Molecular and Biochemical Characterization of Medicago truncatula Gaertner under Salt Stress Condition
Caractérisation Moléculaire et Biochimique en Condition de Stress Salin de Medicago truncatula Gaertner
Résumé
Soil salinity is an important abiotic stress which significantly affects seedling growth and seed quality. Legumes are very
important plants both ecologically and agriculturally because they are able to interact symbiotically with rhizobia for
biological nitrogen fixation.
Before beginning the experimental part of the thesis, we conducted a bibliographic search that describes the biological
approach to adaptation to salinity of Medicago truncatula Gaertn., Genetic and physiological standpoint.
In order to have more information on early seedling development under salinity stress, it will be interesting to examine
radicle growth in comparison to plumule elongation under different salinity stress conditions. In this study, we assessed the
variability of four genotypes of the plant model Medicago truncatula under four levels of salt stress (distilled water as control
0, 68, 102 and 137 mM) of sodium chloride (NaCl) solution. In order to evaluate the degree of radicle sensitivity, we
measured the plumule length to radicle length ratio. Also, we investigated the relationship between storage protein content,
seed weight and salinity tolerance degree. The results show that Tru 131 and Tru 673 genotypes, with a low ratio and high
storage protein content, are more tolerant to salinity stress than the sensitive genotypes Tru 26 and Jemalong. We concluded
that the most tolerant genotype Tru 131 with rich protein and high seed weight can be cultivated in saline and semi-arid areas
in Algeria and Mediterranean regions to improve the legumes productivity. Although, the genotype Tru 673 that had a low
seed vigour, appear tolerant (low ratio) despite coming from ‘aged seeds’. This additional data shows the influence of ‘aged
seeds’ on seed vigour and root growth because seeds contain all of the genetic resources of the plant.
Seed storage proteins from four genotypes of the plant model Medicago truncatula were electrophoretically separated by
SDS-PAGE in order to find protein bands as markers for genotypes characterization in relation to salt stress. A total of 20
protein bands with molecular weight ranging from 10 to > 80 kD were recorded. Among the genotypes, the tolerant genotype
(Tru 131) represented maximum number of protein bands. The clustering by UPGMA showed variability between the
genotypes studied and are assembled into three groups. The variability of protein profiles suggested that these selected
genotypes can be a good source for crop improvement through hybridization programs.
The data analysis of germination aptitude showed that the Tru 131 genotype had the best germinatif ability, compared to
(Jemalong). The soluble protein analysis, showed a high protein synthesis during salt stress application in the tolerant
genotype compared to the sensitive one (Jemalong).
The results showed also that the tolerant genotype T131 expresses a better root growth compared to Jemalong with a
high guaiacol peroxidase activity, which has a protective role against the molecules (ROS) accumulated during oxidative
stress. The analysis of antioxidants in the case of high salinity shows increasing quantity of ascorbate (ASC-DHA) and
Glutathione (GSH-GSSG) in the tolerant genotype T131.
At the molecular level and in order to position 9 new accessions of the model species Medicago truncatula compared to
the two contrasting genotypes to salt stress (Tru 131 and Jemalong), molecular analysis using four EST-SSR markers was
performed. The results showed a moderate genetic diversity among different accessions of Medicago truncatula studied. This
work requires an agronomic characterization with salt stress in order to find relationship between the EST-SSR markers and
phenotype for salt stress tolerance
La salinité des sols est l'un des facteurs limitant la production végétale. L’introduction et l’amélioration des
légumineuses comme le genre Medicago, s’avère très important dans l’amélioration de la productivité pour la fertilisation
naturelle des sols.
Avant d’entamer la partie expérimentale de la thèse, nous avons effectué une recherche bibliographique qui décrit
l’approche biologique de l’adaptation à la salinité de Medicago truncatula Gaertn., du point de vue génétique et
physiologique.
Dans cette étude, nous avons évalué la variabilité de quatre génotypes appartenant à la plante modèle M. truncatula
sous quatre concentrations de stress salin ( 0 , 68 , 102 et 137 mM ) de NaCl. Afin d'évaluer le degré de sensibilité de la
radicule, on a mesuré la longueur de la radicule par rapport à longueur de la tige. Les résultats ont montré que les génotypes
Tru 131 et Tru 673, sont plus tolérants au stress salin que les génotypes jugés sensibles Tru 26 et Jemalong qui ont un ratio
élevé et avec une faible teneur en protéines de réserves. Nous avons conclu que le génotype tolérant Tru 131 au stress salin,
riche en protéines et avec un poids élevé de graines peut être cultivé dans les zones salines et semi-arides en Algérie et la
Méditerranée afin d’améliorer la productivité de ces légumineuses. Bien que le génotype Tru 673 avait une vigueur très
faible des graines, il semble tolérant (un ratio faible) alors qu’il provient de «graines âgées ». Ces données supplémentaires
ont montré l'influence de la qualité des graines sur la vigueur des semences et la croissance des racines car les graines
contiennent toutes les ressources génétiques de la plante.
Les protéines de réserves de ces quatre génotypes ont été séparées par électrophorèse en SDS-PAGE afin
d’identifier les bandes protéiques comme marqueurs de tolérance au stress salin. Au total, 20 bandes protéiques de poids
moléculaire allant de 10 à >80 kD ont été enregistré. Parmi ces génotypes, le génotype tolérant Tru 131 représente un
maximum de bandes protéiques. Le regroupement (clustering) par UPGMA a révélé une variabilité entre les génotypes
étudiés et sont assemblés en trois groupes. La variabilité des profils protéiques suggèrent que les génotypes sélectionnés
peuvent être une source d’amélioration des cultures au travers des programmes d’hybridation.
L’analyse de l’aptitude germinatif durant la croissance des jeunes plants chez les deux génotypes contrastés
appartenant à l’espèce modèle M. truncatula, a montré un taux de germination et un indice de tolérance élevé chez Tru 131
par rapport à Jemalong. L’analyse des protéines solubles, a présenté une synthèse élevée en protéines solubles durant
l’application du stress salin chez le génotype tolérant Tru 131 par rapport à Jemalong.
L’étude et l’analyse de la partie racinaire a été étudiée chez ces deux génotypes. Elle a montré que le génotype
tolérant T131 exprime une meilleure croissance racinaire par rapport à celui de Jemalong et une activité gayacol peroxydase
élevée, cet enzyme a un rôle protecteur contre les molécules (ROS) accumulées lors d’un stress oxydatif. Enfin, l’analyse des
antioxydants dans le cas d’une salinité élevée montre une augmentation des quantités d’Ascorbate (ASC-DHA) et de
Glutathion (GSH-GSSH) chez le génotype tolérant T131.
Au niveau moléculaire et afin de positionner 9 nouvelles accessions appartenant à l’espèce modèle Medicago
truncatula par rapport aux deux génotypes contrastés au stress salin (Tru 131 et Jemalong), une analyse moléculaire en
utilisant quatre marqueurs EST-SSR a été effectuée. Les résultats ont montré une diversité génétique modérée chez les
différentes accessions de Medicago truncatula, étudiées. Ce travail nécessite une caractérisation agronomique vis-à-vis du
stress salin afin de trouver des relations entre les marqueurs EST-SSR et le phénotype pour la tolérance au stress salin.
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