Rôle du transport du potassium dans l’obtention de rendements élevés chez le riz – RiceKTrans

Le projet est basé sur une approche de génétique inverse: des plantes de riz dépourvues des versions fonctionnelles des canaux et transporteurs de K+ ciblés, mutées par insertion d'un transposon endogène ou générées à l'aide de la technologie Crispr-Cas9, seront obtenues. Des lignées mutantes pour des gènes homologues chez la plante modèle Arabidopsis (déjà disponibles) seront également utilisées. Des analyses phénotypiques des plantes mutantes (pertes de fonction) concerneront la croissance, et des paramètres physiologiques tels que la consommation en eau, la teneur en K+ des tissus et des sèves ascendantes et descendantes, la conductance stomatique, la capacité photosynthétique, la transpiration (analysées dans des conditions de culture contrôlées). De plus, des essais en champ de rendement seront effectués sur les lignées mutantes non transgéniques. Nous exprimerons des versions marquées par une étiquette fluorescente des canaux et des transporteurs de K+ ciblés pour étudier si ces protéines de transport présentent une localisation subcellulaire polarisée dans la plante. Nous utiliserons des ovocytes de xénopes pour exprimer les canaux d'efflux et les transporteurs de K+ du riz et caractériser leurs propriétés biophysiques (sélectivité ionique, régulation par le potentiel électrique transmembranaire et des facteurs environnementaux). Les rôles spécifiques de ces transporteurs seront enfin analysés davantage, à l’échelle cellulaire, à l’aide d’électrodes ion-sélectives.

Transporteurs HAK/KUP dans le riz. L'un des principaux objectifs du projet était de créer et d'étudier un mutant de riz ayant perdu les gènes OsHAK9, 10, 24 et 25, homologues des gènes KUP2, 6 et 8 d'Arabidopsis, décrits comme des systèmes de sécrétion de K+ dans les stomates (Osakabe et al. 2013, Plant Cell 25: 609-624). Nous avons obtenu le quadruple mutant souhaité (quadruple-knock-out "hak-q-ko"), qui présente des décalages dans le cadre de lecture des séquences nucléotidiques des 4 gènes entre les positions 290 et 330. La conductance stomatique a effectivement été modifiée chez le mutant (en condition de carence en K+). Par ailleurs (Figure 1), la perte des quatre gènes HAK a entraîné une augmentation de la biomasse du système racinaire et une modification de son architecture (moins profond). Une augmentation de la teneur en K+ des tissus a été observée chez ce quadruple-knock-out en condition de fertilisation classique, ce qui pourrait être un trait favorable pour la production de grains.

Rôle du canal Shaker OsK5.2 dans la nutrition K+ en condition de forte salinité et la tolérance de la plante au sel. Des transporteurs de K+ de la famille HAK ont un effet positif sur la tolérance au sel, probablement parce qu'ils améliorent l'absorption de K+ par la plante (Liu et al. 2022, Crop Journal 10:13-25). Le rôle des canaux d'efflux de K+ dans la tolérance au sel n'avait pas encore été étudié. Nous avons mis en évidence le rôle majeur du canal K+ OsK5.2 dans la tolérance au sel chez le riz, par un double mécanisme: la limitation du flux de Na+ (lié au contrôle de la transpiration) et la stimulation de la sécrétion de K+ dans la sève ascendante (Zhou et al. 2022 Plant Cell Environ 45:1734-1748) (Figure 2).

Évolution des mécanismes d'extrusion du K+ chez les plantes. Peu d'attention avait encore été accordée à l'évolution des mécanismes d'extrusion de K+ chez les plantes. Notre analyse (Hmidi et al. 2025 New Phytologist 245:69-87) (Figure 3) a révélé que ces mécanismes ont dû se développer très tôt dans l'évolution des plantes, car les algues charophytes possèdent plusieurs gènes Shaker qui codent pour des canaux d'efflux de K+, ainsi que de grands canaux potassiques (BK) ayant une fonction similaire. Au cours de l'évolution, la diversité moléculaire des canaux d'efflux de K+ s'est réduite, mais leur rôle s'est diversifié.

Logiciel généré dans le cadre du projet, réutilisable et librement accessible à tous. Nous avons développé le programme SISE qui permet la mesure et l'analyse des flux ioniques à l'aide d'électrodes ion-sélectives (Ahmad et al. 2025 Plant Methods 21:10). Le code source est disponible (https://github.com/Rob-Roelfsema?tab=repositories) et les procédures de calcul des flux ioniques peuvent ainsi être évaluées et modifiées.

Évènement scientifique. Nous avons organisé une école thématique internationale sur les mécanismes d'études des transports d'ions et d'eau chez les plantes, "Mistral" en 2022 (Figure 4).

Le riz est une source majeure d'alimentation humaine, et l'identification de nouvelles cibles de sélection contribue à répondre à la demande d'une population mondiale en croissance. Dans le projet RiceKTrans, nous avons exploré le potentiel de modifications de l’activité de systèmes de transport de K+ du riz (canaux Shaker et transporteurs HAK) sur l'efficacité du transport à longue distance, les mouvements stomatiques et la tolérance au sel.

Les gènes HAK sélectionnés (codant 4 transporteurs d’un même clade) se sont révélés une cible d’intérêt pour les améliorateurs, la perte d’activité simultanée de ces systèmes permettant (i) d’obtenir une architecture racinaire plus superficielle, donc de capter davantage de nutriments, sans que la plante soit handicapée par des périodes de sècheresse quand elle est cultivée en rizière (ii) d’augmenter la biomasse de la plante et sa teneur en K+, donc probablement son rendement en grains.

Par ailleurs, le gène Shaker OsK5.2 s’est révélé un déterminant positif de la tolérance au sel du riz, et donc une nouvelle cible pour les sélectionneurs (Zhou et al. 2022 Plant Cell Environ 45:1734-1748).

Les analyses prometteuses sur les gènes HAK de riz nécessitent d'être répétées et complétées. Actuellement, de nouvelles expériences sont en cours pour analyser le phénotype de croissance racinaire plus finement. Outre l'analyse de la croissance dans des chambres climatiques, elle sera également examinée en serre et l'impact de la perte des 4 gènes OsHAK sur le rendement des cultures sera déterminé. À un stade ultérieur, cette analyse sera poursuivie dans des conditions réelles (champ), si la modification de la législation de l'Union européenne relative aux cultures génétiquement modifiées (statut des mutations ponctuelles générées par CRISPR-Cas9) aura pu être mise en œuvre. Le mutant hak-q-ko présente un phénotype clair de croissance et d'accumulation de K+, mais on ne sait pas si les quatre gènes affectés ont tous la même importance. Dans le cadre de la poursuite du projet, le mutant hak-q-ko sera rétrocroisé avec des plantes de type sauvage, en vue d'obtenir des simples mutants pour chacun des 4 gènes. Une analyse du phénotype et du génotype des racines révélera l'impact relatif de chacun des 4 gènes OsHAK sur la croissance des racines. De plus, le profil d'expression des gènes OsHAK doit être déterminé afin de prédire leur contribution spécifique au transport de K+ dans le riz. Une telle analyse est classiquement réalisée à l'aide de constructions exprimant la β-glucuronidase (GUS) sous le contrôle de la région promotrice des gènes OsHAK, mais elle peut être complétée par des données d'expression tissulaire disponibles pour le riz.

* Publication dans une revue à comité de lecture (facteur d'impact: 7.2):
Zhou J, Nguyen TH, Hmidi D, Luu DT, Sentenac H, Véry A-A, 2022. The outward shaker channel OsK5.2 improves plant salt tolerance by contributing to control of both leaf transpiration and K+ secretion into xylem sap. Plant Cell Environ. 45(6): 1734-1748. doi: 10.1111/pce.14311 (the authors involved in the RiceKTrans project are in bold).

* Communication affichée dans un colloque international:
Zhou J, Hmidi D, Nguyen TH, Luu DT, Sentenac H, Véry AA, 2021. An outward Shaker channel improves rice salt tolerance by combining control of leaf transpiration and K+ secretion into xylem sap. 18th International Symposium on Rice Functional Genomics, Barcelona, Spain (3-5 Novembre).
Les auteurs du projet RiceKTans, en gras, étaient présents au colloque; Dorsaf Hmidi, ccd recrutée sur le projet a présenté le poster

Les céréales en général, et le riz en particulier, sont la principale source de nutrition pour une population mondiale croissante. Ces espèces de grandes cultures sont largement cultivées de façon intensive, dans des champs dans lesquels les nutriments du sol doivent être constamment réapprovisionnés par fertilisation. En raison de la forte demande de ressources naturelles, une forme d'agriculture plus durable doit être établie, qui utilise moins d’intrants. Des plantes cultivées utilisant plus efficacement les nutriments que les variétés actuellement disponibles peuvent aider à atteindre ces objectifs futurs. Le potassium (K+) est le nutriment cationique le plus important et son transport a été étudié de manière intensive chez la plante modèle dicotylédone Arabidopsis. Cependant, on sait peu de choses sur les protéines de transport qui médient les flux de K+ chez les céréales. Notre étude précédente (Nguyen et al., 2017, Plant Physiology) a révélé d'importantes différences dans la localisation tissulaire et les mécanismes d'activation des canaux d'efflux de K+, entre le riz et Arabidopsis. Dans le projet proposé, nous nous concentrerons sur les canaux d'efflux de K+ et les transporteurs de K+ HAK/KUP, qui permettent le transport de K+ chez le riz, de la racine aux parties aériennes et au sein des complexes stomatiques des feuilles. Nous identifierons les types cellulaires dans lesquels les protéines de transport de K+ sélectionnées sont exprimées et générerons des plantes de riz dépourvues des versions fonctionnelles de ces protéines. Ces lignées mutantes seront comparées aux plantes de riz de type sauvage, pour leur croissance, leur consommation d'eau et leur rendement, en serre ainsi qu’au champ. De plus, nous utiliserons des cellules de garde d’Arabidopsis et des ovocytes de xénopes pour exprimer les canaux d'efflux et les transporteurs de K+ du riz et caractériser leurs propriétés biophysiques, comme la sélectivité ionique et l'activation dépendante de la polarisation électrique membranaire. Les rôles spécifiques des canaux et des transporteurs de K+ sélectionnés dans la fonction de translocation de K+ par le xylème et les mouvements stomatiques seront au centre de notre attention. Nous exprimerons des versions marquées par une étiquette fluorescente des canaux et des transporteurs de K+ pour étudier si ces protéines de transport présentent une localisation subcellulaire polarisée. Les rôles spécifiques de ces transporteurs seront analysés davantage, à l’échelle cellulaire, à l’aide d’électrodes ion-sélectives. L'ensemble de nos études apportera des informations sur les rôles physiologiques spécifiques des canaux d'efflux et des transporteurs de K+ au niveau cellulaire ainsi que leur importance pour la croissance du riz dans les conditions du champ. Il est probable que ces connaissances seront précieuses pour la sélection future par les améliorateurs de plantes de riz avec une demande réduite en engrais K+, tout en maintenant une bonne qualité nutritionnelle des grains. Ces traits revêtiront une importance primordiale pour une agriculture durable et la sécurité alimentaire future.