All plants are typically confronted to simultaneous biotic and abiotic stress throughout their life cycle. Low inorganic phosphate (Pi) is the most common nutrient deficiency limiting plant growth in natural and agricultural ecosystems while insect herbivory accounts for major losses in plant productivity and impacts on ecological and evolutionary changes in plant populations. Here we report that plants experiencing Pi deficiency induce the jasmonic acid (JA) pathway and enhance their defence against insect herbivory. The phol mutant is impaired in the translocation of Pi from roots to shoots and shows the typical symptoms associated with Pi deficiency, including high anthocyanin and poor shoot growth. These phol shoot phenotypes were significantly attenuated by blocking the JA biosynthesis or signalling pathways. Wounded phol leaves hyper-accumulated JA in comparison to wild type, leading to increased resistance against the generalist herbivore Spodoptera littoralis. Pi deficiency also triggered enhanced resistance to herbivory in wild-type Arabidopsis as well as tomato and tobacco, revealing that the link between Pi deficiency and JA-mediated herbivory resistance is conserved in a diversity of plants, including crops.
We performed a phol suppressor screen to identify new components involved in the adaptation of plants to Pi deficiency. We report that the THO RNA TRANSCRIPTION AND EXPORT (THO/TREX) complex is a crucial component involved in modulating the Pi- deficiency response. Knockout mutants of at least three members of the THO/TREX complex, including TEX1, HPR1, and TH06, can suppress the phol shoot phenotype. Grafting experiments showed that loss of function of TEX1 only in the root was sufficient to suppress the reduced shoot growth phenotype of phol while maintaining low Pi contents. This indicates that TEX1 is involved in a long distance root-to-shoot signalling component of the Pi-deficiency response. We identified a small MYB-like transcription factor, RAD LIKE 3 (RL3), as a potential downstream target of the THO/TREX complex. RL3 expression is induced in phol mutants but attenuated in phol-7 texl-4 double mutants. Identical to knockout mutants of the THO/TREX complex, rl3 mutants can suppress the phol shoot phenotypes. Interestingly, RL3 is induced during Pi deficiency and is described in the literature as likely being mobile. It is therefore a promising new candidate involved in the root-to-shoot Pi-deficiency signalling response.
Finally, we report that PHOl and its homologue PH01:H3 are involved in the co-regulation of Pi and zinc (Zn) homeostasis. PH01;H3 is up-regulated in response to Zn deficiency and, like PHOl, is expressed in the root vascular cylinder and localizes to the Golgi when expressed transiently in tobacco cells. The phol;h3 mutant accumulates more Pi as compared to wild-type when grown in Zn-deficient medium, but this increase is abolished in the phol phol;h3 double mutant. These results suggest that PH01;H3 restricts the PHOl-mediated root-to-shoot Pi transfer in responsé to Zn deficiency.
Résumé
Au cours de leur cycle de vie, toutes les plantes sont généralement confrontées à divers stress biotiques et abiotiques. La carence nutritionnelle la plus fréquente, limitant la croissance des plantes dans les écosystèmes naturels et agricoles, est la faible teneur en phosphate inorganique (Pi). Au niveau des stress biotiques, les insectes herbivores sont responsables de pertes majeures de rendement et ont un impact considérable sur les changements écologiques et évolutifs dans les populations des plantes. Au cours de ce travail, nous avons mis en évidence que les plantes en situation de carence en Pi induisent la voie de l'acide jasmonique (JA) et augmentent leur défense contre les insectes herbivores. Le mutant phol est déficient dans le transport du phosphate des racines aux feuilles et démontre les symptômes typiques associés à la carence, tels que la forte concentration en anthocyane et une faible croissance foliaire. Ces phénotypes du mutant phol sont significativement atténués lors d'un blocage de la voie de la biosynthèse ou des voies de signalisation du JA. La blessure des feuilles induit une hyper-accumulation de JA chez phol, résultant en une augmentation de la résistance contre l'herbivore généraliste Spodoptera littoralis. Outre Arabidopsis, la carence en Pi induit une résistance accrue aux insectes herbivores aussi chez la tomate et le tabac. Cette découverte révèle que le lien entre la carence en Pi et la résistance aux insectes herbivores via le JA est conservé dans différentes espèces végétales, y compris les plantes de grandes cultures.
Nous avons effectué un crible du suppresseur de phol afin d'identifier de nouveaux acteurs impliqués dans l'adaptation de la plante à la carence en Pi. Nous rapportons que le complexe nommé THO RNA TRANSCRIPTION AND EXPORT (THO/TREX) est un élément crucial participant à la réponse des feuilles à la carence en Pi. Les mutations d'au moins trois des membres que composent le complexe THO/TREX, incluant TEX1, HPR1 et 77/06, peuvent supprimer le phénotype de phol. Des expériences de greffes ont montré que la perte de fonction de TEX1, seulement dans la racine, est suffisante pour supprimer le phénotype de la croissance réduite des parties aériennes observé chez le mutant phol, tout en maintenant de faibles teneurs en Pi foliaire. Ceci indique que TEX1 est impliqué dans la signalisation longue distance entre les racines et les parties aériennes. Nous avons identifié un petit facteur de transcription proche de la famille des MYB, RAD LIKE 3 (RL3), comme une cible potentielle en aval du complexe THO / TREX. L'expression du gène RL3 est induite dans le mutant phol mais atténuée dans le double mutant phol-7 texl-4. Exactement comme les plantes mutées d'un des membres du complexe THO/TREX, le mutant rl3 peut supprimer le phénotype foliaire de phol. RL3 est induit au cours d'une carence en Pi et est décrit dans la littérature comme étant potentiellement mobile. Par conséquent, il serait un nouveau candidat potentiellement impliqué dans la réponse longue distance entre les racines et les parties aériennes lors d'un déficit en Pi.
Enfin, nous reportons que PHOl et son homologue PHOl: H3 sont impliqués dans la co- régulation de l'homéostasie du Pi et du zinc (Zn). PHOl; H3 est sur-exprimé en réponse au déficit en Zn et, comme PHOl, est exprimé dans les tissus vasculaires des racines et se localise dans l'appareil de Golgi lorsqu'il est exprimé de manière transitoire dans des cellules de tabac. Le mutant phol; h3 accumule plus de Pi par rapport aux plantes sauvages lorsqu'il est cultivé sur un milieu déficient en Zn, mais cette augmentation en Pi est abolie dans le double mutant phol phol; h3. Ces résultats suggèrent qu'en réponse à une carence en Zn, PHOl; H3 limite l'action de PHOl et diminue le transfert du Pi des racines aux parties aériennes.