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International audience

International audience; Rapid adjustment of plant physiology and development to external fluctuations is critical for sessile organism, giving a singular interest to network signaling controlling these mechanisms. Among many adaptation processes, root plasticity is primordial to optimize nutrient acquisition but relies on a complex network integrating local and systemic (root shoot) signaling. Indeed, locally, plants invest resource in soil area where nutrients are available and systemically they adjust nutrient acquisition to the whole plant demand.Our main goal is to decipher systemic signaling underlying the perception of nitrate heterogeneous provision, in Arabidopsis. Using the split-root system, in which physically isolated root systems of the same plant were challenged with different environments, we previously demonstrated that cytokinin biosynthesis constitutes one critical component of root-shoot-root communication. By combining the use of cytokinin mutants with hormone measurements, transcriptomic analysis, nitrate uptake assays, and root growth measurements, we show that root to shoot trans-zeatin (tZ) translocation is likely crucial for long distance signaling controlling rapid sentinel gene regulation and long-term functional acclimation to heterogeneous nitrate supply. Interestingly, shoot transcriptome profiling revealed that glutamate/glutamine metabolism is likely a target of tZ root-to-shoot translocation, prompting an interesting hypothesis regarding shoot-to-root communication. Finally, this study also highlights tZ-independent pathways triggered by variation into nitrogen supply.

International audience

Plants are subjected to variable nitrogen (N) availability including frequent spatial nitrate (NO3-) heterogeneity in soil. Thus, plants constantly adapt their genome expression and root physiology in order to optimize N acquisition from this heterogeneous source. These adaptations rely on a complex and long distance root-shoot-root signaling network that is still largely unknown. Here, we used a combination of reverse genetics, transcriptomic analysis, NO3- uptake experiments and hormone profiling under conditions of homogeneous or heterogeneous NO3- availability to characterize the systemic signaling involved. We demonstrate the important role of the trans-zeatin form of cytokinin (CK) in shoots, in particular using a mutant altered for ABCG14-mediated trans-zeatin-translocation from the root to the shoot, in mediating: (i) rapid long distance N-demand signaling and (ii) long term functional adaptations to heterogeneous NO3- supply, including changes in NO3- transport capacity and root growthmodifications. We also provide insights into the potential CK-dependent and independent shoot-to-root signals involved in root adaptation to heterogeneous N availability.

International audience

Plants are sessile organisms growing in a heterogeneous and fluctuating environment. Thus, foraging for nutrients is an important trait for plant growth and development. Nitrogen (N), especially as nitrate (NO3-) form, is one limiting element for plant growth but is also highly mobile in the soil leading to frequent heterogeneity distribution. Plants are managing this constraint through the regulation of root development and NO3- uptake in the different parts of the root system according to the spatial NO3- availability and the N needs of the whole plant. This adaptation relies on a dual signaling pathway involving i) a local signaling related to external NO3- supply and ii) a root-shoot-root long-distance (systemic) signaling related to the plant N needs.. However, the molecular basis of the long-distance signaling as well as the regulatory mechanisms associated with, are not fully understood. They rely on the integration at the shoot level of signals originating from both NO3--supplied and N-deprived root parts. Therefore, the shoots have a key role for an efficient adaptation to heterogeneous NO3- environment through the adjustment of root physiology and development. Previously, cytokinin biosynthesis has been shown to be essential for both molecular and morphological root responses to NO3- heterogeneous environment. Moreover, it is known that upon NO3- supply, de novo biosynthesis of this hormone in the roots is increased along with its accumulation in the shoots. In this context, we hypothesized that cytokinins could correspond to an important root to shoot signal involved in NO3--dependent systemic signaling. The main objective of my PhD project was to decipher and understand how the shoots control root NO3- acquisition in response to spatial NO3- heterogeneity. To do so, we used the 'split-root' system, in which physically isolated roots of a same plant are challenged with different NO3- environments. In this framework, we characterized physiological, metabolic and molecular responses of Arabidopsis wild-type plants that we compared to responses of mutants impaired in cytokinin biosynthesis, acropetal transport or perception. The combination of these different approaches allowed me to demonstrate that cytokinins, and especially trans-zeatin species are indeed a root to shoot messenger that is crucial for root responses to spatial NO3- heterogeneity. Moreover, I have shown that NO3- heterogeneous supply compared to homogeneous supply triggers a substantial reprogramming of gene expression in aerial part, which largely depends on this trans-zeatin transport toward the shoots. Finally, the integration of these transcriptomic modifications into gene networks led to the identification of interesting candidate genes to characterize the shoot-to-root signaling.; Les plantes sont des organismes sessiles se développant dans un environnement hétérogène et fluctuant. La capacité d'acquisition des nutriments par le système racinaire est donc un caractère important pour leur croissance et leur développement. L'azote (N), notamment sous forme nitrate (NO3-), fait partie de ces éléments qui sont limitant pour la croissance des plantes mais aussi très mobiles dans le sol donc fréquemment distribués de façon hétérogène. Les plantes s'adaptent à cette contrainte en modulant le développement racinaire ainsi que la capacité de transport de ce nutriment dans les différentes parties du système racinaire en fonction de la disponibilité en NO3- et du besoin en azote (N) de la plante entière. Cette adaptation repose donc sur la combinaison de deux voies de signalisation, i) une signalisation locale dépendante de la disponibilité en NO3- dans le milieu extérieur ii) une signalisation longue distance (ou systémique) racines-feuilles-racines relative au besoin en N de la plante entière. Toutefois, les bases moléculaires de la signalisation longue distance comme les mécanismes de régulation qui y sont associés ne sont pas totalement connus. Ils reposent sur l'intégration au niveau des parties aériennes de signaux d'origine racinaire, provenant des racines exposées au NO3- mais aussi de celles qui en sont privées. Les parties aériennes jouent alors un rôle majeur dans la modulation de la physiologie et du développement racinaire en condition de disponibilité hétérogène en NO3-. Des études précédentes ont montré que la biosynthèse de cytokinines est essentielle pour la mise en place de cette réponse adaptative. De plus, il est connu qu'après un apport de NO3-, la biosynthèse de cette hormone dans les racines puis son accumulation dans les parties aériennes est augmentée. Dans ce contexte, nous avons émis l'hypothèse que les cytokinines pourraient correspondre à un messager racines/feuilles important pour la signalisation systémique NO3--dépendante. L'objectif de mon projet de thèse consistait à comprendre comment les parties aériennes contrôlent l'acquisition racinaire du NO3- en condition de disponibilité hétérogène en NO3-. Pour reproduire cette condition en laboratoire, le système de 'split-root', permettant de séparer le système racinaire en deux parties isolées pouvant être traitées différemment, a été utilisé pour exposer les plantes à différentes conditions de disponibilité en NO3-. Dans ces différentes conditions, les réponses moléculaires, métaboliques et physiologiques ont été caractérisées chez des plantes sauvages d'Arabidopsis et comparées à celles de mutants affectés dans la biosynthèse, le transport acropetal ou encore dans la perception des cytokinines. La combinaison de ces différentes approches m'a ainsi permis de démontrer que les cytokinines, et plus précisément les trans-zéatines, sont effectivement un messager racines-feuilles crucial pour la mise en place des réponses de la racine à une disponibilité hétérogène en NO3-. De plus, j'ai montré que l'apport hétérogène en NO3- comparé à l'apport homogène entraîne une importante reprogrammation de l'expression génique dans les parties aériennes qui est largement dépendante de ce transport de trans-zéatines vers les feuilles. Enfin, l'intégration de ces données transcriptomiques au sein de réseaux géniques a permis d'identifier des gènes candidats intéressants comme acteurs possibles de la signalisation feuilles-racines

International audience

The long-distance signaling network allowing a plant to properly develop its root system is crucial to optimize root foraging in areas where nutrients are available. Cytokinin is an essential element of the systemic signaling network leading to the enhancement of lateral root proliferation in areas where nitrate is available. Here, we explore more precisely: (i) which particular traits of lateral root growth (density and length of emerged lateral roots) are the targets of systemic signaling in a context of heterogeneous nitrate supply; and (ii) if the systemic signaling depends only on cytokinin or on a combination of several signalings.

Imagerie calcique plante entière : les avantages de l’utilisation de l’aequorine (bioluminescence) et les contraintes techniques. 6 èmes Journées Scientifiques et Techniques du Résau des Microscopistes de l'INRA

Nutrient and salt stress sensing by roots induces long distance calcium signalling in leaves. International Symposium on Plant Signaling and Behavior