Projet ANR-11-ISV6-0001 – MANOMICS : Prélèvement du manganèse chez Arabidopsis: analyse génomique et voies de régulation
Programme : Blanc International II - SVSE 6 - Génomique, Génétique, Bioinformatique et Biologie systémique (Blanc Inter II SVSE 6)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Madame Catherine CURIE (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE LANGUEDOC-ROUSSILLON)
Partenaires : Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes; Central Research Academy
Montant : 240426.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Comment les plantes s’approvisionnent-elles en manganèse?Le manganèse (Mn) est un micronutriment essentiel chez les plantes et limite leur croissance dans les nombreux sols où il est peu abondant. Comprendre les mécanismes moléculaires qui sous-tendent et contrôlent le prélèvement du Mn permettra à terme de développer des plantes mieux adaptées à la carence en Mn.
Le manganèse : un micronutriment essentiel laissé-pour-compte chez les plantesLe Mn est indispensable à la photosynthèse. Pourtant, son homéostasie chez les plantes reste sous-étudiée en comparaison de celle d’autres micronutriments essentiels tels que Fe, Zn ou Cu. La carence en Mn des cultures agricoles est répandue dans de larges territoires sur la planète et entraine des pertes de rendement atteignant 65%. Outre son effet sur la croissance, le Mn est important pour la résistance des plantes aux maladies ainsi que pour la protection contre le stress oxydant via son rôle de cofacteur d’une enzyme antioxidante majeure, la superoxide dismutase. Par ailleurs, comme tous les métaux de transition essentiels, l’excès de Mn peut être nuisible et la toxicité en Mn est un problème dans de nombreux sols. Parce que le Mn et le Fe compètent pour les transporteurs et les ligands, l’excès de Mn a pour effet indirect une carence en Fe qui, à son tour, réduit considérablement le rendement des cultures. Pour toutes ces raisons, nous pensons qu’il est temps d’investir dans l’étude des mécanismes de l’homéostasie du Mn chez les plantes. Cette étude permettra de mieux comprendre les bases moléculaires de l’efficience en Mn, c’est à dire la capacité qu’ont les plantes à s’accommoder d’un apport en Mn limité. Ces informations serviront de base pour concevoir et produire des plantes produisant plus de biomasse dans une large gamme d’environnements.
Etude du contrôle du prélèvement du Mn par la génétique moléculaire et la génomiqueEn combinant des approches de génétique, de biochimie (Partenaire 1) et de génomique à haut débit (Partenaire 2), nous tentons de déchiffrer les étapes clés de l’entrée du Mn dans la racine et de sa régulation. 1) En particulier, nous étudions le rôle respectif des transporteurs de métaux NRAMP1 et IRT1 dans le transport de Fe et Mn à la surface des racines et par extension l’interaction qui existe entre les métabolismes du Fe et du Mn. Dans ce but l’expression des gènes est modifiée dans les plantes (production de mutants et de lignées transgéniques surexpresseurs) et l’effet sur le transport de métaux analysé (Partenaire 1). 2) Pour identifier de nouveaux acteurs de l’homéostasie du Mn, la réponse de la plante à la carence de Mn est analysée de façon globale  par des techniques de transcriptomique et protéomique (Partenaire 2). Parmi les gènes/protéines dont l’abondance varie au cours du traitement, nous nous focaliserons sur ceux qui peuvent potentiellement jouer un rôle dans la régulation des transporteurs de Mn (facteurs de transcription, Kinases/Phosphatases,…). Leur fonction dans le maintien de l’homéostasie sera ensuite évaluée par génétique inverse, c’est à dire en inactivant leur gène et en testant l’impact sur l’entrée du Mn dans la plante (Partenaires 1 et 2).
Résumé de la soumission : Le manganese (Mn) est un nutriment essentiel pour virtuellement tous les organismes vivants. Chez les plantes, la carence en Mn est un désordre nutritionnel très répandu qui cause des pertes de rendement substantielles et qui diminue la qualité des parties comestibles. En dépit de son importance, on connaît très mal le processus de prélèvement du Mn par les racines des plantes et les mécanismes moléculaires qui contrôlent l’homéostasie cellulaire du Mn. Dans le cadre de ce projet, nous tenterons de disséquer le rôle de deux transporteurs de la membrane plasmique, NRAMP1 et IRT1, dans le prélèvement du Mn et du fer (Fe) qui tous deux compètent  pour le site de fixation des transporteurs. Le partenaire français (P1) a généré des lignées transgéniques dans lesquelles chacun des transporteurs, séparément ou en combinaison, est soit muté, soit exprimé ectopiquement, ce qui devrait permettre d’éclaircir le rôle respectif de ces transporteurs dans le prélèvement de Fe et Mn. De plus, grâce à une approche à haut débit, le partenaire taïwanais (P2) tentera d’établir un état de l’art des changements de profil du transciptome et du protéome chez la plante modèle Arabidopsis au cours de la carence en Mn. Ces analyses fourniront la première description approfondie de la réponse d’une plante à la déficience de Mn et serviront de base pour une étude de génétique inverse visant à identifier de nouveaux acteurs de l’homéostasie du Mn. Les profils transcriptomiques seront analysés par séquençage de l’ARN (RNAseq) sur une plate-forme Solexa II ; Les profils de protéines seront analysés par chromatographie liquide différentielle iTRAQ (Isobaric Tag for Relative and Absolute Quantification), couplée à de la spectrométrie de masse sur un LTQ-Orbitrap à haute énergie de dissociation.  Les expériences de génétique inverse, conduites par le laboratoire taïwanais, seront guidées par la construction de réseaux de coexpression et d’interolog protéiques (paires d’interactions protéine-protéine déduites par homologie), en supposant que des régulateurs centraux de ces réseaux jouent un rôle clé. Un objectif supplémentaire de ce consortium est de comprendre les mécanismes moléculaires qui contrôlent l’homéostasie du Mn chez Arabidopsis. Au cours d’un crible génétique, le laboratoire taïwanais a identifié un mutant incapable d’induire une réponse typique à la carence en Mn (manic, manganese deficient root hair defective) qui consiste en la perte d’inhibition de l’élongation des poils racinaires en réponse à la lumière. Le mutant manic (mai1) montre une dérégulation du prélèvement racinaire de Mn, mais pas des autres métaux. Le gène muté a été cloné et code une protéine homologue du médiator humain MED6 impliqué dans la régulation de la transcription. En supposant que MED6 joue un rôle clé dans la recalibration de l’homéostasie en Mn, nous projetons d’identifier ses partenaires protéiques par crible double hybride dans la levure. Enfin, la régulation de l’expression des gènes IRT1 et NRAMP1 par le Mn seront étudiés par le partenaire français. Le facteur de transcription FIT contrôle l’expression de IRT1 et NRAMP1 en réponse à la carence de fer. Nous examinerons le rôle de FIT dans leur réponse au Mn ainsi que la possibilité d’une régulation post-traductionnelle de IRT1 et NRAMP1 par le Mn. Des interactants putatifs de NRAMP1, identifiés au cours d’un crible split-ubiquitine, seront testés par génétique inverse, biochimie et biologie cellulaire.La combinaison de ces résultats nous conduira à mieux comprendre le jeu complexe d’interaction entre Fe et Mn, génèrera une base de données de gènes et de protéines exprimés différentiellement au cours de la carence en Mn, et permettra d’éclaircir les mécanismes contrôlant le prélèvement du Mn. Un objectif à long terme sera de produire une base de collaboration entre producteurs et physiologistes afin de développer des plantes mieux adaptées à la carence en Mn.
Résultats : La production des outils pour l’analyse de NRAMP1 et IRT1 est en cours (plasmides, doubles mutants, lignées surexpressurs, etc…) (Partenaire 1).
Les données de transcriptomique documentant la réponse des transcrits d’Arabidopsis à la carence en Mn ont été obtenues, y compris pour le mutant de transport de Mn nramp1. Leur analyse est en cours (Partenaire 2).
Perspectives : L’importance physiologique du prélèvement de Mn chez les plantes a jusqu’ici été controversée et sous-estimée. Le dogme en effet est que les besoins physiologiques, autant chez les animaux que chez les plantes, sont en deça de la capacité de prèlèvement des organismes. Récemment, le Partenaire 1 a montré que la disponibilité du Mn limite sévèrement la croissance des plantes, à moins que le transporteur haute-affinité de Mn NRAMP1 soit activé. De plus, la surproduction de NRAMP1 dans la plante augmente significativement sa biomasse. Etant donné l’augmentation de la demande en production de biomasse, étendre notre connaissance des processus impliqués dans l’acquisition du fer par les plantes est une première étape vers la collaboration entre physiologistes et sélectionneurs pour produire des plantes tolérantes à la carence en Mn.
Publications et brevets : Aucun