Relation entre la teneur en ions de l'apoplaste et l'architecture des pectines dans la tolérance au stress salin chez les végétaux // Critical interrelations between pectin structure and apoplastic ionic environment in plant salt tolerance

L'évolution du changement climatique en Hauts-de-France a pour conséquence une augmentation de la salinisation des sols, limitant le rendement des espèces cultivées, comme celui de la pomme de terre (Solanum tuberosum). L'ion principalement mis en cause dans ces phénomènes de stress, est l'ion Na+. La paroi végétale est la première barrière physique entre le compartiment cellulaire et l'environnement. Cette paroi est constituée principalement de polysaccharides tels que la cellulose, hémicelluloses et pectines. Les pectines sont des polysaccharides complexes, riches en résidus d'acide galacturonique (GalUA), qui peuvent être O-méthylés en position C6 et O-acétylés en position O2 et/ou O3 des résidus GalUA. Leur degré de méthylation (DM) et d'acétylation (DAc) sont régulés par les pectine- méthylestérases (PME, EC 3.1.1.11) et -acétylestérases (PAE, EC EC 3.1.1.6), contrôlant ainsi leur structure. Des données montrent que les pectines sont impliquées dans la réponse au stress salin, mais le mécanisme reste élusif.
L'environnement ionique dans la paroi, dont le pH, contribue à la régulation des propriétés pariétales. Lorsque les pectines sont déméthylestérifiées, des structures en « boîte à œufs » peuvent se former, grâce à la liaison entre les groupements carboxyles chargés négativement et des ions Ca2+ et forme alors un gel. Cette gélification peut s'interrompre et les pectines devenir fluide si on enlève le calcium. Ceci peut être fait aussi si on abaisse le pH. La concentration forte en protons provoque alors le remplacement du calcium. La croissance des cellules végétales résulte donc de l'expansion de la paroi qui est ainsi régulée par un pH acide. En réponse au stress salin, l'environnement salin plastidial change brutalement, résultant d'une accumulation de sels et des modifications de flux ioniques dans la paroi.
La capacité des plantes à tolérer la salinité requiert le transporteur SOS1 Na+/H+ de la voie Salt Overly Sensitive (SOS). Ce transporteur membranaire redirige l'excès d'ions Na+ vers l'apoplaste des cellules racinaires. Il joue un rôle déterminant dans le maintien de l'homéostasie Na+/K+ en faisant sortir l'excès d'ions Na+ depuis le milieu intracellulaire vers le milieu extracellulaire de la cellule végétale au niveau des racines. Son activité suggère un impact sur la teneur des ions H+ de la paroi et donc du pH de la paroi racinaire. Mais son rôle dans la régulation du pH apoplastique est inconnu.
Le projet de thèse CHIPS vise à comprendre comment l'environnement ionique pariétal régule la structure des pectines et donc l'intégrité pariétale au niveau racinaire lors d'un stress salin. L'étude sera d'abord menée chez Arabidopsis thaliana. Après avoir établi les conditions de cinétique (stress court, stress long) dans le cadre d'un stress salin modéré, le phénotypage racinaire des différents mutants d'Arabidopsis (PAE, PME et sos1) sera établi. Le statut minéral, les variations d'activité PME et PAE ainsi que l'abondance de ces protéines seront évaluées. Les pectines ainsi que leur DM et DAc et leur contribution aux propriétés mécaniques de la paroi racinaire seront caractérisés. En parallèle, des données sur l'implication de ces marqueurs dans la tolérance au stress salin seront initiées chez la pomme de terre.
Ces résultats génèreront un modèle intégratif associant des activités de transport d'ions dans la paroi, aux propriétés des pectines pour la tolérance des plantes au sel.
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Soil salinity represents the second most important abiotic stress to the plant affecting crop yield worldwide and causing huge annual economic losses including potato (Solanum tuberosum). The Hauts de France Region which grow nearly ⅔ of the potatoes has also to cope with climate change, such as heat, drought and salinity that could limit potato production. Sodium chloride (NaCl) is the most abundant salt in the soil and Na+ ions are recognized as the main cause of salt stress for plants. The plant primary cell wall is a complex structure composed of proteins and polysaccharides where cellulose interlaces with hemicellulose polysaccharides embedded in a matrix of pectin. It plays a central role in the control of plant growth and development, therefore in the production of biomass and as a physical barrier, is a key component of plant resistance to stress. Pectic polysaccharides are rich in galacturonic acid (GalUA) polymers partially methylesterified at the C-6 carboxyl and O-acetylated at O-2 and/or O-3. Pectin methylesterases (PMEs, EC 3.1.1.11) control the degree of pectin methylesterification (DM) and pectin acetylesterases (PAEs, EC 3.1.1.6) control that of acetylation (DAc). These changes made by these enzymes can result drastic change in cell wall mechanical properties and tissue integrity.
Some ions present in the cell wall, such as Ca2+, contribute to the cell wall stability. In contrast, the acidic pH of the plant primary wall promotes cell wall expansion and plant growth. Thus, the cell wall structure depends on the local ionic conditions. Upon saline conditions, the apoplastic ionic environment changes drastically, as the result of salt enrichment and subsequent modification in ion fluxes. For instance, SOS1, a plasma membrane H+/Na+ antiporter of the Salt Overly Sensitive (SOS) pathway is activated. SOS1 is a key determinant of salt tolerance through the maintaining of K+/Na+ homeostasis, by extruding Na+ ions taken up in excess from the cytosol to the apoplast Its activity can be expected also to impact H+ homeostasis in the root apoplast, but this has not been analyzed yet.
The CHIPS project aims to investigate how the apoplastic ionic environment under saline conditions influences pectin structure and cell wall integrity in plant roots, and in that way, plant salt tolerance.
The plant model Arabidopsis will first be investigated where two time points of salt exposure will be set up. A root phenotyîng of different Arabidopsis mutants (pme, pae, sos1 and H+ pump) will be conducted during two time points (short and long stress exposure). The mineral satus of the apoplast, live imaging of apoplastic pH, variation of activities and abundance of PAE and PME enzymes during salt stress and consequences of salt stress on the pectin architecture (DM, DAc) pectin architecture and on cell wall mechanics in the root elongation zone, will be performed.
Some techniques/approaches implemented in the framework of the present project on Arabidopsis would be extended to potato.
By its interdisciplinary approach, the CHIPS project, project will generate an integrated model of the contribution of ion transport systems to the cell wall, pH and ion homeostasis, in relation with pectin remodeling and plant tolerance to high saline environment.
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Début de la thèse : 01/10/2025

Autre financement public

ANR Financement d'Agences de financement de la recherche

Université de Picardie - Jules Verne

585 Sciences, Technologie, Santé

Le/La candidat(e) possèdera des connaissances en biologie moléculaire (clonage, transformation de plantes), physiologie végétale et biochimie des parois. Des connaissances en imagerie seraient particulièrement appréciées. Le/la candidat(e) devra faire preuve de capacités d'adaptation (1 équipe d'accueil mais plusieurs déplacements prévus dans les autres équipes partenaires du projet SOSPECT), d'autonomie et de curiosité scientifique sur ce sujet pluridisciplinaire. Le/La candidat(e) devra être mobile (Amiens, Versailles, Montpellier et Pau). Master en biologie des plantes ou biochimie L'étudiant(e) devra fournir : 1- CV et lettre de motivation 2- Relevés de notes des 3 dernières années d'études dont l'année de L3 ou équivalent 3- Diplômes de la Licence et du Master ou équivalents Les étudiant(e)s n'ayant pas encore validé leur M2 devront fournir les relevés de notes du premier semestre du M2. 4- Lettre d'appréciation du responsable de stage et de celui du responsable de la formation, précisant le classement du candidat et l'effectif de la promotion. Merci d'envoyer tous les documents sous la forme d'un seul fichier à catherine.rayon@u-picardie.fr et jean-marc.domon@u-picardie.fr
Profile and skills required The candidate will have skills in molecular biology (cloning, plant transformation), plant physiology, cell wall biochemistry. Knowledges in microscopy would be appreciated. Please provide : 1- CV + Motivation letter 2- Grades for the last three years, including BSc. 3- Master diploma For those who do not have yet the Master, please provide grades from 1st semester of Master 2. 4- Recommendation letter from the person in charge of Master, indicating grades and ranking/ Recommendation letter from the Master internship (M2) advisor Please send the documents as a single pdf file to catherine.rayon@u-picardie.fr et jean-marc.domon@u-picardie.fr