Fanélie Bachelet

Résumé:

Le soufre (S) est un macronutriment essentiel à la croissance des plantes, à la qualité des graines et à la tolérance au stress. Face à l'augmentation des carences en S dans les sols, il devient important d'étudier et d’améliorer le statut soufré des cultures, ainsi que leur efficacité à utiliser ou remobiliser ce nutriment. Le sulfate est la forme principale de S absorbée par les racines. Il est réduit pour permettre la synthèse des acides aminés soufrés, mais peut aussi être stocké dans les vacuoles des cellules et remobilisé dans des conditions de faible disponibilité en S. Cette remobilisation est médiée par les transporteurs de sulfate du groupe 4 (SULTR4), qui font l'objet de cette thèse de doctorat, dont l'objectif était d'explorer le rôle du sulfate vacuolaire dans l’établissement du rendement et de la qualité des graines de pois (Pisum sativum), une source prometteuse de protéines pour accélérer la double transition alimentaire et agroécologique. Dans le génome du pois, nous avons identifié un unique gène SULTR4, nommé PsSULTR4, et confirmé sa localisation au tonoplaste. Nous avons ensuite caractérisé fonctionnellement des mutants TILLING (Targeting Induced Local Lesions IN Genomes) de pois pour ce gène, en conditions de suffisance en S (+S) et de carence en S tout au long de la période reproductive (-S). Deux mutations, l'une conduisant à un codon stop prématuré (W78*) et l'autre à un changement d’acide aminé (E568K), ont significativement réduit le nombre de graines produites en conditions -S. Cette réduction est associée à des différences dans la répartition du S entre les tissus, en particulier entre les feuilles végétatives, où le S est retenu, et les feuilles des nœuds reproducteurs, carencées en S par rapport au génotype sauvage. PsSULTR4 permet donc au pois de maintenir sa production de graines en l'absence de S exogène pendant la phase reproductive en facilitant la remobilisation du S vers les parties reproductrices. Les feuilles inférieures des mutants en conditions -S présentaient un phénotype "stay-green" jusqu'à maturité. L'analyse de leur transcriptome, réalisée 25 jours après la floraison, a révélé une dérégulation de l'expression des gènes associés à la sénescence et à la dégradation de la chlorophylle, reflétant un retard de sénescence associé au maintien de la chlorophylle. Des mesures de sulfate, de métabolites soufrés, de sucres, et d’acides aminés dans les feuilles à différentes positions sur la plante et à différents stades lors de la phase reproductive ont permis d’éclairer les changements métaboliques associés. En conditions +S, bien que la quantité de graines produite par les deux mutants soit identique aux génotypes sauvages, la composition protéique des graines est altérée. Les graines des mutants sultr4 contiennent moins de protéines de réserve riches en S. Ce résultat est associé à une utilisation réduite du sulfate stocké dans l'albumen à la fin de l'embryogenèse chez les deux mutants. Par ailleurs, des études d'expression et des mesures de métabolites dans les graines en développement ont révélé des différences entre les mutants présentant une protéine PsSULTR4 tronquée (W78*) ou non tronquée (E568K), suggérant que ce transporteur non seulement médie l'efflux de sulfate vacuolaire, mais contribue également à la régulation métabolique, possiblement via son domaine STAS (Sulfate Transporter and AntiSigma factor antagonist). Sur la base de ces données, un modèle a été proposé pour expliquer comment PsSULTR4 stabilise le rendement ou la composition protéique des graines, en fonction de la disponibilité en S dans le sol. Enfin, des données préliminaires suggèrent que, comme chez Arabidopsis, le sulfate est capable d'induire la fermeture des stomates chez le pois. Ces premiers résultats suggèrent qu’il serait intéressant d’étudier le rôle de PsSULTR4 dans la résistance du pois à un déficit hydrique lorsque la disponibilité en S est réduite.

Jury de thèse:

Véronique Santoni, Directrice de Recherche INRAE, IPSIM Montpellier : Rapportrice

Hélène Zuber, Chargée de Recherche au CNRS, IBMP Strasbourg : Rapportrice

Nathalie Leborgne-Castel, Professor at the University of Bourgogne, UMR Agroécologie : Examinateur

Jérôme Verdier, Chargé de Recherche INRAE, IRHS Angers : Examinateur

Avec mes deux encadrants :

Karine Gallardo Directrice de Recherche INRAE, UMR Agroécologie : Directrice de thèse

Markus Wirtz Group leader, Center for Organismal Studies, Heidelberg (Allemagne) : Co-directeur de these