DIversité - Adaptation - DEveloppement des plantes

Les racines remplissent des fonctions primordiales pour la plante telles que l’ancrage dans le sol et l’exploration de ce dernier pour le prélèvement des ressources nutritives (eau et minéraux). Le développement du système racinaire repose en grande partie sur la capacité de la plante à créer de nouveaux axes racinaires, soit à partir de tiges (rhizogenèse adventive) soit à partir de racines (rhizogenèse latérale). Ce processus d’initiation de nouveaux méristèmes racinaires permet à la plante d’adapter son architecture racinaire à différents paramètres du sol comme la disponibilité en eau, en nutriments ou la présence d’agents biotiques. Par exemple, la capacité des racines à réguler l’absorption et le transport de l’eau qui alimente le flux transpiratoire, de manière à maintenir un équilibre entre offre et demande, est essentielle pour le bon développement de la plante et son adaptation à des conditions environnementales changeantes. Elle dépend à la fois des aspects de développement racinaire, mais aussi de fonctionnalité des racines sur le plan hydraulique. Décrypter les mécanismes sous-tendant le développement des racines et les mécanismes physiologiques associés représentent aujourd’hui un enjeu majeur afin de proposer de nouvelles voies d’amélioration des plantes cultivées. 

 

Les céréales fournissent près de 50% des calories alimentaires de l’humanité, mais leur rendement est soumis à des contraintes édaphiques très variées. L’appareil racinaire des céréales, très ramifié, est principalement constitué de racines adventives ou coronaires et de différents types de racines latérales qui peuvent présenter plusieurs ordres de ramification.

 

Nos programmes de recherche visent à identifier les déterminants génétiques contrôlant la croissance, la ramification et les caractéristiques hydrauliques  racinaires chez le riz et le mil. La régulation de l’organogénèse racinaire est parallèlement étudiée chez A. thalianaet la comparaison de ces processus entre ces différentes plantes modèles éclaire sur l’évolution des mécanismes de la rhizogenèse entre dicotylédones et monocotylédones d’une part, et entre rhizogenèse adventive et latérale d’autre part. 

 

De plus, nous cherchons à mieux comprendre le rôle fonctionnel de différents types racinaires dans l’adaptation au stress hydrique et à une carence minérale à travers l’étude de leurs caractéristiques : 

- hormonales, en lien avec la perception et la signalisation du jasmonate,

- hydrauliques, en lien avec l’architecture, l’anatomie et le rôle des aquaporines.

 

Une de nos perspectives est d’identifier des gènes et des allèles influant sur ces caractéristiques, et susceptibles d’être utilisés pour la sélection variétale (assistée par marqueurs moléculaires et des  approches de biologie des systèmes) et la définition d’idéotypes adaptés à différents milieux.

 

Ainsi, les recherches de l’équipe CERES s’articulent autour de 3 questionnements scientifiques principaux :

 

Quels sont les déterminants génétiques contrôlant des caractères racinaires pouvant jouer un rôle dans l’adaptation aux stress hydrique et à la carence minérale ?

L’architecture racinaire décrit l’organisation spatiale des racines dans le sol et joue un rôle majeur dans la performance agronomique des céréales en affectant les processus physiologiques contrôlant le rendement. Des idéotypes racinaires permettant d’optimiser l’acquisition d’eau et de nutriments ont ainsi pu être proposés chez certaines espèces. Exploitant des collections de variétés de mil ou de riz cultivés et sauvages, les déterminants génétiques contrôlant la croissance des racines coronaires chez le riz et de la racine séminale chez le mil, toutes deux supposées jouer un rôle adaptatif, sont recherchés par une stratégie de GWAS (Genome Wide Association Studies). Par ailleurs, chez Arabidopsis et chez le riz, les mécanismes génétiques contrôlant la rhizogenèse post-embryonnaire à partir de différents organes sont explorés par une approche originale combinant transcriptomique, inférence de réseaux de gènes, biologie des systèmes et outils classiques de biologie cellulaire et de génétique. Chez Arabidopsis, plante dicotylédone, la ramification de la racine principale contribue principalement à l’architecture racinaire. Chez le riz, l’essentiel du système racinaire est formé par des racines coronaires émergeant de la base des tiges. L’utilisation parallèle de ces deux espèces modèles permet le transfert d’outils et de connaissances de l’une à l’autre, et la comparaison des données expérimentales obtenues sur ces deux types de développement racinaire. 

 

Quel est le rôle du jasmonate dans les réponses associées au développement racinaire et à la réponse aux stress abiotiques chez le riz ?

La définition d’appareils racinaires capables de maintenir la nutrition hydrominérale de la plante sous stress nécessite, outre l’acquisition de connaissances précises sur les déterminants génétiques contrôlant le développement de l’appareil racinaire, de mieux comprendre comment un stress impacte son développement. Le jasmonate est au cœur des processus liant la régulation des réponses aux stress au développement des plantes. Nous avons choisi d'utiliser à notre avantage le fait que de nombreuses réponses aux contraintes environnementales sont régulées par le jasmonate pour mieux comprendre les interactions entre un stress et le développement. Dans ce contexte, des approches de génétique et de biologie fonctionnelle sont développées chez le riz pour étudier comment un stress jasmonate-dépendant est perçu et transmis dans les racines, et comment sont orchestrées les réponses associées au développement racinaire et à la réponse aux stress. L’originalité de ces recherches repose sur l’analyse fine et intégrée à la fois du processus développemental racinaire et de l’impact d’un stress sur ce processus à l’échelle de l’organe mais également à l’échelle cellulaire et moléculaire. 

 

Quelle est la contribution des propriétés hydrauliques du système racinaire à la résistance de la plante au stress hydrique et à la carence minérale ? 

La productivité d’une culture est de manière mécanique et inévitable liée à la consommation d’eau. En condition de déficit en eau, la limitation de la transpiration pendant les heures de la journée ayant la plus forte demande évaporatoire s’avère être une solution afin d’optimiser la consommation d’eau, maintenant prouvée sur de nombreuses espèces. L’hypothèse de travail est que la limitation de la transpiration sous forte demande évaporatoire pourrait être due à des différences entre génotypes touchant l'hydraulique racinaire. Dans le cadre de cette hypothèse nos travaux visent donc à caractériser la relation entre des aspects architecturaux, anatomiques et fonctionnels de la racine et ses caractéristiques hydrauliques, pour ensuite établir un lien possible avec le contrôle des pertes en eau au niveau de l’appareil végétatif aérien. Ces études visant à caractériser les interactions entre transport d’eau racinaire et transpiration intègrent également le rôle du rhizobiome, en particulier mycorhizien, qui participerait à améliorer les propriétés hydrauliques de la racine en condition de stress hydrique et de carence minérale. Ces approches combinent des méthodes de phénotypage en serre et au champ de traits racinaires architecturaux, anatomiques et fonctionnels, et de modélisation. Le but ultime est de mieux comprendre la relation et l’impact de ces traits racinaires sur l’optimisation de l’eau par la plante.

Recherches
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