L'acclimatation et l'adaptation des plantes aux stress abiotiques ont été massivement étudiées à différents niveaux et sous de multiples aspects. Parce que les plantes sont sessiles, elles ont une dispersion restreinte qui limitera leur migration vers des régions aux cadres climatiques plus favorables. Par conséquent, elles sont amenées à s'acclimater rapidement à de nouvelles conditions environnementales via leur plasticité phénotypique. À long terme, les plantes peuvent s'adapter à leurs microenvironnements locaux via la sélection naturelle qui améliore leur adaptation à leur niche écologique. Ce mécanisme est à la base de la diversité naturelle.
La diversité naturelle intra-espèces est un outil puissant pour étudier la réponse de la plante aux changements environnementaux. Arabidopsis thaliana a été adopté comme espèce modèle pour de telles études. Dans cette étude, des populations naturelles d'A. thaliana provenant du versant Français des Pyrénées sont utilisées pour caractériser la plasticité phénotypique et transcriptomique en réponse aux stress thermiques et salins. L'intérêt particulier de ces populations provient de leur origine géographique restreinte mais contenant des climats très contrastés du fait de son caractère montagnard.
Plus spécifiquement, l'étude se concentre sur la plasticité affichée au niveau des racines. Les racines représentent la moitié de la plante et jouent un rôle fondamental tout au long de son cycle de vie. En conséquence, les régulations moléculaires des espèces réactives de l'oxygène (ROS) au cours du développement racinaire sont passées en revue. Aussi, le développement racinaire d'une trentaine de populations pyrénéennes d'A. thaliana, plus Columbia (Col-0, Pologne, 200 m) et Shahdara (Sha, Tadjikistan, 3400 m), ont été phénotypé lors de combinaison de stress thermique et salin. Enfin, des analyses transcriptomiques ont été effectuées au niveau du génome entier via un séquençage d'ARN. Elles mettent en évidence la régulation des gènes dans des populations pyrénéennes sélectionnées d'A. thaliana présentant des phénotypes tolérants au stress.
Les résultats obtenus ont révélé l'énorme plasticité phénotypique entre les populations étudiées en réponse aux contraintes de froid, de chaleur et/ou salines. Les analyses intégratives des données phénotypiques ont mis en évidence des populations dont les racines sont peu ou fortement impactées par la contrainte abiotique. Elles ont donc été classées en populations tolérantes ou sensibles au stress.
De plus, les analyses transcriptomiques des populations tolérantes ont mis en lumière les variations de leur expression génique sous les contraintes appliquées, avec un accent particulier sur les gènes liés à la paroi cellulaire et à l'homéostasie des ROS, car ils sont fortement corrélés aux phénotypes observés. Les résultats ont montré que dans les populations tolérantes au stress, davantage de gènes codant pour la paroi cellulaire, la lignine et la biosynthèse des anthocyanes étaient régulés à la hausse. Le réseau de gènes ROS était aussi fortement impliqué dans la réponse des plantes à la contrainte environnementale. Par exemple, les populations tolérantes ont activé de nouveaux gènes tels que les peroxydases de classe III dans leur réponse d'acclimatation. |
The plant acclimation and adaptation to abiotic stresses have been massively studied at different levels and in multiple aspects. Because plants are sessile, they have restricted dispersal that will limit their migration to regions with more convenient climatic frames. Hence, they are driven to achieve rapid acclimation to novel environmental conditions via their phenotypic plasticity. On the long term, plants can adapt to their local microenvironments via natural selection that enhances their fitness to their living niche. This mechanism is the basis of intraspecific natural diversity.
Intraspecific natural diversity is a powerful tool to study the plant’s response to environmental change. Arabidopsis thaliana has been adopted as a model species for such studies. In this study, A. thaliana natural populations from the French Pyrenees are studied to investigate the phenotypic and transcriptomic plasticity in response to thermal and saline stresses. The particular interest in these populations is that they originate from a geographically restricted area but with highly contrasted climates due to its mountainous nature.
Additionally, the study focuses on the plasticity displayed at the level of roots. Roots represent half of the plant’s body, and they serve fundamental roles throughout its lifecycle. Accordingly, the molecular regulations of reactive oxygen species (ROS) during root development are reviewed. Also, the root development of thirty A. thaliana Pyrenean populations in addition to Columbia (Col-0, Poland, 200 m) and Shahdara (Sha, Tajikistan, 3400 m) under combination of thermal and saline stresses was phenotyped. Lastly, transcriptomic analyses were performed at the whole-genome level via RNA sequencing to highlight the gene regulation in selected A. thaliana Pyrenean populations that displayed stress-tolerant phenotypes.
The obtained results revealed the enormous phenotypic plasticity between the studied populations in response to cold-, heat-, and/or saline stresses. The integrative analyses of the phenotypic data underscored populations with their roots being slightly or highly impacted by the abiotic constraint. They were accordingly classified as stress- tolerant or sensitive populations.
Then, the transcriptomic analyses of the tolerant populations shed light on the variations of their gene expression under the applied stresses, with particular focus on cell wall and ROS homeostasis related genes since they are highly correlated with the observed phenotypes. The results showed that in the stress-tolerant populations, more genes coding for cell wall, lignin, and anthocyanin biosynthesis were upregulated. Additionally, the ROS gene network was highly implicated in the plant response to the environmental constraint. In fact, tolerant populations activated novel genes such as class III peroxidases in their acclimation response. |