Modifications physiologiques, biochimiques et moléculaires associées à la sénescence

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Régulation de la sénescence séquentielle

Des approches physiologiques, biochimiques et moléculaires sont menées depuis plusieurs décennies afin de mieux appréhender les facteurs endogènes et exogènes impliqués dans la régulation de ce processus.

Facteurs endogènes

Les facteurs endogènes déclenchant la sénescence interviennent lors du vieillissement de la feuille. En effet, dès que la feuille atteint sa maturité, elle entre en sénescence afin de pe ett e l e po tatio des ut i e ts vers les organes en croissance (Guo et Gan, 2005).
L a u ulatio des ROS et la di i utio de l a ti it photos th ti ue so t aussi des fa teu s qui induisent la sénescence des feuilles, mais il est difficile de déterminer avec précision si ces facteurs sont la cause ou la conséquence de l i du tio de la sénescence (Guo et Gan, 2005). D aut es fa teu s e dog es o e les glucides (et plus précisément, une augmentation du rapport C:N), les ph toho o es et l e p essio de fa teu s de t a s iptio so t galement connus pour participer à la régulation de ce processus.

Les glucides et rapport C:N

Chez différentes espèces telles que la tabac (Wingler et al., 1998) et la tomate (Dai et al., 1999), plusieurs études ont montré que des niveaux élevés en glucides peuvent induire la sénescence des feuilles matures (Weaver et Amasino, 2001; Parrott et al., 2005; Wingler et al., 2009). En effet, leur accumulation dans les feuilles provoque une diminution de la photosynthèse et ainsi, une induction de la sénescence foliaire (Quirino et al., 2000; Rolland et al., 2002). Ce signal « glucides » serait associé au rétrocontrôle négatif des glucides sur l e p essio des g es de la photos th se et l aug e tatio de l a ti it de l he oki ase
(HXK) (Rolland et al., 2002; Zhang et Zhou, 2013). En effet, les plantes de tomates su e p i a t l e z e HXK d Arabidopsis thaliana sont plus sensibles aux glucides et présentent une sénescence foliaire précoce (Dai et al., 1999).
D aut es tudes o t o t u un faible apport d azote associé à un fort apport de glucose induit rapidement la sénescence (Wingler et al., 2005 . E out e, l effet de la ut itio azotée sur la sénescence interagit aussi avec la lumière. En effet, une étude conduite par Ono et al. (1996) sur des plantules de tournesol cultivées avec deu i eau d lai e e t µmol m-² s-1 et 150 µmol m-² s-1 et deu i eau d azote M et , M de NO3-), montre que la carence azotée induit moins vite la sénescence chez les plantules cultivées sous faible éclairement, celle- i ta t i apa les d a u ule des glucides. Le rapport C:N a également un effet sur la sénescence. En effet, la sénescence peut être induite par une forte teneur en C associée à une faible teneur en N soit un fort rapport C:N (Wingler et al., 2005; Aoyama et al., 2014). Ainsi, une limitation e N i al i duit plus fo te e t la s es e e lo s u elle est combinée à un ajout de glucose (Wingler et al., 2005; Aoyama et al., 2014).

Acide abscissique (ABA)

L i pli atio de l ABA dans la régulation positive de la sénescence foliaire est relativement bien établie. Ainsi, il a été démontré que les teneurs en ABA augmentaient dans les feuilles sénescentes et u u e appli atio e og e d ABA induisait une augmentation de l e p essio de plusieurs gènes SAGs (Zhang et al., 2012; Figure I.10) ainsi que la production de peroxyde d h d og e (Weaver et al., 1998; Lim et al., 2007; Choi et Hwang, 2011). De plus, une application exogène d ABA s a o pag e d u e augmentation de la peroxydation lipidique et l’induction des activités des protéases et des RNases, des évènements connus pour être associés à la sénescence (Panavas et al., 1998). Au niveau sig al ti ue, l ABA agit via un récepteur membranaire appelé RPK1 (receptor-like kinase) do t l e p essio aug e te au cours de la progression de la sénescence foliaire (Serwat et al., 2013). En outre, il a été démontré que des mutants Knoco-Out (KO)-RP1 d Arabidopsis thaliana montrent une insensibilité à l’ABA se traduisant pa u e a se e d i du tio de la s es e e pa ette phytohormone (Lee et al., 2011).

Acide salicylique (AS), éthylène, acide jasmonique (AJ) et autres phytohormones

L aug entation de la teneur en acide salicylique (SA) dans les feuilles sénescentes (environ 4 fois plus élevée que dans les feuilles non sénescentes) suggère une implication de cette phytohormone dans la régulation positive de la sénescence (lim et al., 2003, 2007). Cette hypothèse est confortée par une étude réalisée par Morris et al. (2000) qui montre u u défaut de sa synthèse e t aî e u eta d de la s es e e et u e di i utio de l e p essio du gène SAG12 chez Arabidopsis thaliana.
L th l e est également connu pour induire la sénescence foliaire (Abeles et al., 1988) puisque de nombreux gènes impliqués dans sa synthèse sont induits durant la sénescence chez Arabidopsis thaliana. Ainsi, des uta ts d Arabidopsis thaliana insensibles l th l e présentent un retard de sénescence par rapport au type sauvage (Lim et al., 2007). Par ailleurs, il a été observé une répression de plusieurs gènes SAGs (SAG1, SAG2 et SAG12) associée à un retard dans la s es e e hez d aut es uta ts p se ta t des perturbations dans la voie de signalisation de l th l e (mutants etr1-1, ein2-1 et ein1-1; G ić et Bleecker, 1995; Wojciechowska et al., 2018; Figure I.10).

Absorption racinaire de Si

A la différence des autres ions min au , l acide monosilicique est une molécule non chargée lorsque le pH de la solution du sol est inférieur à 9. De ce fait, il peut diffuser au travers la membrane plasmique des cellules racinaires. Il peut aussi être absorbé dans les cellules racinaires via des processus de diffusion facilitée (p se e d a uapo i es). En effet, l appli atio a i ai e de hlo u e de e u e ui lo ue la fonction de ces canaux engendre une chute de la concentration symplatique en Si des cellules racinaires à une valeur inférieure elle esu e au i eau de l apoplaste hez le iz, le oncombre et la tomate (Mitani et Ma, 2005).
Outre la diffusion passive, le Si peut être absorbé grâce à un transporteur, caractérisé pour la première fois chez le riz par Ma et al., 2006 par criblage de mutants présentant une faible absorption de Si. Ce transporteur spécifique, saturable par le Si, nommé OsLsi1 permet le prélèvement de Si de la solution du sol via un processus actif (Mitani et Ma, 2005). Chez d aut es esp es telles ue le o o e et la to ate, il a t o t ue l a so ptio de Si s effe tue aussi via des transporteurs de type Lsi1 (Ma et Yamaji, 2006 et ue l appa te a e de es pla tes des g oupes d a u ulateu s diff e ts d pe d essentiellement de leur densité au sein de la racine (riz>concombre>tomate) (Mitani et Ma, 2005; Ma et Yamaji, 2006).

Transferts de Si dans la plante

U e fois da s les ellules de l e dode e a i ai e, le Si est p is e ha ge pa u aut e transporteur, nommé Lsi2, mis en évidence également pour la première fois chez le riz (Ma et al., 2006; Ma et Yamaji, 2015). Il permet le transfert du Si des cellules corticales vers le xylème (Ma et al., 2007; Ma et Yamaji, 2015). Toutefois, hez d aut es esp es telles ue le concombre, le chargement en Si du xylème peut également se faire par diffusion passive à travers la membrane plasmique des cellules corticales (Ma et Yamaji, 2015). Une fois dans la stèle, une partie du Si est déposée au niveau des parois des cellules des vaisseaux xylémiques (Balasta et al., 1989) où il empêche la compression des vaisseaux lorsque le flux transpiratoire.

Caractéristiques fonctionnelles des transporteurs de Si

Les transporteurs Lsi1 et Lsi6 appartiennent à la famille des aquaporines et à la sous-famille des Nodular-26-like Intrinsic Proteins (NIPs), qui assurent le tra spo t de l eau et/ou de petits solutés non chargés transportés de façon sélective, tels que le glycérol, l’acide la ti ue, l’a o ia , l’a ide o i ue, l’a s ite, le s l ite et l a ide sili i ue Wallace et Roberts, 2005; Zhao et al., 2010; Bienert et Chaumont, 2011). Les NIPs sont des protéines tétramériques possédant six domaines transmembranaires (Figure I.14). La sélectivité des NIP est liée à la présence de deux motifs NPA (Asn-Pro-Ala ai si u uat e a ides a i s formant un filtre de sélectivité o stitu d u a ide a i a o ati ue et d u e arginine (Wu et Beitz, 2007; Mitani-Ueno et al., 2011).
Tous les transporteurs Lsi1 appartenant au groupe NIPIII possèdent un filtre composé de résidus GSGR (Gly-Ser-Gly-Arg; Figure I.15). Récemment, des transporteurs de Si appartenant à une autre sous-famille de NIPs ont été mis en évidence chez la prêle (Equisetum arvense; EaNIP3s; Grégoire et al., 2002), l u e des espèces végétales la plus accumulatrice de Si (Ma et al., 2001; Hodson et al., 2005). Contrairement aux autres transporteurs Lsi1, les EaNIP3s sont caractérisés pa la p se e d u filt e de s le ti it disti t appel STAR Th -Ala-Arg, Figure I.15; Grégoire et al., 2012). Le transporteur Lsi2 a d a o d t ide tifi hez le iz (Ma et al., 2007), puis par la suite, des gènes orthologues ont été isolés chez l’orge (HvLsi2), le maïs (ZmLsi2; Mitani et al., 2009a) et la citrouille (CmLsi2; Mitani et al., 2011). Ils appartiennent à une famille de transporteurs putatifs d’anions non caractérisés à ce jour et possédant 11 domaines transmembranaires. Ces transporteurs présentent des similitudes avec le transporteur d’arsénite (ArsB) identifié chez les procaryotes (Ma et al., 2007).

Les effets bénéfiques du Si

Bien que le Si ne soit pas considéré comme un élément essentiel pour les plantes, il est classé par de nombreux auteurs parmi les éléments leur étant bénéfiques (Guntzer et al., 2012a; Liang et al., 2015 . E effet, le Si d pos au i eau de l pide e des feuilles et des tiges peut améliorer la croissance des plantes, accroitre le rendement (Kuai et al., 2017) et augmenter leur résistance à différents stress biotiques et abiotiques (Côté-Beaulieu et al., 2009). Les effets bénéfiques du Si sont généralement seulement observés lorsque les plantes sont soumises à des stress biotiques et abiotiques.

Effets bénéfiques du Si chez les plantes soumises à stress biotique

De o euses tudes o t e t u u appo t de Si duit la sévérité des maladies fongiques telles que le mildiou chez le blé et le riz, l’oïdium chez l’orge, le blé, le concombre et le melon (Miyake et Takahashi 1978). En outre, chez le riz, les dégâts causés par les cicadelles sont réduits chez les plantes ayant reçu du Si (+Si) comparativement aux plantes témoins (-Si) (Guével et al., 2007; Ma et Yamaji, 2015). Une autre étude réalisée par De Ameida et al. (2008) o t e u u e appli atio foliai e de sili ate de al iu pe da t jou s entraîne une mortalité de Thrips palmi, réduisant ainsi les dommages causés par ce ravageur de l au e gi e. Le Si améliore également la résistance de la tomate aux fusarioses causées par Fusarium oxysporum f. sp radicis-lycopersicib (Huang et al., 2011).

Effets bénéfiques du Si chez les plantes soumises à un stress abiotique

Au cours des dernières décennies, il a été montré u u appo t de Si pe ettait aux plantes de mieux tolérer au nombreux stress abiotiques tels que l e positio au basses et hautes températures (Agari et al., 1998, Epstein, 2001; Ma, 2004; Liang et al., 2007), le vent, la sécheresse, la salinité (Bybordi, 2012), la toxicité aux métaux lourds (Cd et Al, notamment) et la toxicité liée l e s de certains éléments nutritifs (Mn, Fe et P) (Ma et al., 2001). A titre d e e ple, des tudes o t e t u u appo t de Si améliore la tolérance du riz au stress salin (Matoh et al., 1991; Ma et al., 2001, Etesami et jeong, 2018).

Table des matières

Introduction générale
Chapitre I : Synthèse bibliographique
I. Généralité sur le colza
I.1. Cycle de développement
I.2. La nutrition azotée
a. l͛EffiĐieŶĐe d͛AďsoƌptioŶ de l͛Azote ;EAďAͿ :
b. L͛EffiĐieŶĐe d͛UtilisatioŶ de l͛Azote ;EUtAͿ :
I.3. SĠŶesĐeŶĐe foliaiƌe et ƌeŵoďilisatioŶ de l’azote
I.3.A. Définition de la sénescence :
I.3.B. Les différents types de sénescence
a. La sénescence séquentielle
b. La sénescence monocarpique
I.3.C. Modifications physiologiques, biochimiques et moléculaires associées à la sénescence
I.ϯ.C.ϭ. La phase d’iŶitiatioŶ de la sĠŶesĐence
I.3.C.2. La phase de réorganisation de la sénescence
I.3.C.3. Phase terminale de la sénescence
I.3.D. Régulation de la sénescence séquentielle
1. Facteurs endogènes
a. Les glucides et rapport C:N
b. Les hormones
2. Facteurs exogènes
II. Le silicium
II.1. Le silicium dans le sol
II.2. Le silicium chez les plantes
II.Ϯ.ϭ. MĠĐaŶisŵes d’aďsoƌptioŶ et de tƌaŶsfeƌt du Si
II.2.1.A. Absorption racinaire de Si
II.2.1.B. Transferts de Si dans la plante
II.2.1.C. Caractéristiques fonctionnelles des transporteurs de Si
II.2.2. Accumulation de Si chez les plantes
II.2.3. Les effets bénéfiques du Si
II.2.3.A. Effets bénéfiques du Si chez les plantes soumises à stress biotique
II.2.4.B. Effets bénéfiques du Si chez les plantes soumises à un stress abiotique
II.Ϯ.ϰ. Mode d’aĐtion du Silicium
II.2.4.A. Mode d’action du Si chez les plantes soumises à un stress biotique
a. Renforcement de la barrière physique
b. Stimulation des mécanismes de défense
II.Ϯ.ϰ.B. Mode d’aĐtioŶ du Si Đhez les plaŶtes souŵises à uŶ stƌess Ŷutƌitionnel
III. Problématique et objectifs de recherche
Chapitre II : Matériels et méthodes
I. Matériel végétal et conditions de culture
I.1. Culture des plantes en conditions contrôlées (articles 1 et 3)
I.2. Culture des plantes en conditions de plein champ (cases lysmétriques; article 2)
II. Analyses physiologiques, élémentaires et biochimiques
II.1. Mesuƌe de l’aĐtivitĠ photosLJŶthĠtiƋue et estiŵatioŶ de la teŶeuƌ eŶ ĐhloƌophLJlles (Articles 1 et 3)
II.1.1. Estimation de la teneur en chlorophylles (Articles 1 et 3)
II.1.2. Mesuƌe de l’aĐtivitĠ photosLJŶthĠtiƋue ;AƌtiĐles ϭ et ϯͿ
II.2. Analyses élémentaires
II.2.1. AŶalLJse de l’azote total paƌ speĐtƌoŵĠtƌie de ŵasses isotopiƋues ;IRMSͿ ;AƌtiĐles 1 et 2)
II.2.2. Analyses multi-élémentaires par spectrométrie de masse haute résolution à plasma à couplage inductif (ICP-MS-HR) (Article 2)
II.2.3. Dosage du Silicium (Si) par colorimétrie (Article 1)
II.3. Analyses biochimiques
II.3.1. DĠteƌŵiŶatioŶ des teŶeuƌs eŶ peƌodžLJde d’hLJdƌogğŶe ;H2O2) (Article 1)
II.3.2. Détermination des teneurs en malondialdehyde (MDA) (Article 1)
II.3.3. Détermination des teneurs en cytokinines (Article 1)
II.3.4. Détermination des teneurs en huile, en protéines et en glucosinolates des graines
par analyses NIRS (Near InfraRed Spectroscopy)
II.4. Analyses moléculaires
II.4.1. Extraction des ARNtotaux et aŶalLJses de l’edžpƌessioŶ des gğŶes paƌ PCR ;AƌtiĐles ϭ et 3)
II.4.2. AŶalLJse diffĠƌeŶtielle de l’edžpƌessioŶ des gğŶes paƌ RNA-Seq (Article 3)
III. MĠthodes d’aŶalLJses statistiƋues
Chapitre III: Résultats
III.1. Silicon Promotes Growth of Brassica napus L. and Delays Leaf Senescence Induced by Nitrogen Starvation
III.1.A. Introduction
III.1.B. Materials and methods
a. Plant Growth Conditions and Experimental Design
b. Chlorophyll Contents and Net Photosynthetic Activity of the Mature Leaf
c. Total Nitrogen and Silicon Analysis
d. RNA Extraction, Reverse Transcription, Q-PCR and Semi Quantitative PCR Analysis…. 48
e. Cytokinin Analysis by UHPLC-MS/MS
f. Determination of Hydrogen Peroxide (H2O2) and Malondialdehyde (MDA) Contents.. 51
g. Statistical Analysis
III.1.C. Results
a. Plant Growth, Si and N Uptakes and Root Cytokinin Content in Brassica napus Treated With Silicon (Day 0)
b. Effect of Si Pretreatment on the Evolution of Physiological Indicators of Leaf Senescence
c. Effect of Si Pretreatment on the Evolution of Molecular Indicators Senescence and
Cytokinin, Malondiadehyde and Hydrogen Peroxide Contents in Mature Leaf
d. N Uptake and N Transporter Gene Expression After the N Resupply Period in NDeprived Plants Previously Pretreated or Not Treated With Si
III.1.D. Discussion
III.1.E. Conclusion
III.2. Silicon supply promotes agronomic performances of Brassica napus cultivated under filed conditions
III.2.A. Introduction
III.2.B. Materials and methods
a. Site, climatic conditions and lysimeter description
b. Experimental design
c. Determination of percentage of green and senescent leaf
d. Elemental analysis
e. Determination of oil, protein and glucosinolate concentrations in mature seeds with
Near Infrared Spectroscopy (NIRS)
f. Determination of nitrogen use efficiency indexes
g. Statistical analysis
III.2.C. Results
a. Effect of silicon supply on plant growth and leaf development
b. Effect of silicon supply on yield and seed quality components
c. Effect of silicon supply on elemental seed composition
d. Effect of silicon on nitrogen use efficiency components of plants
III.2.D. Discussion
III.1.E. Conclusion
III.3. Silicon supply broadly affects the root transcriptome of Brassica napus L
III.3.B. Materials and methods
a. Seedling growth and Si treatment
b. Silicon analysis
c. RNA extraction and RNA sequencing (RNAseq) technology
d. RNAseq bioinformatic analysis
e. RNA-Seq data management
f. Statistical Analysis
III.3.C. Results and discussion
III.3.D. Conclusion
Chapitre IV: Discussion générale
Chapitre V: Principales perspectives
Chapitre VI: Références bibliographiques

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