Projet ANR-11-BSV6-0004 – PlantMan : Nutrition en manganèse pour l’optimisation de la photosynthèse et de la croissance des plantes
Programme : Blanc - SVSE 6 - Génomique, génétique, bioinformatique et biologie systémique (Blanc SVSE 6)
Année de financement : 2011
Coordinateur du projet : Monsieur Sébastien THOMINE (CENTRE NATIONAL DE LA RECHERCHE SCIENTIFIQUE - DELEGATION REGIONALE ILE-DE-FRANCE SECTEUR SUD)
Partenaires : Centre national de la recherche scientifique; Centre national de la recherche scientifique; Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives
Montant : 372000.0 euros
Date de début : 2012
Durée : 36 mois
Résumé : Le manganèse, élément essentiel pour la photosynthèse et la croissance des plantesLe projet vise à mieux comprendre les mécanismes qui permettent aux plantes de capter le manganèse, un oligoélément essentiel, dans le sol et de l’acheminer vers les centres photosynthétiques où il permet la production d’oxygène à partir d’eau et la conversion de l’énergie solaire en énergie chimique pour la cellule.
Améliorer la nutrition en manganèse des plantes pour optimiser leur croissanceMalgré l’importance du manganèse (Mn) pour la croissance des plantes, en particulier son rôle central dans les systèmes photosynthétiques, les mécanismes permettant aux plantes d’acquérir ce nutriment et de l’acheminer vers les photosystèmes ont été insuffisamment étudiés. Le but principal de ce projet est de combiner des approches complémentaires pour mieux comprendre et éventuellement modifier l’homéostasie du manganèse chez les plantes. Plus spécifiquement, nous chercherons à  (1) déterminer les mécanismes de transport permettant de fournir le Mn au photosystème 2 au sein des cellules photosynthétiques, (2) déterminer la distribution et la spéciation du manganèse dans les graines et son importance pour la germination, et (3) identifier de nouveaux acteurs contrôlant l’acquisition du manganèse au niveau des racines et l’efficacité de son utilisation dans la plante.
Combiner génétique, biochimie et biophysique pour analyser l’homéostasie du manganèsePour étudier les mécanismes de l’homéostasie du manganèse, les partenaires du projet utiliserons une combinaison unique d’approches complémentaires allant de la génétique moléculaire à la biophysique : la génétique moléculaire d’Arabidopsis permettra d’étudier la fonction intégrée des gènes codant des transporteurs de Mn, des protéines liant le Mn et des régulateurs. Des mesures de fluorescence de la chlorophylle permettront une mesure in vivo non destructive du fonctionnement du photosystème 2. Les techniques d’imagerie par fluorescence X induite par rayonnement synchrotron (SXRF) ou par des particules de haute énergie (PIXE) permettront de cartographier la répartition du manganèse au niveau des tissus et des cellules. Enfin, la résonance paramagnétique électronique à haut champ (HF EPR) permettra de déterminer la spéciation, c'est-à-dire l’environnement chimique du Mn dans des tissus végétaux intacts.
Résumé de la soumission : Le manganèse (Mn) est un nutriment minéral essentiel chez les plantes. Outre son importance comme cofacteur de la superoxide dismutase dépendante du Mn, également présente chez les autres organismes, le Mn joue un rôle unique comme cofacteur du complexe de production d’oxygène au niveau du photosystème II. Une nutrition insuffisante en Mn ou un excès de Mn dans le sol entraine une diminution du rendement des cultures sur une fraction importante des terres arables à l’échelle mondiale. Le Mn joue également un rôle dans la résistance des plantes aux pathogènes et pourrait avoir un rôle plus général dans la tolérance aux stress oxydatifs. Néanmoins, l’homéostasie du Mn chez les plantes a été très peu étudiée.Le but de ce projet est de mettre en place une approche intégrée pour accroitre nos connaissances sur les mécanismes de l’homéostasie du Mn chez les plantes. Pour initier une telle approche, le projet rassemblera l’expertise de 3 partenaires dans différents domaines : la génétique moléculaire du transport de métaux, la biochimie des métalloprotéines, la photosynthèse et la physico chimie du Mn. Le projet utilise la plante de référence Arabidopsis thaliana. Les partenaires ont tous travaillé auparavant sur différents aspect de l’homéostasie du manganese. Les partenaires se concentreront sur deux systèmes modèle pour aborder l’homéostasie du Mn : (1) la cellule de mésophylle chlorophyllien pour aborder la question de l’acheminement intracellulaire du Mn vers le photosystème II, et (2) la graine pour aborder la question du stockage et de la remobilisation du Mn. De plus, le projet aborde l’étude de la régulation de l’acquisition du Mn au niveau des racines, le rôle du Mn dans la reproduction et la recherche de déterminants génétiques de l’efficacité d’utilisation du Mn. Pour aborder ces questions, le projet repose  sur une combinaison unique d’approches: la génétique moléculaire d’Arabidopsis thaliana qui permet d’étudier les rôles des gènes intervenant dans l’homéostasie du Mn ;   les mesures de fluorescence de la chlorophylle qui permettant de suivre l’activité du photosystème II ; la fluorescence X, induite par rayonnement synchrotron (SXRF) ou par des particules à haute énergie (PIXE), qui permet de cartographier les concentrations de métaux au sein des organes et des cellules végétales ; et la résonnance paramagnétique électronique à haut champs (HF EPR) qui permet d’étudier la spéciation chimique du Mn dans des tissus intacts. Ce projet représente une utilisation pionnière de l’HF EPR dans des échantillons biologiques complexes. Le projet s’appuie sur une somme importante de résultats préliminaires validant les approches proposées.Les principaux résultats escomptés de ce projet sont (1) une meilleure connaissance fondamentale des processus clef de l’homéostasie du Mn chez Arabidopsis thaliana (2)  l’identification de mécanismes moléculaires pertinents pour améliorer le rendement des plantes de culture et leur résistance aux stress biotiques et abiotiques.
Résultats : 1) Les cellules vivantes contrôlent de manière très stricte les métaux de transition présents dans la cellule. Ceux-ci ne sont que rarement à l’état libre et le plus souvent associés à des protéines dites « chaperones ». Nous avons identifié une protéine qui pourrait jouer le rôle de chaperone du Mn dans le chloroplaste mais aussi dans le cytoplasme des cellules végétales.
2) En prenant comme modèle la graine d’Arabidopsis, nous été parmi les premiers à utiliser la résonnance paramagnétique électronique à haut champ pour déterminer pour la première fois l’environnement chimique du Mn dans un échantillon biologique intact.
3) Le Mn est essentiel pour la photosynthèse et une carence en Mn se manifeste par une baisse d’efficacité photosynthétique. Un crible basé sur l’imagerie de fluorescence de la chlorophylle (voir illustration) nous a permis d’identifier des mutants d’Arabidopsis plus tolérant à la carence en Mn.
Perspectives : 1) Identifier le réseau de transporteurs de Mn et de protéines chaperones qui permettent l’acheminement du Mn vers le photosystème 2. 
2) Etudier les perturbations de l’environnement chimique du Mn chez des mutants affectés dans le transport du Mn et leurs conséquences sur la germination.
3) Etudier les facteurs et identifier les éléments qui régulent l’entrée du Mn dans la plante.
4) Identifier les gènes affectés chez les mutants tolérant mieux la carence en Mn que nous avons identifiés pendant la première partie du projet.
Publications et brevets : Schnell Ramos M, Khodja H, Mary V, Thomine S (2013) Using µPIXE for quantitative mapping of metal concentration in Arabidopsis thaliana seeds. Front Plant Sci. 4:168. doi: 10.3389/fpls.2013.00168. 
*Cet article illustre l’utilisation de la technique de µPIXE utilisant un faisceau de particule pour induire l’émission de rayon X pour quantifier la répartition des métaux (principalement le Fe et le Mn) dans la graine d’Arabidopsis thaliana.
Thomine S, Vert G. (2013) Iron transport in plants: better be safe than sorry. Curr Opin Plant Biol. 16(3):322-7. doi: 10.1016/j.pbi.2013.01.003.
*Cette revue commente le fait que la carence en Fe induit l’accumulation d’autres métaux, dont le Mn, dans la plante et pose la question de la spécificité.