DS05 - Sécurité alimentaire et défi démographique

Identification of proteins involved in the fate of uranium in plants – GreenU

Devenir de l’uranium dans la plante pour le développement de biotechnologies végétales

La pollution de l'environnement par les métaux tels que l’uranium est très préoccupante car ces toxiques non biodégradables s'accumulent dans les écosystèmes et contaminent ensuite la chaîne alimentaire. Des efforts de recherche fondamentale sont indispensables pour établir des stratégies d'assainissement des écosystèmes contaminés

Comment l’uranium pénètre-t-il et se distribue-t-il dans la plante ?

L'uranium (U) est un radionucléide naturellement présent dans la croûte terrestre. Il est principalement redistribué dans l'environnement par les activités anthropogéniques que sont l'extraction de l’U et du phosphate, l'industrie nucléaire, les activités militaires et la fertilisation phosphatée des sols. L’U peut s’accumuler localement à des concentrations qui présentent des risques pour les écosystèmes, les agrosystèmes et la santé humaine. En effet, ce radionucléide est surtout chimiotoxique et potentiellement radiotoxique (l’U naturel a une faible radioactivité spécifique) pour tous les organismes vivants. Même si l’U n'est pas un élément essentiel pour les plantes, il est absorbé, incorporé dans la biomasse, et par conséquent entre dans la chaîne alimentaire. <br />L’objectif du projet GreenU est de mieux comprendre les mécanismes moléculaires qui régissent le devenir de l’U dans les plantes. Cela comprend la caractérisation des transporteurs d’U impliqués dans l'absorption par les racines, la translocation vers les parties aériennes, la distribution dans les structures cellulaires de la plante, ainsi que l'identification et la caractérisation biochimique des protéines qui interagissent avec l’U (‘U-binding proteins’). <br />La caractérisation de ces protéines (transporteurs et ‘U-binding proteins’) fournira de nouvelles connaissances fondamentales sur le transfert de l’U du sol vers les plantes, sa toxicité chimique et ses modes de détoxication. Ces connaissances sont une condition préalable à une gestion durable de ce radionucléide dans les sols pollués et dans la chaîne alimentaire.

Pour identifier et caractériser les transporteurs impliqués dans le trafic d'U chez A. thaliana, les plantes sont cultivées en condition hors sol. Elles sont soumises à des conditions de culture permettant des modifications d’expression des gènes codant des transporteurs d’éléments essentiels. L’accumulation et la distribution de l’U sont ensuite déterminées par spectrométrie de masse à plasma inductif. Les conditions induisant une incorporation massive de l'U sont caractérisées et les transporteurs impliqués seront identifiés. Des systèmes d'expression hétérologues (bactéries, levures …) seront utilisés pour la production et la caractérisation fonctionnelle des transporteurs sélectionnés.
Les protéines capables de lier l'U seront purifiées par chromatographie d'affinité sur métal immobilisé (ion uranyle, UO22+) ou par des techniques conventionnelles de chromatographie liquide (échange d'ions, filtration sur gel...) qui préservent les interactions protéine-métal. Les protéines seront ensuite identifiées par spectrométrie de masse en tandem. Les ‘U-binding proteins’ candidates seront purifiées sous forme de protéines recombinantes et leur capacité à lier l’U et d'autres métaux sera analysée par différentes approches. Pour mieux comprendre les mécanismes de liaison de l'U aux cibles protéiques, les structures 3D seront déterminées par cristallographie aux rayons X ou par résonance magnétique nucléaire (RMN).
La caractérisation des transporteurs candidats et des U-binding proteins se fera in planta à l'aide soit de mutants d'Arabidopsis qui n’expriment plus les gènes d’intérêt soit de plantes qui les surexpriment. Ces lignées seront analysées pour déterminer leur sensibilité à l'U et la distribution de l'U dans la plante.

Des expériences réalisées sur des plantes d’Arabidopsis thaliana ont permis de mettre en évidence les conditions de culture qui favorisent une accumulation d’U dans la plante. Des expériences de compétition sont actuellement réalisées afin de confirmer ces résultats. Cela permettra de mettre en place dans un futur proche les expériences ad hoc afin d’identifier les transporteurs d’éléments essentiels qui sont impliqués dans l’entrée de l’U dans les racines.
Des approches biochimiques in vitro et in vivo ont été réalisées afin de purifier et d’identifier des ‘U-binding proteins’ qui peuvent être des cibles potentielles de toxicité et/ou être impliquées dans la séquestration et la détoxication de l’U. Nous avons actuellement identifié et étudié en détail une U-binding protein. Cette protéine a été surexprimée dans E. coli et purifiée à homogénéité. Les études biochimiques ont confirmé qu’elle fixait l’U et son étude structurale est en cours. Les expériences préliminaires réalisées in planta sur des mutants d’Arabidopsis qui n’expriment plus cette U-binding protein montrent que la distribution de U dans la plante est modifiée.
Le partenaire 1 de ce projet fait partie depuis quelques mois d’un consortium de scientifiques qui travaillent sur une Zone Atelier, la ZATU (Zone Atelier des Territoires Uranifères). La ZATU se situe sur une ancienne mine d’U exploitée dans les années 50. Nous allons y effectuer des analyses pour étudier le transfert sol/plantes dans cet écosystème riche en U et autres métaux polluants.

Ce projet va permettre d’acquérir des connaissances fondamentales sur les différents mécanismes moléculaires qui contrôlent l’entrée de l’uranium dans la plante, sa translocation vers les parties aériennes et sa séquestration à l’intérieur de la plante ainsi que sur la toxicité de cet élément. La connaissance de ces mécanismes est un prérequis pour le développement de biotechnologies végétales notamment de phytomanagement

? Dans le cadre de l’étude du devenir de l’uranium chez Arabidopsis (cadre du projet GreenU), nous avons analysé l'impact de l'uranium sur les processus physiologiques et cellulaires qui contrôlent le développement et l'architecture des racines. Ce travai

Uranium (U) is a naturally-occurring radionuclide in the Earth’s crust. It is principally redistributed in the environment by anthropogenic activities including U and phosphate mining, nuclear industry, military activities, and soil fertilization. Uranium may locally accumulate to concentrations that pose potential risks for ecosystems, agrosystems, and ultimately human health. Indeed, this radionuclide is chemotoxic and potentially radiotoxic (natural U has a low specific activity) for all living organisms. Even if U is not essential for plants, it is taken up from the soil, incorporated into the biomass, and consequently enters the food chain. Thus, contamination of soils by U and its absorption by plants represent a significant health risk for human beings. The aim of the GreenU project is to gain insight into the molecular mechanisms governing the fate of U in plants. This includes the characterization of U transporters involved in the uptake by roots, translocation to shoot organs, distribution in plant cellular structures (cell wall, vacuoles…), as well as the identification of cellular proteins that interact with U (U-binding proteins). The characterization of these proteins will provide new insights into the chemical toxicity of U in plants and is a prerequisite for a durable management of U in polluted soils and in the food chain.

Project coordinator

Monsieur Jacques Bourguignon (Laboratoire de physiologie cellulaire végétale)

The author of this summary is the project coordinator, who is responsible for the content of this summary. The ANR declines any responsibility as for its contents.

Partner

LPCV Laboratoire de physiologie cellulaire végétale
LCBM Laboratoire de Chimie et Biologie des Métaux
IBS Institut de biologie structurale

Help of the ANR 481,680 euros
Beginning and duration of the scientific project: December 2017 - 48 Months

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