Modulation of nitrogen metabolism induced by flooding stress on "Medicago truncatula"
Modulation du métabolisme azoté sous hypoxie racinaire, chez Medicago truncatula
Résumé
Plants grow in a dynamic environment, which often, imposes constraints on growth and development. Among the adverse environmental factors commonly encountered by land plants, flooding or waterlogging which imposes a temporary root hypoxia (1-2% oxygen). Hypoxia stress jeopardizes plant survival, and therefore induces tremendous damage on the agricultural production and natural ecosystem. Most previous studies of biological and biochemical alterations in plants, due to hypoxic stress, have focused on sugar metabolism. However, few data, regarding the effect of root hypoxia on nitrogen (N) metabolism have recently become available. The aim of our work is to study the impact of root hypoxia on nitrogen metabolism in the model plant "Medicago truncatula." Our results showed that root hypoxia leads to a significant increase in shoot biomass (MF and MS) with increased stem elongation and number of leaves during a transitional period of almost 5 weeks before inducing plant death. Effects on primary metabolism were followed by metabolomic analysis (GC-MS), labeling of nitrogen (15N) and expression of genes involved in nitrogen metabolism. Root hypoxia induced the expected rearrangement of carbon and nitrogen in the root but interestingly it induced significant changes in C and N metabolisms in the aerated shoot. Hypoxia-induced changes in shoot biomass and metabolism were obtained in split-root experiment where only part of the root system was submitted to hypoxia. The response of the aerated shoot to root hypoxia suggests a communication between root and shoot upon hypoxia aiming at a coherent adaptive response at the whole plant level. The nature of this communication deserves to be more thoroughly investigated.
Les plantes se développent dans un environnement dynamique, ce qui impose souvent des contraintes sur la croissance et le développement. Parmi les facteurs environnementaux adverses, fréquemment rencontrés par les plantes terrestres, l'inondation ou submersion temporaire qui impose une hypoxie racinaire (1-2% d'oxygène). La submersion du sol peut avoir un très fort impact sur la survie des plantes, et donc sur la production agricole ainsi que les écosystèmes naturels. La plupart des études antérieures sur les altérations biologiques et biochimiques chez les plantes, dues au stress hypoxique, ont porté sur le métabolisme des sucres. Toutefois, quelques données concernant les effets de l'hypoxie racinaire sur le métabolisme azoté (N) sont récemment devenues disponibles. Le but de notre travail est d'étudier les effets de l'hypoxie racinaire sur le métabolisme azoté chez la plante modèle "Medicago truncatula". Les résultats obtenus ont montré que l'hypoxie racinaire entraine une augmentation significative de la biomasse aérienne (MF et MS) avec allongement des tiges et augmentation du nombre de feuilles pendant une période transitoire allant jusqu'à 5 semaines avant d'engendrer la mort des plantes. Les effets sur le métabolisme primaire ont été suivis par des analyses métabolomiques (GC-MS), marquage à l'azote (15N) et expression de gènes impliqués dans le métabolisme azoté. Nos résultats montrent que si l'hypoxie racinaire entraine des modifications sommes toute attendues des métabolismes de l'azote et du carbone, elle entraine également des réarrangements de ces métabolismes dans la partie aérienne non soumise à l'hypoxie. La réponse des parties aériennes en termes de croissance et de modification métabolique a été obtenue même quand une partie minoritaire seulement du système racinaire a été soumise à l'hypoxie suggérant une communication racine - partie aérienne qui mériterait d'être plus étudiée dans l'avenir.
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Biologie végétale
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