The endodermis is a highly conserved cell layer present in the root of all vascular plants, except Lycophytes. This tissue layer establishes a protective diffusion barrier surrounding the vasculature and is expected to prevent passive, uncontrolled flow of nutrients through the root. This barrier property is achieved by the production of Casparian strips (CS), a localized cell wall impregnation of lignin in the anticlinal walls of each endodermal cell, forming a belt-like structure sealing the extracellular space. The CS act as a selective barrier between the external cell layers and the vascular cylinder and are thought to be important in many aspects of root function. For instance, selective nutrient uptake and sequestration from the soil, resistance to different abiotic and biotic stresses are expected to involve functional CS.
Although discovered 150 years ago, nothing was known about the genes involved in CS establishment until recently. The use of the model plant Arabidopsis thaliana together with both reverse and forward genetic approaches led to the discovery of an increasing number of genes involved in different steps of CS formation during the last few years. One of these genes encodes SCHENGEN3 (SGN3), a leucine-rich repeat receptor-like kinase (LRR-RLK). SGN3 was discovered first by reverse genetic due to its endodermis-enriched expression, and the corresponding mutant displays strong endodermal permeability of the apoplastic tracer Propidium Iodide (PI) indicative of defective CS. One aim of this thesis is to study the role of SGN3 at the molecular level in order to understand its involvement in establishing an impermeable CS. The endodermal permeability of sgn3 is shown to be the result of incorrect localization of key proteins involved in CS establishment (the "Casparian strip domain proteins", CASPs), leading to non-functional CS interrupted by discontinuities. CASPs localize in the plasma membrane domain subjacent to the CS, named the Casparian Strip membrane Domain (CSD). The CSD discontinuities in sgn3 together with SGN3 localization in close proximity to the CASPs lead to the assumption that SGN3 is involved in the formation of a continuous CSD. In addition, SGN3 might have a second role, acting as a kinase reporting CSD integrity leading to lignin and suberin production in CSD/CS defective plants.
Up to now, sgn3 is the strongest and most specific CS mutant available, displaying tracer penetration along the whole length of the seedling root. For this reason, this mutant is well suited in order to characterize the physiological behaviour of CS affected plants. Due to the lack of such mutants in the past, it was not possible to test the presumed functions of CS by using plants lacking this structure. We decided to use sgn3 for this purpose. Surprisingly, sgn3 overall growth is only slightly affected. Nevertheless, processes expected to rely on functional CS, such as water transport through the root, nutrient homeostasis, salt tolerance and resistance to an excess of some nutrients are altered in this mutant. On the other hand, homeostasis for most elements and drought tolerance are not affected in sgn3. It is surprising to observe that homeostatic defects are specific, with a decrease in potassium and an increase in magnesium levels. It indicates a backup system, set up by the plant in order to counteract free diffusion of nutrients into the stele. For instance, potassium shortage in sgn3 upregulates the transcription of potassium influx transport proteins and genes known to be induced by potassium starvation. Moreover, sgn3 mutant is hypersensitive to low potassium conditions.
Hopefully, these results about SGN3 will help our understanding of CS establishment at the molecular level. In addition, physiological experiments using sgn3 should give us a framework for future experiments and help us to understand the different roles of CS and their involvement during nutrient radial transport through the root.
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L'endoderme est un tissu présent dans les racines de toutes les plantes vasculaires à l'exception des Lycophytes. Ce tissu établit une barrière protectrice entourant les tissus vasculaires dans le but d'éviter la diffusion passive et incontrôlée des nutriments au travers de la racine. Cette propriété de barrière provient de la production des cadres de Caspary, une imprégnation localisée de lignine des parties anticlinales de la paroi de chaque cellule d'endoderme. Cela donne naissance à un anneau/cadre qui rend étanche l'espace extracellulaire. Les cadres de Caspary agissent comme une barrière sélective entre les couches externes de la racine et le cylindre central et sont supposés être importants dans beaucoup d'aspects du fonctionnement de la racine. Par exemple, l'absorption sélective de nutriments et leur séquestration à partir du sol ainsi que la résistance contre différents stress abiotiques et biotiques sont supposés impliquer des cadres de Caspary fonctionnels.
Bien que découverts il y a 150 ans, rien n'était connu concernant les gènes impliqués dans Ja formation des cadres de Caspary jusqu'à récemment. Durant ces dernière années, l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thaliana ainsi que des approches de génétique inverse et classique ont permis la découverte d'un nombre croissant de gènes impliqués à différentes étapes de la formation de cette structure. Un des ces gènes code pour SCHENGEN3 (SGN3), un récepteur kinase "leucine-rich repeat receptor-like kinase" (LRR-RLK). SGN3 a été découvert en premier par génétique inverse grâce à son expression enrichie dans l'endoderme. Les cadres de Caspary ne sont pas fonctionnels dans le mutant correspondant, ce qui est visible à cause de la perméabilité de l'endoderme au traceur apoplastique Propidium Iodide (PI). Un des objectifs de cette thèse est d'étudier la fonction de SGN3 au niveau moléculaire dans le but de comprendre son rôle dans la formation des cadres de Caspary. J'ai pu démontrer que la perméabilité de l'endoderme du mutant sgn3 est le résultat de la localisation incorrecte de protéines impliquées dans la formation des cadres de Caspary, les "Casparian strip domain proteins" (CASPs). Cela induit des cadres de Caspary non fonctionnels, contenant de nombreuses interruptions. Les CASPs sont localisés à la membrane plasmique dans un domaine sous-jacent les cadres de Caspary appelé Casparian Strip membrane Domain (CSD). Les interruptions du CSD dans le mutant sgn3, ainsi que la localisation de SGN3 à proximité des CASPs nous font penser à un rôle de SGN3 dans l'élaboration d'un CSD ininterrompu. De plus, SGN3 pourrait avoir un second rôle, agissant en tant que kinase reportant l'intégrité du CSD et induisant la production de lignine et de subérine dans des plantes contenant des cadres de Caspary non fonctionnels.
Jusqu'à ce jour, sgn3 est le mutant en notre possession le plus fort et le plus spécifique, ayant un endoderme perméable tout le long de la racine. Pour cette raison, ce mutant est adéquat dans le but de caractériser la physiologie de plantes ayant des cadres de Caspary affectés. De manière surprenante, la croissance de sgn3 est seulement peu affectée. Néanmoins, des processus censés nécessiter des cadres de Caspary fonctionnels, comme le transport de l'eau au travers de la racine, l'homéostasie des nutriments, la tolérance au sel et la résistance à l'excès de certains nutriments sont altérés dans ce mutant. Malgré tout, l'homéostasie de la plupart des nutriments ainsi que la résistance au stress hydrique ne sont pas affectés dans sgn3. De manière surprenante, les altérations de l'ionome de sgn3 sont spécifiques, avec une diminution de potassium et un excès de magnésium. Cela implique un système de compensation établi par la plante dans le but d'éviter la diffusion passive des nutriments en direction du cylindre central. Par exemple, le manque de potassium dans sgn3 augmente la transcription de transporteurs permettant l'absorption de cet élément. De plus, des gènes connus pour être induits en cas de carence en potassium sont surexprimés dans sgn3 et la croissance de ce mutant est sévèrement affectée dans un substrat pauvre en potassium.
Ces résultats concernant SGN3 vont, espérons-le, aider à la compréhension du processus de formation des cadres de Caspary au niveau moléculaire. De plus, les expériences de physiologie utilisant sgn3 présentées dans cette thèse devraient nous donner une base pour des expériences futures et nous permettre de comprendre mieux le rôle des cadres de Caspary, et plus particulièrement leur implication dans le transport radial des nutriments au travers de la racine.
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Les plantes terrestres sont des organismes puisant l'eau et les nutriments dont elles ont besoin pour leur croissance dans le sol grâce à leurs racines. De par leur immobilité, elles doivent s'adapter à des sols contenant des quantités variables de nutriments et il leur est crucial de sélectionner ce dont elles ont besoin afin de ne pas s'intoxiquer. Cette sélection est faite grâce à un filtre formé d'un tissu racinaire interne appelé endoderme. L'endoderme fabrique une barrière imperméable entourant chaque cellule appelée "cadre de Caspary". Ces cadres de Caspary empêchent le libre passage des nutriments, permettant un contrôle précis de leur passage. De plus, ils sont censés permettre de résister contre différents stress environnementaux comme la sécheresse, la salinité du sol ou l'excès de nutriments. Bien que découverts il y a 150 ans, rien n'était connu concernant les gènes impliqués dans la formation des cadres de Caspary jusqu'à récemment. Durant ces dernière années, l'utilisation de la plante modèle Arabidopsis thaliana a permis la découverte d'un nombre croissant de gènes impliqués à différentes étapes de la formation de cette structure. Un de ces gènes code pour SCHENGEN3 (SGN3), un récepteur kinase "leucine-rich repeat receptor-like kinase" (LRR- RLK). Nous montrons dans cette étude que le gène SGN3 est impliqué dans la formation des cadres de Caspary, et que le mutant correspondant sgn3 a des cadres de Caspary interrompus. Ces interruptions rendent l'endoderme perméable, l'empêchant de bloquer le passage des molécules depuis le sol vers le centre de la racine. En utilisant ce mutant, nous avons pu caractériser la physiologie de plantes ayant des cadres de Caspary affectés. Cela a permis de découvrir que le transport de l'eau au travers de la racine était affecté dans le mutant sgn3. De plus, l'accumulation de certains éléments dans les feuilles de ce mutant est altérée. Nous avons également pu montrer une sensibilité de ce mutant à un excès de sel ou de certains nutriments comme le fer et le manganèse.