IJPB-Signalisation et recyclage nutritionnel

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Mots-clés : Azote - nitrate - sénescence - asparagine synthétase - glutamine synthétase - autophagie - recyclage - remobilisation - signalisation - régulation de l'expression génique - transcriptome

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 2
INRA Centre de Versailles-Grignon
Route de St-Cyr (RD10)
78026 Versailles Cedex France

tél : +33 (0)1 30 83 30 00 - fax : +33 (0)1 30 83 33 19

	Responsable Christian Meyer Directeur de recherche
	Akira Suzuki Directeur de recherche
	Jean-François Morot-Gaudry Directeur de recherche
	Fabienne Soulay Technicien
	Liliana Avila Ospina Doctorant du 01/09/11 au 31/08/14
	Kohki Yoshimoto Chercheur "Package INRA" du 15/12/11 au 14/12/15
	Anciens membres de l'équipe

	Co-Responsable Céline Masclaux-Daubresse Directeur de recherche
	Michèle Reisdorf-Cren Maître de conférences UVSQ
	Anne Marmagne Ingénieur
	Marianne Azzopardi Technicien
	Thomas Dobrenel Doctorant
	Michael Moison Doctorant département BV et CETIOM du 1/10/11 au 30/09/14
	Nelly Magalhaes Master 2 du 03/01/12 au 30/06/12

Résumé :

L'enjeu des prochaines années sera celui de l'indépendance énergétique et de la préservation de notre planète. Le défi relevé avec succès par les dernières 50 années de recherche en agronomie a été d'apporter l'autosuffisance alimentaire à notre pays. Ceci a été permis par l'augmentation des rendements grâce à la sélection génétique des variétés cultivées et aussi par l'utilisation des engrais azotés. En effet, alors que la source de carbone n'est pas limitée pour les plantes, l'azote doit être en général prélevé dans le sol. Ainsi sa disponibilité limite la production de biomasse et influence la qualité des productions agricoles. Le développement de nouvelles formes d'énergie « verte » va nécessiter dans le futur la valorisation non alimentaire de la biomasse d'un certain nombre de plantes.
Qu'il s'agisse de soutenir la production alimentaire ou non alimentaire, les engrais azotés seront un facteur de poids dans le coût de ces productions et dans le bilan écologique global. Or, l'utilisation d'engrais azotés est de plus en plus décriée pour des raisons écologiques de pollution des eaux et aussi parce que leurs coûts rendent à l'heure actuelle les biocarburants non compétitifs. De ce fait l'amélioration de l'efficacité d'utilisation de l'azote en agriculture est un problème central. Cette amélioration passe non seulement par la recherche d'un meilleur prélèvement dans le sol et d'une meilleure assimilation, mais surtout par une optimisation des transferts d'azote inorganique et organique à l'intérieur de la plante. Que ce soit vers les nouveaux organes en croissance (feuilles, racines, graines) ou vers les organes de réserve (tubercules, …). L'amélioration des métabolismes de recyclage de l'azote au sein de la plante au cours du développement (depuis la germination jusqu'au remplissage de la graine) représente donc l'une des solutions à ce problème.

Notre équipe est issue du rapprochement de trois groupes qui s'intéressaient préalablement

aux mécanismes et au contrôle génétique de la remobilisation de l'azote au cours du développement foliaire et de la sénescence (Céline Masclaux-Daubresse, Michèle Cren).
[Plus de détails]
à l'assimilation de l'ammonium en réponse aux stress de l'environement (Akira Suzuki)
à la régulation du métabolisme et du développement par les signaux nutritionnels (Christian Meyer)

Activité scientifique :

Notre premier objectif est de poursuivre l'étude du rôle des enzymes impliquées dans le recyclage et la remobilisation de l'azote chez Arabidopsis. Cet effort de génomique fonctionnelle s'intéresse principalement aux GS1 et AS, lesquelles sont codées par des familles multigéniques.

Notre deuxième objectif est d'approfondir notre compréhension du rôle de l'autophagie dans la gestion des ressources azotées lors de la sénescence foliaire et de la maturation des graines. Nous souhaitons également étudier les voies de régulation de l'autophagie en réponse la carence ou limitation nutritionnelle et/ou au vieillissement, avec un intérêt particulier pour l'implication de TOR dans ce contrôle.

Notre troisième objectif est d'étudier le rôle de TOR dans un contexte plus large, et de rechercher les partenaires protéiques impliqués dans la régulation des métabolismes azotés et carbonés (LST8, SnRK1 respectivement).

Résultats marquants :

Notre groupe possède bonne expérience sur l'étude des enzymes du métabolisme de l'ammonium, des mécanismes de mobilisation de l'azote au cours de la sénescence et sur la régulation nutritionnelle, notamment par la voie de signalisation de la kinase TOR (Target Of Rapamycin).
Actuellement, nous nous intéressons aux mécanismes métaboliques et signalétiques susceptibles de modifier l'évolution de la sénescence foliaire et le processus de recyclage de l'azote.
Nous étudions le rôle des enzymes du métabolisme de l'ammonium susceptibles de participer à la remobilisation de l'azote, glutamine synthétase cytosolique (GS1) et asparagine synthétase (AS), au cours des phases de recyclage de l'azote organique, i.e. pendant la sénescence foliaire et la germination des graines.
Nous étudions également la physiologie des mutants d'autophagie. Les gènes d'autophagie étant principalement exprimés dans les feuilles sénescentes et dans les graines en maturation, leur rôle dans la gestion des réserves (azotées et éventuellement carbonées) est étudié.

Les mécanismes et la régulation de la mobilisation des réserves nutritionnelles chez les micro-organismes et les animaux sont assez bien connus. Chez les plantes, nos connaissances sur ce sujet sont peu avancées.Une voie potentiellement impliquée dans la régulation de l'autophagie et du recyclage de l'azote est la voie de signalisation de la kinase TOR. TOR a un effet considérable sur la production de biomasse et la résistance aux stress. Le rôle de TOR dans le développement, le fonctionnement cellulaire et la régulation du métabolisme azoté par les conditions nutritionnelles est en cours au laboratoire.

Notre intérêt pour la sénescence induite par la limitation nutritionnelle ressentie en situation de faible apport azoté nous amène également à nous intéresser au rôle de l'autophagie dans la mobilisation des ressources azotées. Nous avons abordé l'étude des voies de signalisation susceptibles de contrôler le recyclage de l'azote en réponse au vieillissement et/ou à la carence nutritionnelle par l'investigation de la voie de signalisation de la kinase TOR chez les plantes. En effet, des plantes modifiées pour l'expression de TOR montrent un effet considérable de ce gène sur l'apparition de symptômes de sénescence.

Publications représentatives :

Wingler A, Masclaux-Daubresse C, & Fischer, A M (2009). Sugars, senescence, and ageing in plants and heterotrophic organisms. J Exp Bot, 60, 1063-6.

Diaz, C., Lemaître, T., Christ, A., Azzopardi, M., Kato, Y., et al. (2008). Nitrogen Recycling and Remobilization Are Differentially Controlled by Leaf Senescence and Development Stage in Arabidopsis under Low Nitrogen Nutrition. Plant Physiol, 147 : 1437-49.

Ferrario-Méry, S., Meyer, C., & Hodges, M. (2008). Chloroplast nitrite uptake is enhanced in Arabidopsis PII mutants. FEBS lett, 582, 1061-1066.

Lemaître, T., Gaufichon, L., Boutet-Mercey, S., Christ, A., & Masclaux-Daubresse, C. (2008). Enzymatic and metabolic diagnostic of nitrogen deficiency in Arabidopsis thaliana Wassileskija accession. Plant Cell Physiol, 49 : 1056-65.

Marion, J., Bach, L., Bellec, Y., Meyer, C., Gissot, L., et al. (2008). Systematic analysis of protein subcellular localization and interaction using high-throughput transient transformation of Arabidopsis seedlings. The Plant J, 56 : 169-179.

Masclaux-Daubresse, C., Reisdorf-Cren, M., & Orsel, M. (2008). Leaf nitrogen remobilisation for plant development and grain filling. Plant Biol, 10 : 23-36.

Matakiadis T, Alboresi, A, Jikumaru, Y, Tatematsu K, Pichon O, et al. (2008). The Arabidopsis Abscisic Acid Catabolic Gene CYP707A2 Plays a Key Role in Nitrate Control of Seed Dormancy. Plant Physiol, pp.108.126938.

Valadier M, Yoshida, A, Grandjean,O, Morin, H, Kronenberger J, et al. (2008). Implication of the glutamine synthetase/glutamate synthase pathway in conditioning the amino acid metabolism in bundle sheath and mesophyll cells of maize leaves. FEBS J, 275, 3193-3206.

Sormani R, Yao L, Menand B, Ennar N, Lecampion C, Meyer C, Robaglia C (2007). Saccharomyces cerevisiae FKBP12 binds to Arabidopsis thaliana TOR and its expression in plants leads to rapamycin susceptibility. BMC Plant Biol, 7,26

Deprost D, Yao L, Sormani R, Moreau M, Leterreux G, Nicolaï M, Bedu M, Robaglia C, Meyer C (2007). The Arabidopsis TOR kinase links plant growth, yield, stress resistance and mRNA translation. EMBO, 8 : 864-870

Masclaux-Daubresse C, Purdy S, Lemaitre T, Pourtau N, Taconnat L, Renou J-P, Wingler A (2007). Genetic variation suggests interaction between cold acclimation and metabolic regulation of leaf senescence. Plant Physiol, 143 : 434-446

Masclaux-Daubresse C, Reisdorf-Cren M, Pageau K, Lelandais M, Grandjean O, Kronenberger J, Valadier M-H, Feraud M, Jouglet T, Suzuki A (2006). Glutamine synthetase/glutamate synthase pathway and glutamate dehydrogenase play distinct roles for sink/source nitrogen cycle in tobacco (Nicotiana tabacum L.). Plant Physiol, 140 : 444-456

Diaz C, Saliba-Colombani V, Loudet O, Belluomo P, Moreau L, Daniel-Vedele F, Morot-Gaudry JF, Masclaux-Daubresse C (2006). Leaf yellowing and anthocyanin accumulation are two genetically independent strategies in response to nitrogen limitation in Arabidopsis thaliana. Plant Cell Physiol,47(1): 74-83

Lea US, Leydecker M-T, Quillere I, Meyer C, Lillo C (2006). Posttranslational regulation of nitrate reductase strongly affects the level of free amino acids and nitrate, whereas transcriptional regulation has only minor influence. Plant Physiol, 140 : 1085-1094

Ferrario-Mery S, Besin E, Pichon O, Meyer C, Hodges M (2006). The regulatory PII protein controls arginine biosynthesis in Arabidopsis. FEBS Lett, 580 :2015-2020

Okutani S, Hanke GT, Satomi Y, Takao T, Kurisu G, Suzuki A, Hase T (2005). Differential distribution of three maize ferredoxin:NADP(H) oxidoreductases between stroma and thylakoid membranes and isoenzyme specific roles in chloroplast redox cascades. Plant Physiol, 139 : 1451-1459

Alboresi A, Gestin C, Leydecker M-T, Bedu M, Meyer C, Truong H-N (2005). Nitrate, a signal relieving seed dormancy in Arabidopsis. Plant Cell Environ, 28: 500-512

Ferrario-Mery S, Bouvet M, Leleu O, Savino G, Hodges M, Meyer C (2005). Physiological characterisation of Arabidopsis mutants affected in the expression of the putative regulatory protein PII. Planta, 223, 28-39

Deprost D, Truong H-N, Robaglia C, Meyer C (2005). An Arabidopsis homolog of RAPTOR/KOG1 is essential for early embryo development. Biochem Biophys Res Com, 326 : 844-850

Diaz C, Purdy S, Christ A, Morot-Gaudry JF, Wingler A, Masclaux-Daubresse C (2005). Characterization of markers to determine the extent and variability of leaf senescence in Arabidopsis. A metabolic profiling approach. Plant Physiol, 138: 898-908