DS0501 - Productions durables

Identification de régulations moléculaires majeures impliquées dans l’adaptation des plantes à la disponibilité en azote – IMANA

Identification of key Molecular switches for the Adaptation to Nitrogen Availability in plants

Despite the in-depth knowledge on N metabolism, only recently molecular players involved in these regulatory circuits have been discovered. A previous collaboration between two partners of this proposal revealed the key role of the transcription factor NLP7 in early nitrate signalling.

Optimizing Nitrogen use efficiency: An urgent need for in-depth understanding of the molecular network involved in the response to N availability

Nitrogen (N) is an essential macronutrient for all living organisms, since it is a component of proteins, nucleic acids, and many secondary metabolites. Plants and fungi are the only multicellular organisms able to assimilate inorganic N. Mineral N, mainly in the form of nitrate, is generally limiting for plant growth and productivity because of spatial and temporal fluctuations of availability in the soil, which hamper sustained acquisition by the root system. Plants have developed adaptive responses allowing them to cope with these limitations and maintain growth despite changes in external N availability. In particular, it is now well established that plants are able to sense external nitrate availability, and hence that nitrate acts as a signal molecule that locally regulates many aspects of plant intake, metabolism and development. In addition a systemic signalling pathway informs the roots of the overall nutrient status of the plant. This systemic signalling is responsible for a finely tuned adjustment of root nitrate uptake by the whole nutrient demand and essential for the plant to control nutrient homeostasis. Despite the in-depth knowledge on N metabolism, only recently molecular players involved in these regulatory circuits have been discovered. <br />Taken together, these considerations highlight the critical need to better understand how nitrate signalling and the systemic feedback signalling are integrated, as both govern the response of a plant to N availability. The objective of this project is thus to develop a strategy to go beyond current knowledge of the role of NLP7 and other NLPs to a system-wide and cell type-specific levels in order to understand the whole-plant response to N and, in the long term, to apply this knowledge to improve N use efficiency (NUE) of crops.

A previous collaboration between two partners of this proposal revealed the key role of the transcription factor NLP7 in early nitrate signalling. Interestingly NLP7 activity is tightly regulated by an original mechanism of nuclear retention in the presence of nitrate
Taking advantage of tools we already have at our disposal for the study of NLPs and the master role of NLP7 in nitrate signalling, we now propose to determine whether NLP7 is a key integrator of both signalling pathways (none has been identified so far).
The joint expertise of the three partners will allow achieving these ambitious goals. This collaborative work on a model species will unravel a detailed and comprehensive understanding of N signalling pathways, which are involved in the adaptation of plants to variation in N availability on several levels: regulation of metabolism, adaptation of morphological trait and flowering.

The genetic resources have been produced and first promising results need to be validated.

The genetic resources have been produced and first promising results need to be validated.

F Bellegarde, A Gojon, A Martin (2017). Signals and players in the transcriptional regulation of root responses by local and systemic N signaling in Arabidopsis thaliana. J Exp Bot.

AK Morao, E Caillieux, V Colot, F Roudier (2017). Cell type

L'azote est un macro-élément essentiel pour tous les organismes vivants. Les plantes et les champignons sont les seuls organismes multicellulaires capables d'assimiler l’azote minéral. Le nitrate, la forme prépondérante d’azote dans les sols, est généralement limitant pour la croissance et la productivité des plantes en raison des fluctuations spatiales et temporelles de sa disponibilité dans le sol. Les plantes ont développé des réponses adaptatives leur permettant de faire face à ces limitations et de maintenir leur croissance. En particulier, il est maintenant établi que les plantes sont capables de détecter la disponibilité en nitrate. Celui-ci agit donc comme une molécule de signalisation qui régule de nombreux aspects de son absorption par la plante, ainsi que le métabolisme et le développement végétal. De plus, une voie systémique de signalisation informe les racines de l'état nutritif général de la plante et conduit à l’ajustement fin de l’absorption du nitrate par l’ensemble de la demande en éléments nutritifs azotés. Malgré les nombreuses connaissances sur le métabolisme azoté, ce n’est que récemment que les acteurs moléculaires impliqués dans ces circuits de régulation ont été découverts. Une collaboration entre deux des partenaires du projet proposé a notamment révélé le rôle clé du facteur de transcription NLP7 dans la signalisation précoce du nitrate, dont l’activité est finement régulée par un mécanisme original de rétention nucléaire en présence de nitrate.
Collectivement, ces éléments mettent en lumière la nécessité de mieux comprendre comment la signalisation précoce du nitrate et la signalisation systémique de rétroaction par l’azote sont intégrées et régissent la réponse de la plante à la disponibilité en azote. Nos résultats récents supportent l’hypothèse que NLP7 est un intégrateur clé de ces voies de signalisation. Grâce aux nombreux outils et connaissances dont nous disposons déjà pour l'étude des protéines NLPs, nous proposons maintenant d’étudier cette hypothèse et étendre la connaissance des rôles des NLPs à l’échelle cellulaire et au niveau du système biologique entier afin de mieux comprendre la réponse de la plante entière à l’azote. Ces connaissances devraient grandement aider à la mise en œuvre de stratégies nouvelles pour améliorer l'efficacité d'utilisation de l’azote des cultures végétales.
La compréhension du rôle central des NLPs sera abordée au travers de quatre questions et en intégrant les résultats obtenus par une approche de modélisation visant à appréhender l'ensemble du réseau de régulation de l’utilisation de l’azote dépendant des NLPs:
1 ) NLP7 est-il un intégrateur à la fois de la signalisation locale et systémique du nitrate en réponse à la demande nutritionnelle de la plante?
2) Les réponses dépendant de NLP7 diffèrent-elles entre différents types cellulaires de la racine?
3 ) La régulation (tissu-spécifique) par NLP7 est-elle associée à des changements d’états chromatiniens?
4 ) Quelles sont les autres protéines NLPs impliquées dans la signalisation azotée ?

Deux des partenaires associés dans ce projet sont des pionniers dans l'identification et l'étude des protéines régulatrices impliquées dans la signalisation de l’azote. Le partenaire 1 (IJPB-Versailles) est spécialisé dans la réponse précoce au nitrate, tandis que le partenaire 3 (BPMP-Montpellier) est un expert de la signalisation systémique de la satiété en azote. Le partenaire 2 est quant à lui spécialisé dans l'étude à l’échelle du génome des modifications de la chromatine (partenaire 2, IBENS-Paris) et a récemment participé avec le partenaire 1 à l'identification de NLP7 comme un régulateur clé de la signalisation précoce du nitrate. Le projet proposé repose donc sur une synergie entre les différentes compétences apportées par les trois partenaires et devrait de ce fait conduire à une vision intégrée de la signalisation de l'azote, et du réseau de régulation orchestré par NLP7.


Coordinateur du projet

Institut Jean Pierre Bourgin (Laboratoire public)

L'auteur de ce résumé est le coordinateur du projet, qui est responsable du contenu de ce résumé. L'ANR décline par conséquent toute responsabilité quant à son contenu.

Partenaire

Institut Jean Pierre Bourgin
Institut de Biologie de l'Ecole Normale Supérieure
Laboratoire de Biochimie et Physiologie Moleculaire des Plantes

Aide de l'ANR 580 696 euros
Début et durée du projet scientifique : septembre 2014 - 48 Mois

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