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Signalisation, Transport et Utilisation de l’Azote
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Mots-clés : Transporteurs de nitrate / nitrite - carence azoté - famille NRT2 - protéines Nin-Like- protéine PII – TOR (Target Of Rapamycin) - PI3K (Phosphoinositol-3 kinase), multistress – arabidopsis - Brachypodium

Ecole(s) doctorale(s) de rattachement : ED 145 Sciences du végétal, Université Paris-Sud 11 Orsay

Contacts :

Institut Jean-Pierre Bourgin, UMR1318 INRA-AgroParisTech
Bâtiment 3
INRA Centre de Versailles-Grignon
Route de St-Cyr (RD10)
78026 Versailles Cedex France

tél : +33 (0)1 30 83 36 56 - fax : +33 (0)1 30 83 33 19

Responsable
Anne Krapp
Directeur de recherche


Christian
Co-Responsable
Christian Meyer
Directeur de recherche

Christian

Anne-Sophie Leprince
Maitre de conférence UPMC

 

Isabelle Jéhanno
Technicien

Patrick Berquin
Technicien

Mickaël Durand
Post-doctorant
du 1/5/16 au 30/4/18

 

Gustavo Turqueto-Duarte
Post-Doctorant

Gustavo.Turqueto-Duarte@inra.fr

Françoise

Françoise Daniel-Vedele
Directeur de recherche

Sylvie
Sylvie Ferrario-Méry
Chargé de recherche

Fabien

Thomas Girin
Chargé de recherche

 

Virginie

Virginie Bréhaut
Technicien

Céline Forzani
Post-doctorant

 

Zolt Kelemen
Ingénieur d'étude

 

 

Anciens membres
de l'équipe

 

Equipe NUTS
juillet 2013


Résumé :

 

Les plantes sont souvent exposées à des conditions environnementales fluctuantes, qui réduisent souvent la productivité des cultures en particulier lorsque ces conditions restreignent l'assimilation des nutriments minéraux. L'azote (N) est quantitativement l’élément minéral le plus important pour la nutrition des plantes. Ainsi la teneur en azote du sol est souvent un facteur limitant pour la croissance des plantes et donc le rendement des cultures. De ce fait l'augmentation de la fertilisation en azote minéral a contribué largement au développement de l'agriculture intensive. Néanmoins les changements environnementaux globaux peuvent affecter l’efficacité de la fertilisation azotée. De plus les préoccupations croissantes concernant les coûts financiers et environnementaux de cette fertilisation associées à l’augmentation de la population, ce qui accroit la demande de produits alimentaires et limite les surfaces de terres arables, renforcent la nécessité d'une meilleure compréhension de l’utilisation de l’azote dans la plante. En effet, il est clairement nécessaire de parvenir à maintenir ou à augmenter le rendement des plantes cultivées dans un environnement dégradé et changeant tout en réduisant la fertilisation azotée.
Le but final de notre recherche est ainsi de comprendre les processus moléculaires impliqués dans le fonctionnement et la régulation de la nutrition azotée de la plante et comment celle-ci contribue au rendement et au développement des plantes. Pour une compréhension globale de ces processus nous utilisons une approche intégrative, allant de la génomique et de la biologie moléculaire à la physiologie des plantes. Ces connaissances pourront ensuite être exploitées pour le développement de nouvelles variétés culturales plus adaptées aux changements climatiques et permettant un rendement constant (production de biomasse et de graines), même sous faible apport en azote.
Dans ce but, nous étudions les bases moléculaires et génétiques qui régissent les réponses des plantes à la disponibilité de l'azote en concentrant nos recherches sur trois aspects:

• Transport du nitrate et du nitrite au sein de la cellule et de la plante entière
• Mécanismes de régulation en réponse à la disponibilité en azote
•  Interconnexions entre les réponses des plantes à la disponibilité en azote et à différents stress abiotiques et biotiques. Notre objectif est de caractériser la réponse et l’adaptation des plantes à des stress multiples.

 

 

 

Transport du nitrate et du nitrite au sein de la cellule et de la plante entière
L’ion nitrate est à la fois la principale source d'azote prélevée par la plante, au moins dans nos conditions de culture tempérées, et une forme de stockage importante qui peut être utilisée pour soutenir la croissance lors de stress externes. Nous étudions les mécanismes moléculaires qui régissent l'absorption du nitrate du sol par les racines des plantes ainsi que son transport, son stockage et sa mobilisation au sein de l'ensemble de la plante au cours du développement. Nous concentrons particulièrement nos études sur le système de transport de nitrate à haute affinité, qui met en jeu la famille de protéines NRT2. La translocation dans le chloroplaste du premier produit de l’assimilation du nitrate, le nitrite, n'est pas encore bien connue chez les plantes supérieures et fait également l’objet de nos études. De plus un de nos gènes cibles, codant la protéine PII chloroplastique (voir ci-dessous), semble être impliqué dans cette étape.

 

 

Les mécanismes de régulation en réponse à la disponibilité en azote
La réponse de la plante à la disponibilité de l'azote dans le sol et dans la plante nécessite des mécanismes de détection et de régulation qui contrôlent et coordonnent son transport et son assimilation à la fois au niveau cellulaire, tissulaire et de la plante entière. Les bases moléculaires et les mécanismes des voies de signalisation liées à l’azote sont encore peu connues. Plusieurs stratégies ont été entreprises pour identifier de nouvelles protéines régulatrices. En plus des travaux en cours utilisant la variabilité naturelle ou des analyses de données globales de type -omiques (transcriptome, traductome, profilage métabolique), nous nous concentrons sur des protéines homologues à des protéines impliquées dans la régulation par les nutriments azotés chez d'autres organismes.
• La protéine régulatrice PII, qui est hautement conservée et présente chez les bactéries et les plantes, semble ainsi impliquée dans la perception du rapport C / N et l’adaptation à la limitation en azote. Nous avons montré que chez Arabidopsis la protéine PII est impliquée dans la régulation du transport de nitrite, la biosynthèse de l'arginine et la synthèse des acides gras (plus de détails).
• La famille des gènes NLP d’Arabidopsis et Brachypodium est homologue à un gène essentiel pour la nodulation des légumineuses (NIN) et au gène NIT2 de Chlamydomonas qui régule l'assimilation du nitrate. Ces protéines font partie de la famille RWP-RK codant des facteurs de transcription potentiels. Nous avons montré que NLP7 est un des facteurs majeurs de la régulation de l’expression des gènes par la disponibilité en azote. Cette régulation met en jeu un mécanisme de contrôle par la disponibilité en nitrate de la localisation nucléaire ou cytoplasmique de la protéine (plus de détails).
• Les kinases TOR (Target Of Rapamycin) et PI3K (phosphoinositol-3 kinase) définissent un axe de régulation conservé dans les cellules eucaryotes qui intègre les informations environnementales et hormonales pour les traduire en décisions métaboliques et développementales. Nous avons montré que la kinase TOR est nécessaire à la croissance des plantes, et à la régulation de la traduction et du métabolisme du carbone et de l’azote. De plus nous évaluons le rôle de ces deux kinases dans l'adaptation au stress chez Arabidopsis (plus de détails).

 

 

Nos approches expérimentales

Nous utilisons des approches ciblées et globales basées sur la biologie moléculaire et cellulaire, la génétique, la biochimie et la physiologie combinées à des stratégies de génétique quantitative exploitant la variabilité naturelle. Travaillant principalement sur la plante modèle Arabidopsis, sur laquelle nous avons une longue expérience, nous avons récemment, avec d’autres groupes de l’IJPB,  élargi nos études à la plante modèle Brachypodium distachyon, apparenté aux céréales comme le blé (informations détaillées).

 

 


Résultats marquants :

 


Publications représentatives :


Dobrenel T, Caldana C, Hanson J, Robaglia C, Vincentz M, Veit B, Meyer C (2016) TOR Signaling and Nutrient Sensing. Annu Rev Plant Biol. 67, 261-85 (Pubmed)

Kiba T, Krapp A (2016) Plant Nitrogen Acquisition Under Low Availability: Regulation of Uptake and Root Architecture. Plant Cell Physiol. 57, 707-14 (Pubmed)

Kravchenko A, Citerne S, Jéhanno I, Bersimbaev RI, Veit B, Meyer C, Leprince AS (2015) Mutations in the Arabidopsis Lst8 and Raptor genes encoding partners of the TOR complex, or inhibition of TOR activity decrease abscisic acid (ABA) synthesis. Biochem Biophys Res Commun. 467, 992-7 (Pubmed)

Krapp A (2015) Plant nitrogen assimilation and its regulation: a complex puzzle with missing pieces. Curr Opin Plant Biol 25, 115-122 (Pubmed)

Rexin D, Meyer C, Robaglia C, Veit B (2015) TOR signalling in plants. Biochem J. 470, 1-14 (Pubmed)

Ouibrahim L, Rubio AG, Moretti A, Montané MH, Menand B, Meyer C, Robaglia C, Caranta C (2015) Potyviruses differ in their requirement for TOR signalling. J Gen Virol. 96, 2898-903 (online)

Lezhneva L, Kiba T, Feria-Bourrellier A-B, Lafouge F, Boutet-Mercey S, Zoufan P, Sakakibara H, Daniel-Vedele F, Krapp A (2014) The Arabidopsis nitrate transporter NRT2.5 plays a role in nitrate acquisition and remobilization in nitrogen-starved plants. The Plant Journal 80, 230-24 (Pubmed)

Girin T, David L, Chardin C, Sibout R, Krapp A, Ferrario-Méry S, Daniel-Vedele F (2014) Brachypodium: a promising hub between model species and cereals. Journal of Experimental Botany 65, 5577-5587 (PubMed)

Chardin C, Girin T, Roudier F, Meyer C, Krapp A (2014) The plant RWP-RK transcription factors: Key regulators of nitrogen responses and of gametophyte development. Journal of Experimental Botany 65, 5577-5587 (PubMed)

Krapp A, David LC, Chardin C, Girin T, Marmagne A, Leprince AS, Chaillou S, Ferrario-Méry S,  Meyer C and Daniel-Vedele F (2014). Nitrate transport and signalling in Arabidopsis. Journal of Experimental Botany, 65: 789–798 (Abstract)

David LC , Dechorgnat J,  Berquin P, Routaboul JM, Debeaujon I, Daniel-Vedele F and Ferrario-Méry S. (2014). Proanthocyanidin oxidation of Arabidopsis seeds is altered inmutant of the high-affinity nitrate transporter NRT2.7. Journal of Experimental Botany 65: 885–893 (Full Text)

Klemens PAW, Patzke K, Deitmer J, Spinner L, Le Hir R, Bellini C, Bedu M, Chardon F, Krapp A, Neuhaus E. (2013). Overexpression of the Vacuolar Sugar Carrier AtSWEET16 Modifies Germination, Growth, and Stress Tolerance in Arabidopsis. Plant Physiology 163, 1338-1352. Full Text

Marchive C, Roudier F, Castaings L, Bréhaut V,  Blondet E, Colot V, Meyer C and Krapp A (2013). Nuclear retention of the transcription factor NLP7 orchestrates the early response to nitrate in plants. Nat. Commun 4:1713. Communiqué de presse INRA, 6/4/13. Recommandé par la Faculty of 1000

Chardon F, Bedu M, Calenge F, Klemens P, Spinner L, Clement G, Chietera G, Léran S, Ferrand M, Lacombe B, Loudet O, Dinant S, Bellini C, Neuhaus E, Daniel-Vedele F and Krapp A (2013). Leaf fructose content is controlled by the vacuolar transporter SWEET17 in Arabidopsis. Curr Biol 23:697-702 Communiqué de presse INRA, 11/4/13

Moreau M, Azzopardi M, Clément G, Dobrenel T, Marchive C, Renne C, Martin-Magniette ML, Taconnat L, Renou JP, Robaglia C, Meyer C (2012). Mutations in the Arabidopsis homolog of LST8/GβL, a partner of the target of Rapamycin kinase, impair plant growth, flowering, and metabolic adaptation to long days. Plant Cell 24: 463-481

Robaglia C, Thomas M, Meyer C (2012) Sensing nutrient and energy status by SnRK1 and TOR kinases. Curr Opin Plant Biol 15: 301-307

Dechorgnat J., Patrit O., Krapp A., Fagard M.,and Daniel-Vedele F. (2012) Characterization of the Nrt2.6 Gene in Arabidopsis thaliana: A Link with Plant Response to Biotic and Abiotic Stress. PLoS ONE 7 : e42491. doi:10.1371/journal.pone.0042491

Kiba T, Feria-Bourrellier AB, Lafouge F, Lezhneva L, Boutet-Mercey S, Orsel M, Bréhaut V, Miller A, Daniel-Vedele F, Sakakibara H, Krapp A. (2012) The Arabidopsis Nitrate Transporter NRT2.4 Plays a Double Role in Roots and Shoots of Nitrogen-Starved Plants. Plant Cell 24: 245-258.

Chardon F, Noël V, Masclaux-Daubresse, C. (2012) Exploring NUE in crops and in Arabidopsis ideotypes to improve yield and seed quality. J. Exp. Bot. 63: 3401-3412.

Ikram S, Bedu M, Daniel-Vedele F, Chaillou S, Chardon F. (2012) Natural variation of Arabidopsis response to nitrogen availability. J Exp Bot 63: 91-105.

Krapp A, Berthomé R, Orsel M, Mercey-Boutet S, Yu A, Castaings L, Elftieh S, Major H, Renou JP, Daniel-Vedele F. (2011) Arabidopsis roots and shoots show distinct temporal adaptation patterns toward nitrogen starvation. Plant Physiol. 157:1255-82. (Pubmed)

Castaings L, Marchive, C, Meyer C, Krapp A (2011) Nitrogen signalling in Arabidopsis: how to obtain insights into a complex signalling network. J Exp Bot. 62: 1391-7. (Pubmed)

Masclaux-Daubresse C, Chardon F (2011) Exploring nitrogen remobilization for seed filling using natural variation in Arabidopsis thaliana. J Exp Bot. 62:2131-42.

Dechorgnat J, Nguyen CT, Armengaud P, Jossier M, Diatloff E, Filleur S, Daniel-Vedele F (2011). From the soil to the seeds: the long journey of nitrate in plants. J Exp Bot 62: 1349-1359.

Sormani R, Masclaux-Daubresse C, Daniel-Vedele F,  Chardon F (2011). Transcriptional Regulation of Ribosome Components Are Determined by Stress According to Cellular Compartments in Arabidopsis thaliana. PLoS ONE 6, e28070.

Baud S, Bourrellier ABF, Azzopardi M, Berger A., Dechorgnat J, Daniel-Vedele F, Lepiniec L, Miquel M, Rochat C, Hodges M, Ferrario-Mery S (2010). PII is induced by WRINKLED1 and fine-tunes fatty acid composition in seeds of Arabidopsis thaliana. Plant Journal 64: 291-303.

Chardon F, Barthelemy J, Daniel-Vedele F, Masclaux-Daubresse C (2010) Natural variation of nitrate uptake and nitrogen use efficiency in Arabidopsis thaliana cultivated with limiting and ample nitrogen supply. J Exp Bot 61: 2293-2302.

 

 


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