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β-aminobutyric acid (BABA): towards understanding its biosynthesis, localization and hormonal regulation in "Arabidopsis thaliana"
Maison d'édition
Neuchâtel
Date de parution
2020
Mots-clés
Résumé
Lorsqu’elles exposées à des évènements stressants de basse intensité ou stimulées par des molécules spécifiques, les plantes peuvent répondre plus rapidement et vigoureusement aux stress. Ce phénomène est appelé <i>priming</i>. Parmi les molécules qui l’induisent, l’acide β-aminobutyrique (BABA) peut être considéré comme l’une des mieux caractérisées. Les plantes synthétisent du BABA et augmentent leurs concentrations lors d’un stress, biotique ou abiotique. Cependant, sa biosynthèse, la régulation hormonale et sa localisation subcellulaire sont peu, voire pas encore connues. L’objectif de cette thèse a alors été de clarifier les aspects plus méconnus de la physiologie de BABA chez <i>Arabidopsis thaliana</i>. <br>
Pour comprendre le métabolisme de cette molécule, une analyse RNA-seq a été réalisée en comparant après un stress, les transcrits des Arabettes avec ceux du mutant <i>cpr5-2</i>, possédant des concentrations basales plus hautes que le type sauvage. Cette analyse a permis de trouver dix gènes surexprimés et un gène sousexprimé en commun. Cependant, la détermination des concentrations de BABA, chez des lignées T-DNA des gènes surexprimés, n’a pas permis de sélectionner un ou plusieurs mutants, dont les niveaux étaient altérés par un stress abiotique. <br>
Pour avoir une connaissance plus précise des signaux hormonaux contrôlant l’accumulation de BABA chez les plantes, des Arabettes ont été traitées de deux différentes manières en employant plusieurs solutions de phytohormones. Seule l’injection dans le sol de l’acide abscissique (ABA) a augmenté les niveaux de BABA, alors que sa forme bioactive (+)-ABA provoquait ce phénomène, tant en l’injectant dans le sol qu’en le sprayant. Pour lier cette augmentation avec la voie de signalisation de ABA chez Arabidopsis, deux mutants des trois SnRK2 ont été testé. Pour deux mutants <i>snrk2.2 snrk2.3</i> et <i>snrk2.6</i>, les concentrations de BABA se sont révélées comparables au type sauvage. Ce phénotype dépendrait donc probablement des effets de compensation entre les trois kinases.<br>
Pour localiser subcellulairement BABA, la microscopie confocale a été utilisée <i>in vivo</i> sur des Arabettes. Pour cela, une étiquette avec un alcyne a été ajouté à BABA (BABA-TAG), ne provoquant pas une diminution totale de sa capacité d’induction de résistance. La visualisation de BABA s’est faite via une réaction catalysée par le Cu(I) permettant d’attacher à l’alcyne un groupement azoture fluorescent. Après deux jours d’incubation, BABA montrait une localisation pariétale et se plaçait dans des structures globulaires intracellulaires. Cependant, d’autres expériences sont nécessaires pour définir correctement sa localisation chez les plantes.<br>
<b>Abstract</b><br>
Priming is defined as a physiological state induced by a priming stimulus that allows a plant to deploy a more rapid and more robust defense response to stresses compared with a non-primed plant. β-aminobutyric acid (BABA) has emerged as one of the best stimuli to study priming. Plants can synthesize BABA and accumulate it after being exposed to both biotic or abiotic stress. The plant immune system regulates BABA accumulation during pathogen infection. BABA concentrations vary depending on organ type and with the developmental stage. Flowers, senescent leaves and seeds are the sites of major accumulation. Interestingly, the early senescence and constitutive priming mutant <i>cpr5-2</i> shows higher basal and induced BABA concentrations compared to its wild type. <br>
Besides <i>cpr5-2</i>, no other mutants related to BABA have been characterized up to now. Therefore, we performed RNA-seq analysis to identify common genes expressed during various BABA-inducing biotic and abiotic stresses in Arabidopsis Col-0 and <i>cpr5-2</i>. The analysis revealed ten genes up-regulated in common and one down-regulated gene. Nevertheless, T-DNA insertional lines of the up-regulated genes did not show a wild-type BABA concentration after salt stress application, keeping unsolved the search for genes involved in BABA metabolism in plants. <br>
Furthermore, we are looking at the relation between BABA and plant hormones. Exposition of Arabidopsis to different plant hormones revealed that only ABA led to an increase of the BABA concentration. The bioactive form of ABA, (+)-ABA, showed a more robust BABA induction phenotype. Mutants of the three <i>SnRK2</i> genes, key regulators of ABA signaling, showed BABA induction after (+)-ABA application, suggesting a compensation effect.<br>
Finally, to get further information on BABA localization in plants, BABA has been modified chemically, adding an alkyne tag. Successively, a copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) between tagged BABA and an azide Alexa fluor® was performed, generating fluorescence tagged BABA molecules. These molecules were then visualized on confocal microscopy, showing a cell wall localization of BABA in Arabidopsis roots and globular subcellular structures. Leaves showed no labeling. However, the results are too early to define precisely the exact localization of BABA in plants.
Pour comprendre le métabolisme de cette molécule, une analyse RNA-seq a été réalisée en comparant après un stress, les transcrits des Arabettes avec ceux du mutant <i>cpr5-2</i>, possédant des concentrations basales plus hautes que le type sauvage. Cette analyse a permis de trouver dix gènes surexprimés et un gène sousexprimé en commun. Cependant, la détermination des concentrations de BABA, chez des lignées T-DNA des gènes surexprimés, n’a pas permis de sélectionner un ou plusieurs mutants, dont les niveaux étaient altérés par un stress abiotique. <br>
Pour avoir une connaissance plus précise des signaux hormonaux contrôlant l’accumulation de BABA chez les plantes, des Arabettes ont été traitées de deux différentes manières en employant plusieurs solutions de phytohormones. Seule l’injection dans le sol de l’acide abscissique (ABA) a augmenté les niveaux de BABA, alors que sa forme bioactive (+)-ABA provoquait ce phénomène, tant en l’injectant dans le sol qu’en le sprayant. Pour lier cette augmentation avec la voie de signalisation de ABA chez Arabidopsis, deux mutants des trois SnRK2 ont été testé. Pour deux mutants <i>snrk2.2 snrk2.3</i> et <i>snrk2.6</i>, les concentrations de BABA se sont révélées comparables au type sauvage. Ce phénotype dépendrait donc probablement des effets de compensation entre les trois kinases.<br>
Pour localiser subcellulairement BABA, la microscopie confocale a été utilisée <i>in vivo</i> sur des Arabettes. Pour cela, une étiquette avec un alcyne a été ajouté à BABA (BABA-TAG), ne provoquant pas une diminution totale de sa capacité d’induction de résistance. La visualisation de BABA s’est faite via une réaction catalysée par le Cu(I) permettant d’attacher à l’alcyne un groupement azoture fluorescent. Après deux jours d’incubation, BABA montrait une localisation pariétale et se plaçait dans des structures globulaires intracellulaires. Cependant, d’autres expériences sont nécessaires pour définir correctement sa localisation chez les plantes.<br>
<b>Abstract</b><br>
Priming is defined as a physiological state induced by a priming stimulus that allows a plant to deploy a more rapid and more robust defense response to stresses compared with a non-primed plant. β-aminobutyric acid (BABA) has emerged as one of the best stimuli to study priming. Plants can synthesize BABA and accumulate it after being exposed to both biotic or abiotic stress. The plant immune system regulates BABA accumulation during pathogen infection. BABA concentrations vary depending on organ type and with the developmental stage. Flowers, senescent leaves and seeds are the sites of major accumulation. Interestingly, the early senescence and constitutive priming mutant <i>cpr5-2</i> shows higher basal and induced BABA concentrations compared to its wild type. <br>
Besides <i>cpr5-2</i>, no other mutants related to BABA have been characterized up to now. Therefore, we performed RNA-seq analysis to identify common genes expressed during various BABA-inducing biotic and abiotic stresses in Arabidopsis Col-0 and <i>cpr5-2</i>. The analysis revealed ten genes up-regulated in common and one down-regulated gene. Nevertheless, T-DNA insertional lines of the up-regulated genes did not show a wild-type BABA concentration after salt stress application, keeping unsolved the search for genes involved in BABA metabolism in plants. <br>
Furthermore, we are looking at the relation between BABA and plant hormones. Exposition of Arabidopsis to different plant hormones revealed that only ABA led to an increase of the BABA concentration. The bioactive form of ABA, (+)-ABA, showed a more robust BABA induction phenotype. Mutants of the three <i>SnRK2</i> genes, key regulators of ABA signaling, showed BABA induction after (+)-ABA application, suggesting a compensation effect.<br>
Finally, to get further information on BABA localization in plants, BABA has been modified chemically, adding an alkyne tag. Successively, a copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC) between tagged BABA and an azide Alexa fluor® was performed, generating fluorescence tagged BABA molecules. These molecules were then visualized on confocal microscopy, showing a cell wall localization of BABA in Arabidopsis roots and globular subcellular structures. Leaves showed no labeling. However, the results are too early to define precisely the exact localization of BABA in plants.
Notes
Doctorat, Université de Neuchâtel, Institut de biologie
Identifiants
Type de publication
doctoral thesis
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