Génétique et biologie intégrative de l’hydraulique des racines de plantes – HydroRoot

Le projet HydroRoot propose d’utiliser une combinaison originale d’approches chez la plante modèle Arabidopsis thaliana : des mesures biophysiques de haute précision, couplées à des approches de modélisation mathématique et de génétique, fourniront une vision intégrative de l’hydraulique des racines de plantes.
Plus spécifiquement, les aquaporines sont des protéines canal à eau qui contribuent au transport de l’eau au travers des membranes cellulaires. La différentiation des parois cellulaires et des vaisseaux du xylème peut aussi influer sur l’hydraulique des racines. Une première approche, de génétique inverse, sera développée pour déterminer les divers composants moléculaires impliqués. Une autre approche visera à identifier des QTL (Quantitative Trait Locus) et à cloner de nouveaux gènes contrôlant la capacité de transport racinaire d’eau. Cette approche innovante et techniquement délicate est rendue possible par le développement récent par un des partenaires d’un appareil semi-automatique de phénotypage hydraulique. De plus, une variation significative de l’hydraulique racinaire a récemment été établie parmi diverses accessions naturelles d’Arabidopsis. Enfin, une approche complémentaire de modélisation mathématique sera développée, afin d’interpréter convenablement les divers phénotypes de transport racinaire d’eau identifiés dans les études génétiques. La modélisation permettra ainsi d’intégrer au niveau de la racine entière la fonction des aquaporines et des autres composants moléculaires impliqués dans les transports axial et radial d’eau.

Une première modélisation hydraulique de la racine d’Arabidopsis a été produite.
Par ailleurs, nous avons établi la faisabilité d’une dissection, par génétique quantitative, de l’hydraulique racinaire des plantes

Le programme HydroRoot va explorer des facettes encore inconnues du transport racinaire d’eau. Il devrait mener à une vision intégrée de ce processus considérant à la fois les propriétés hydrauliques des tissus et l’architecture de l’appareil racinaire. Il pourra éventuellement expliquer comment ces facteurs sont contrôlés, au niveau moléculaire, par l’état physiologique de la plante ou des facteurs de l’environnement.

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Du fait des changements globaux et d’une demande alimentaire mondiale croissante, il devient crucial de bien comprendre comment les plantes absorbent et utilisent l’eau du sol. Le projet HydroRoot propose d’utiliser une combinaison originale d’approches chez la plante modèle Arabidopsis thaliana afin d’accroître notre connaissance fondamentale du transport racinaire d’eau. Des mesures biophysiques de haute précision, couplées à des approches de génétique inverse et quantitative, fourniront une vision intégrative de l’hydraulique des racines de plantes.

Les aquaporines sont des protéines canal à eau qui contribuent au transport de l’eau au travers des membranes cellulaires. La différentiation des parois cellulaires et des vaisseaux du xylème peut aussi influer sur l’hydraulique des racines. Une approche de génétique inverse sera développée pour déterminer les divers composants moléculaires impliqués. Une autre approche visera à identifier des QTL (Quantitative Trait Locus) et à cloner de nouveaux gènes contrôlant la capacité de transport racinaire d’eau. Cette approche innovante et techniquement délicate est rendue possible par le développement récent par un partenaire d’un appareil semi-automatique de phénotypage hydraulique. De plus, une variation significative de l’hydraulique racinaire a récemment été établie parmi diverses accessions naturelles d’Arabidopsis.

Une approche complémentaire de modélisation mathématique sera développée, afin d’interpréter convenablement les divers phénotypes de transport racinaire d’eau identifiés dans les études génétiques. La modélisation permettra ainsi d’intégrer au niveau de la racine entière la fonction des aquaporines et des autres composants moléculaires impliqués dans les transports axial et radial d’eau. Pour cela, on associera des données expérimentales de transport d’eau à des modèles théoriques et on intégrera des équations de flux d’eau dans une représentation anatomique de la racine. En particulier, un modèle composite local du transport radial d’eau sera intégré dans l’architecture racinaire, afin d’identifier des propriétés émergentes de l’hydraulique du système racinaire entier.

Hydroroot impliquera trois équipes ayant chacune réalisé des avancées exceptionnelles dans trois champs d’expertise distincts et complémentaires, et partageant un même intérêt pour le statut hydrique des plantes et/ou les fonctions de la racine. Le groupe dirigé par C. Maurel est reconnu internationalement pour son travail sur la physiologie moléculaire du transport d’eau et sur les réponses des plantes aux stress abiotiques. Ce groupe a développé un ensemble original d’approches biophysiques afin de mesurer le transport d’eau dans la racine d’Arabidopsis. Ces techniques seront cruciales pour phénotyper l’hydraulique des différents matériels génétiques identifiés. Le groupe d’O. Loudet a une réputation de premier rang en génétique quantitative et s’intéresse aussi aux mécanismes de tolérance des plantes aux stress abiotiques. Ce groupe apportera son expertise pour cloner efficacement le ou les gènes associés aux QTL d’intérêt. Le groupe de C. Godin a réalisé des études remarquables sur la modélisation de l’anatomie et de la croissance des racines. Il incorporera des propriétés hydrauliques dans ses modèles afin d’obtenir une représentation fonctionnelle intégrée de la racine.

HydroRoot permettra donc d’explorer des aspects inconnus du transport racinaire d’eau. Il mènera à une vision intégrée de la racine, considérant à la fois les propriétés hydrauliques des tissus et l’architecture racinaire, et expliquant comment ces composants sont contrôlés au niveau moléculaire par des facteurs physiologiques ou environnementaux. Du fait de ses fortes composantes physiologiques et génétiques, ce type de recherche pourra aussi concerner des programmes de sélection variétale, afin de produire des plantes optimisées pour leur utilisation de l’eau et leurs réponses aux stress.