien de la zone méristématique dans une majorité de rootlettes des racines transformées, suggérant un rôle important de ce gène dans la transition vers la croissance déterminée. Ainsi, les travaux menés au cours de cette thèse ont permis d’apporter de nouvelles connaissances quant aux acteurs impliqués dans le développement déterminé des rootlettes. La compréhension du développement de ces structures spécialisées pourra éventuellement permettre de transférer la capacité à produire des racines protéoïdes ou des racines courtes dédiées à la nutrition chez d’autres espèces d’intérêt agronomique.
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Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03553991 , version 1 (03-02-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03553991 , version 1

Citer

Tamara Le Thanh. Recherche d'acteurs moléculaires impliqués dans l'arrêt de croissance des rootlettes de racines protéoïdes de lupin blanc. Sciences agricoles. Université Montpellier, 2021. Français. ⟨NNT : 2021MONTG043⟩. ⟨tel-03553991⟩
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