Ionome plasticity of rapessed and wheat in response to mineral deficiencies or water stress : identification of interactions between elements, ionomic signatures and associated mechanisms
Plasticité du ionome du colza et du blé en réponse aux carences minérales ou à un stress hydrique : identification des interactions entre éléments, de signatures ionomiques et des mécanismes associés
Résumé
The mineral nutrition of cultivated plants affects indirectly those of humans and in a context of climate change while the world population increase, numerous abiotic stress may disturb the quantity and the quality of harvested products. In order to better understand and optimize plant mineral nutrition, we assessed the effects of 18 unique deficiencies on the uptake and content variations of 20 elements within the functional ionome of rapeseed and wheat. This study thus revealed 71 common interactions for which the lack of a single element led to an increase (31) or a decrease (40) in the absorption of the other elements and resulted in a typical variation of leaf content allowing the identification of specific ionomic signatures of N, P, S, K, Ca, Mn, Fe, Zn, Na, Si, or Se deficiencies in both studied species as well as Mg, Cl, Cu or Mo in wheat. These effects can be explained, among other things, by a variation of the expression of genes encoding ion transporters which led to nutritional interactions already described in the literature, or new ones which remain to be explored. The effects of another major abiotic constraint, the water deficit, on the mineral nutrition of rapeseed and wheat were also determined and overall resulted in an early (before reduction of growth) and massive reduction of uptake and leaf content of almost all mineral elements. In rapeseed leaves, the water deficit also led to a down regulation of a large number of genes encoding ion transporters well before other previously described adaptation (ABA, proline and glutathion synthesis). Surprisingly, the decrease of the leaf element concentration was perceived at the transcriptomic level differently from a deficiency response. Consequently, these results suggest that the reduction of uptake and the modification of the ionome observed during a water stress cannot be attributed to the only decrease in evapotranspiration, the main driving force of mass flow.
La nutrition minérale des plantes cultivées impacte indirectement celles des Hommes et dans un contexte de changement climatique et d'accroissement de la population mondiale, de nombreuses contraintes abiotiques sont susceptibles d'altérer la quantité et la qualité des produits récoltés. Afin de comprendre et d'optimiser la nutrition minérale des plantes, nous avons évalué les effets de 18 carences nutritionnelles uniques sur l'absorption et les variations de teneurs de 20 éléments au sein du ionome fonctionnel du colza et du blé. Cette étude a ainsi révélé 71 interactions communes pour lesquels l'absence d'un seul élément, a entrainé une augmentation (31) ou une diminution (40) de l'absorption des autres éléments avec pour conséquence, des variations typiques des teneurs foliaires qui ont permis de mettre en évidence des signatures ionomiques spécifiques des carences en N, P, S, K, Ca, Mn, Fe, Zn, Na, Si ou Se chez les deux espèces étudiées et Mg, Cl, Cu ou Mo chez le blé. Ces effets s'expliquent, entre autres, par une modulation de l'expression de gènes codants des transporteurs d'ions à l'origine d'interactions nutritionnelles déjà décrites dans la littérature, ou nouvelles qui restent à explorer. Les effets d'un déficit hydrique, autre contrainte abiotique majeure, sur la nutrition minérale du colza et du blé ont également été déterminés et se traduisent par une diminution, précoce (avant une réduction de la croissance) et massive, de l'absorption et des teneurs foliaires des éléments minéraux. Au sein des feuilles de colza, le déficit hydrique se traduit également par une réduction de l’expression d'un grand nombre de gènes codant des transporteurs d'ions, précédant d’autres adaptations déjà décrites (synthèse d’ABA, de proline ou de glutathion). De façon surprenante, cette baisse des teneurs qui pourrait être perçue comme une carence par la plante, ne se traduit pas, au niveau transcriptomique, par une réponse comparable. Par conséquent, ces résultats suggèrent que la réduction d'absorption des éléments et la modification des teneurs constatée lors d'un stress hydrique ne peuvent être attribuées à la seule diminution de l'évapotranspiration, principale force motrice du flux de masse.
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