Effect of sulfur deficiency combined with water stress in pea : Study of the molecular mechanisms in sink and source organs during the reproductive phase
Effet d'une carence en soufre combinée à un stress hydrique chez le pois protéagineux : Etude des mécanismes moléculaires mis en jeu dans les organes puits et source au cours de la phase reproductive
Résumé
Pea (Pisum sativum L.) is a grain legume crop that produces seeds rich in proteins for food and feed and, thanks to its symbiosis with nitrogen-fixing bacteria, enriches the soil with nitrogen. The wider development of pea cultivation is therefore a major agroecological challenge. Water stress combined with sulfur deficiencies in soils (S is a macroelement necessary for plant defense reactions) are two abiotic stresses that interact in the current context of climate change. However, the molecular mechanisms underlying pea adaptation to water stress and their modulation by sulfur nutrition remain to be elucidated. The objectives of this thesis were, first, to describe the impact of an interaction between these two abiotic stresses, water stress and sulfur deficiency, during the reproductive phase on the yield and quality of pea seeds and, second, to characterize using -omics approaches the underlying molecular mechanisms by focusing on developing seeds and leaves, sources of nutrients for developing seeds.Thus, pea plants (cv. ‘Caméor’) deprived of sulfate two weeks before flowering were subjected to a period of nine days of moderate water stress from the beginning of flowering. Each stress was also applied individually in parallel with a non-stressed condition. The analysis of mature plants showed a synergistic effect of the two single stresses on yield and yield components. On the other hand, the protein composition of the seed, characterized by the 7S/11S globulin ratio, was less affected in response to the double stress than in response to sulfur deficiency alone, and did not vary in response to water stress. These results show that water stress mitigated the negative effect of sulfur deficiency on seed protein composition. Similar results were obtained for the seed nitrogen/sulfur ratio (correlated to the 7S/11S ratio), suggesting that it is a good indicator of seed protein composition in pea.In order to determine the mechanisms by which seeds and leaves adapt their metabolism under these multiple stress conditions, developing seeds and leaves of the first two reproductive nodes were collected prior to the application of water stress, during the combined stress period, and during re-watering. These tissues were subjected to omics analyses (proteomics, transcriptomics, ionomics, metabolomics) offering a global view of the response of seeds and leaves to the single and double stresses. The analysis of seeds revealed a mitigated effect of sulfur deficiency combined with water stress on the seed transcriptome and proteome compared to sulfur deficiency alone. The responses of seeds to the single or combined stresses involved a few proteins but these were involved in the removal of reactive oxygen species or in the maintenance of the redox balance. In leaves, transcriptional reprogramming in response to the double stress occurred at the first and last developmental stages studied. This reprogramming involves genes with roles in post-translational modification and protein transport processes. Changes in the leaf proteome occurred at the end of the double stress and during re-watering, highlighting proteins that play a key role in detoxification processes, including metal accumulation.This new knowledge has allowed the identification of candidate proteins for controlling the mechanisms of seed development or detoxification of cells during abiotic stress. They offer prospects for improving and stabilizing pea yields and seed nutritional quality.
Le pois (Pisum sativum L.) est une légumineuse qui produit des graines riches en protéines pour l’alimentation humaine et animale et qui, de par sa symbiose avec des bactéries fixatrices d’azote de l’air, enrichit les sols en azote. Le développement plus large de la culture du pois est donc un enjeu agroécologique majeur. Le déficit hydrique combiné à l’appauvrissement des sols en soufre, un macroélément nécessaire aux réactions de défense des plantes, sont deux stress abiotiques qui interagissent dans le contexte actuel de changement climatique. Pourtant, les mécanismes moléculaires sous-jacents à l’adaptation du pois au stress hydrique et leur modulation par la nutrition soufrée restent à élucider. Les objectifs de cette thèse étaient de décrire l’impact d’une interaction entre ces deux stress abiotiques que sont le stress hydrique et la carence en soufre au cours de la phase reproductive sur le rendement et la qualité des graines de pois, puis de caractériser au moyen d’approches omiques les mécanismes moléculaires sous-jacents en se focalisant sur les graines en cours de développement et les feuilles, sources de nutriments pour les graines.Ainsi, des plantes de pois (cv. ‘Caméor’) privées de sulfate deux semaines avant floraison ont été soumises à une période de stress hydrique modéré de neuf jours à partir du début de la floraison. Chaque stress a aussi été appliqué individuellement en parallèle d’une condition standard. L’analyse des plantes à maturité montrent un effet synergique des deux stress simples sur le rendement et les composantes du rendement. En revanche, la composition protéique de la graine, caractérisée par le ratio de globulines 7S/11S, est moins affectée en réponse au double stress qu’en condition de carence en soufre seule, et ne varie pas en réponse au stress hydrique. Ces résultats montrent que le stress hydrique atténue l'effet négatif de la carence en soufre sur la composition protéique des graines. Des résultats identiques ont été obtenus pour le ratio azote/soufre des graines (corrélé au ratio 7S/11S), suggérant qu’il soit un bon indicateur de la composition protéique des graines de pois.Afin de déterminer les mécanismes par lesquels les graines et les feuilles adaptent leur métabolisme dans ces conditions de stress multiples, des graines en développement et les feuilles des deux premiers nœuds reproducteurs ont été prélevées avant l’application du stress hydrique, pendant la période de double stress, et lors du ré-arrosage. Ces tissus ont été soumis à des analyses omiques (protéomique, transcriptomique, ionomique, métabolomique) offrant une vision globale de la réponse des graines et des feuilles aux simples et double stress. Les analyses des graines ont mis en évidence un effet atténué de la carence en soufre combinée au stress hydrique sur le transcriptome et le protéome comparé à une carence en soufre seule. La réponse des graines aux stress simples ou combinés met en jeu un faible nombre de protéines impliquées dans l’élimination des espèces réactives de l’oxygène ou dans le maintien de l’équilibre redox. Dans les feuilles, une reprogrammation transcriptionnelle en réponse au double stress a lieu aux premiers et derniers stades étudiés. Cette reprogrammation fait intervenir des gènes impliqués dans les processus de modifications post-traductionnelles et de transport des protéines. Des changements dans le protéome des feuilles ont lieu à la fin du double stress et lors du ré-arrosage, mettant en lumière des protéines qui jouent un rôle clé dans les processus de détoxification, notamment liés à l’accumulation des métaux.Ces nouvelles connaissances ont permis l’identification de protéines candidates susceptibles de contrôler les mécanismes de développement des graines ou la détoxification des cellules lors de stress abiotiques. Ils offrent des perspectives d’amélioration et de stabilisation des rendements et de la qualité nutritionnelle des graines chez le pois.
Domaines
Biologie végétale
Origine : Version validée par le jury (STAR)
Loading...