Projet H2020 ROOT BARRIERS : Mécanismes moléculaires contrôlant la différenciation de l'endoderme et de l'exoderme dans les racines de tomate
- Taper Projet
- Statut Rempli
- Exécution 2016 -2019
- Budget alloué 239.191,2 €
- Portée Europeo
- Principale source de financement Horizon 2020
- Site Web du projet ROOT BARRIERS
La population mondiale devrait atteindre 11,2 milliards d’habitants d’ici 2100. Avec le changement climatique qui se profile, la sécurité de l’eau et de l’alimentation est devenue l’un des plus grands défis auxquels l’humanité sera confrontée dans un avenir proche. Dans ce contexte, l’agriculture, en tant que principale source d’alimentation humaine et animale, revêt une importance particulière. Il est urgent d’améliorer et de créer des cultures plus résilientes, capables de pousser dans des conditions de pénurie d’eau. L’étude génétique des espèces végétales qui ont évolué et se sont naturellement adaptées aux environnements arides fournit une source de connaissances pour répondre à ce besoin. Chez les plantes, le système racinaire est responsable de l’absorption de l’eau et des nutriments du sol. Lorsque les conditions environnementales sont défavorables, comme la sécheresse, les racines doivent y répondre. Il existe des types de cellules spécifiques dans la racine de la plante, l’endoderme et l’exoderme, qui, une fois différenciés, forment des barrières qui aident à faire face à ces conditions défavorables. Cependant, à ce jour, les facteurs moléculaires qui contrôlent la différenciation de l'exoderme restent inconnus, ainsi que la question de savoir si les mécanismes de régulation qui déterminent son développement sont les mêmes ou différents. Le projet ROOT BARRIERS a abordé ces questions en étudiant la différenciation de l’endoderme et de l’exoderme chez la tomate, une espèce végétale qui développe les deux couches. Nous avons étudié la différenciation de l'exoderme et de l'endoderme en utilisant les espèces domestiquées Solanum lycopersicum 'M82' et sauvage Solanum pennellii, car elles ont une morphologie racinaire et un développement cellulaire différents et nous avons constaté qu'elles diffèrent dans leurs caractéristiques de différenciation. De plus, nos résultats suggèrent que la différenciation de l’endoderme et de l’exoderme chez la tomate ne partage pas les mêmes régulateurs moléculaires. Certaines études ont révélé que la différenciation de l’endoderme et de l’exoderme se produit tôt en réponse au stress salin. Le projet ROOT BARRIERS visait à étudier comment le stress salin affecte la différenciation de l'endoderme et de l'exoderme dans les racines de tomate, en utilisant également S. lycopersicum 'M82' et S. pennellii. De plus, le rôle de ces deux types de cellules est particulièrement intéressant, puisque S. pennellii est une espèce tolérante à la salinité, ce qui suggère que l'environnement peut réguler directement le développement d'un type de cellule spécifique. Nous avons généré des plantes transgéniques stables pour isoler l'ARN messager spécifiquement de l'endoderme et de l'exoderme dans des conditions de contrôle et de stress salin. De cette manière, nous pourrons identifier les régulateurs impliqués dans la différenciation de ces deux types cellulaires et comment le stress salin influence le contrôle de leur différenciation au niveau moléculaire.
Travaux réalisés depuis le début du projet
- Modèle d'expression des gènes SlCASPs, SlSGN3, SlCIF2, SlMYB36 dans la racine de tomate.
- Localisation des protéines SlCASP dans la racine de tomate.
- Cadre de développement pour la différenciation de l'endoderme et de l'exoderme chez Solanum lycopersicum et Solanum pennelli dans des conditions de contrôle et de stress salin.
- Identification d'un promoteur spécifique de l'exoderme.
- Génération de lignées INTACT et TRAP pour profiler l'ARNm de l'endoderme et de l'exoderme chez Solanum lycopersicum et Solanum pennelli.
- Test de la voie apoplasique dans l'exoderme et l'endoderme à l'aide de traceurs spécifiques.
- Mutants CRISPR pour les gènes candidats potentiellement impliqués dans la différenciation endodermique et exodermique.
- Profil de transcription de l'endoderme et de l'exoderme dans des conditions de contrôle et de stress salin.
Résultats obtenus - Il existe différents cadres de développement pour la différenciation de l’endoderme et de l’exoderme chez la tomate.
- Aucun des acteurs moléculaires d'Arabidopsis qui contrôlent la différenciation de l'endoderme, homologue à la tomate, ne présente de modèle d'expression spécifique dans l'endoderme ou l'exoderme, car ils sont au moins exprimés dans les deux. Certains d’entre eux sont également exprimés dans les cellules du cortex et de l’épiderme.
- Nous avons identifié un promoteur spécifique de l’exoderme. Nous pourrons profiler spécifiquement l’ARNm des cellules de l’exoderme en utilisant les protocoles INTACT et TRAP.
- Le stress salin affecte différemment le développement des racines et la différenciation de l'endoderme et de l'exoderme chez Solanum lycopersicum et Solanum pennelli.
- L'exoderme de la tomate montre une réponse plastique dans la formation de barrières apoplastiques dans des conditions de stress salin.
Exploitation et diffusion des résultats
Les résultats du projet Root Barriers ont été présentés lors des conférences suivantes : - Présentation par affiche. 8e Symposium international sur le développement racinaire. Umea (Suède, 2017)
- Présentation par affiche. Réunion de la FASEB. Vermont (États-Unis) (2017)
- Présentation orale. Développement des plantes et stress hydrique. Asilomar (États-Unis) (2017)
- Présentation par affiche. XIVe Rencontre de Biologie Moléculaire Végétale. Salamanque (Espagne) (2018).
- Présentation par affiche. 10e Symposium international de l'ISRR. Israël (2018)
La population mondiale devrait atteindre 11,2 milliards d’habitants d’ici 2100. Avec le changement climatique qui se profile, la sécurité de l’eau et de l’alimentation est devenue l’un des plus grands défis auxquels l’humanité sera confrontée dans un avenir proche. Dans ce contexte, l’agriculture, en tant que principale source d’alimentation humaine et animale, revêt une importance particulière. Il est urgent d’améliorer et de créer des cultures plus résilientes, capables de pousser dans des conditions de pénurie d’eau.
L’étude génétique des espèces végétales qui ont évolué et se sont naturellement adaptées aux environnements arides fournit une source de connaissances pour répondre à ce besoin. Chez les plantes, le système racinaire est responsable de l’absorption de l’eau et des nutriments du sol. Lorsque les conditions environnementales sont défavorables, comme la sécheresse, les racines doivent y répondre. Il existe des types de cellules spécifiques dans la racine de la plante, l’endoderme et l’exoderme, qui, une fois différenciés, forment des barrières qui aident à faire face à ces conditions défavorables.
Cependant, à ce jour, les facteurs moléculaires qui contrôlent la différenciation de l'exoderme restent inconnus, ainsi que la question de savoir si les mécanismes de régulation qui déterminent son développement sont les mêmes ou différents.
Le projet ROOT BARRIERS a abordé ces questions en étudiant la différenciation de l’endoderme et de l’exoderme chez la tomate, une espèce végétale qui développe les deux couches. Nous avons étudié la différenciation de l'exoderme et de l'endoderme en utilisant les espèces domestiquées Solanum lycopersicum 'M82' et sauvage Solanum pennellii, car elles ont une morphologie racinaire et un développement cellulaire différents et nous avons constaté qu'elles diffèrent dans leurs caractéristiques de différenciation.
De plus, nos résultats suggèrent que la différenciation de l’endoderme et de l’exoderme chez la tomate ne partage pas les mêmes régulateurs moléculaires. Certaines études ont révélé que la différenciation de l’endoderme et de l’exoderme se produit tôt en réponse au stress salin.
Le projet ROOT BARRIERS visait à étudier comment le stress salin affecte la différenciation de l'endoderme et de l'exoderme dans les racines de tomate, en utilisant également S. lycopersicum 'M82' et S. pennellii. De plus, le rôle de ces deux types de cellules est particulièrement intéressant, puisque S. pennellii est une espèce tolérante à la salinité, ce qui suggère que l'environnement peut réguler directement le développement d'un type de cellule spécifique. Nous avons généré des plantes transgéniques stables pour isoler l'ARN messager spécifiquement de l'endoderme et de l'exoderme dans des conditions de contrôle et de stress salin. De cette manière, nous pourrons identifier les régulateurs impliqués dans la différenciation de ces deux types cellulaires et comment le stress salin influence le contrôle de leur différenciation au niveau moléculaire.
Le système racinaire ancre la plante et ses cellules absorbent l’eau et les nutriments. Les plantes étant des organismes sessiles, le contrôle de l’entrée de composés externes est essentiel à leur survie. Chez les plantes vasculaires, l'endoderme est la couche cellulaire la plus interne du tissu fondamental de la racine, qui contrôle l'entrée dans le système vasculaire de la plante en formant une barrière à la libre diffusion des solutés du sol. De plus, de nombreuses espèces végétales contiennent également une couche d’exoderme qui agit également comme une barrière. L'exoderme est situé à l'intérieur de la couche épidermique.
À l'état différencié, les cellules des deux couches contiennent une bande de Caspar. Chez Arabidopsis, la bande casparienne est une structure semblable à la lignine qui est déposée sous forme d'anneau dans la section transversale des cellules et autour de la paroi cellulaire secondaire. Récemment, le cadre développemental de la différenciation endodermique chez Arabidopsis a été décrit et certains acteurs moléculaires importants ont été identifiés.
Ici, nous avons exploré si la différenciation de l’endoderme et de l’exoderme est régulée de manière similaire. Étant donné qu’Arabidopsis ne possède pas d’exoderme, le projet proposé utilisera la racine de tomate comme système modèle pour aborder la différenciation de l’endoderme et de l’exoderme aux niveaux phénotypique et moléculaire. De plus, les différences entre les espèces qui poussent dans des environnements similaires à celui auquel elles se sont adaptées seront analysées.
Pour résoudre ce problème, des outils et des technologies nouvellement développés seront utilisés pour obtenir un transcriptome spécifique au type de cellule à partir de la racine de tomate, ainsi que l’analyse des données nécessaires à la biologie des systèmes et aux approches génomiques. Le projet proposé fournira de nouvelles perspectives sur le développement de l’endoderme et de l’exoderme de la tomate aux niveaux phénotypique et moléculaire, et jettera les bases de son étude chez d’autres espèces végétales.
À ce jour, le mécanisme moléculaire qui contrôle la différenciation de l'exoderme est inconnu, car l'organisme modèle Arabidopsis thaliana ne le forme pas. L'endoderme et l'exoderme forment des barrières qui contrôlent l'entrée de l'eau et des solutés du sol.
Avec le projet ROOT BARRIERS, en utilisant la tomate comme système modèle, nous décrirons pour la première fois si les facteurs moléculaires qui contrôlent la différenciation de l'endoderme et de l'exoderme sont les mêmes ou différents. De plus, nous étudions deux espèces de tomates qui diffèrent dans leur adaptabilité à la sécheresse. La comparaison de la réponse de l’endoderme et de l’exoderme aux conditions salines chez ces deux espèces nous permettra de déterminer si une réponse différentielle dans ces types de cellules est à l’origine de leur tolérance différente au stress hydrique. L’élucidation des gènes qui contrôlent la formation de ces barrières nous aidera à moduler la réponse des racines dans des conditions de stress telles que la sécheresse et la salinité.
L’impact socio-économique à long terme de ce projet reposera sur le développement de cultures plus résilientes capables de pousser dans des conditions de sécheresse, car une augmentation des zones désertiques est attendue avec le changement climatique imminent.
- CONSEJO SUPERIOR DE INVESTIGACIONES CIENTIFICAS (CSIC)
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