The PHO1 gene was first described in the plant Arabidposis thaliana as a gene involved in the export of phosphate (Pi) into the root xylem vessel. The pho1 mutant of Arabidopsis is deficient in phosphate loading to the xylem and has low shoot Pi and high root Pi. PHO1 can trigger Pi export in ectopic plant cells, strongly indicating that PHO1 is itself a Pi exporter and PHO1-mediated Pi export was associated with its localization to the Golgi and trans- Golgi networks, revealing a role for these organelles in Pi transport. Another interesting role of PHO1 was also revealed by Zimmerli and colleagues, who showed that PHO1 expression in guard cells is involved in the stomatal response to abscisic acid (ABA) in Arabidopsis.
The Arabidopsis PHO1 gene family comprises of 11 members. One of these homologues, called PHO1;H1, is expressed in the vascular tissue of root and shoot and is regulated by the plant Pi status. Out of the set of Arabidopsis PHO1 homologues, only PHO1;H1 can functionally replace PHO1 in the transfer of Pi into the root xylem vessel when its expression is under the regulation of the PHO1 promoter. The role of PHO1;H1 in the aerial part of the plant is currently unknown. Apart from one other homologue, called PHO1;H4, that probably plays a role in the hypocotyl growth under the blue light, the role of the other members of the PHO1 family has not been identified yet.
Mining of the RNAseq data revealed that PHO1 (seed coat) and PHO1;H1 (both embryo and seed coat) are both expressed in the seed. Consequently, the aim of this thesis project was to identify the exact cell type(s) in which these genes are expressed and the role of PHO1 and PHO1;H1 in the leaves and the seeds of Arabidopsis plants.
Regarding the role of these genes in the seeds, we report that PHO1 does play a bigger role than PHO1;H1 in exporting Pi into the seed apoplast. PHO1;H1, as it was shown for the roots, also contributes to the Pi export into the seed apoplast but less than PHO1 or probably under specific conditions. Furthermore, another important finding of this study was that the chalazal region of the seed coat is important for PHO1 to be expressed in order to off-load Pi into the seed apoplast. After fusing a chalazal specific promoter in front of the genomic sequence of PHO1 we also proved that the expression of PHO1 specifically in the chalazal seed coat is enough for Pi export into the apoplast so as the embryo to develop properly. Finally, we show that the expression of PHO1 under Pi starvation conditions increases in the micropylar region of the seed coat, something that raises interesting questions about the possible function of the micropylar region under abiotic or biotic stress.
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Le gène PHO1 a été décrit la première fois chez la plante Arabidposis thaliana comme étant impliqué dans l'export de phosphate inorganique (Pi) vers le xylème de la racine. Le mutant pho1 d’Arabidopsis est déficient pour le chargement du phosphate dans le xylème et contient une faible concentration de Pi dans les feuilles et une forte concentration dans les racines. L’expression de PHO1 peut déclencher l'export du Pi dans des cellules végétales ectopiques, indiquant que PHO1 est lui-même un exporteur de Pi. L'export du Pi médié par PHO1 est associé à sa localisation aux réseaux de Golgi et trans-Golgi, révélant le rôle de ces organes dans le transport du Pi. Un autre rôle intéressant de PHO1 a également été révélé par Zimmerli et collègues, montrant que l'expression de PHO1 dans les cellules de garde médie la réponse stomatique à l'acide abscissique (ABA) chez Arabidopsis.
La famille du gène Arabidopsis PHO1 comprend 11 membres. L'un de ces homologues, appelé PHO1;H1, est exprimé dans le tissu vasculaire des racines et des feuilles et est régulé par la concentration en Pi. Sur l'ensemble des homologues de PHO1 chez Arabidopsis, seulement PHO1;H1 peut remplacer fonctionnellement PHO1 dans le transfert de Pi vers le xylème de la racine lorsque son expression est sous le contrôle du promoteur de PHO1. Le rôle de PHO1;H1 dans les feuilles est actuellement inconnu. Mis à part un autre homologue, appelé PHO1;H4, qui joue probablement un rôle dans la croissance de l'hypocotyle en présence de lumière bleue, le rôle des autres membres de la famille de PHO1 n'a pas encore été identifié.
L'exploitation d'une base de données d’expression de gènes a révélé que PHO1 et PHO1;H1 sont tous les deux exprimés dans la graine (PHO1 dans le tégument et PHO1;H1 dans l'embryon et le tégument). Par conséquent, l'objectif de ce projet de thèse était d'identifier le type exact de cellules dans lesquelles ces gènes sont exprimés ainsi que de clarifier le rôle de PHO1 et PHO1; H1 dans les feuilles et les graines de la plante Arabidopsis.
Concernant les graines, nous avons montré que PHO1 joue un rôle plus important que PHO1;H1 dans l'export de Pi vers l’apoplaste des graines. PHO1; H1, comme il a été montré pour les racines, contribue également à l'export du Pi vers l’apoplaste des graines, mais moins que PHO1 ou probablement dans des conditions spécifiques. Une autre conclusion importante de cette étude est que la région chalaze de l'enveloppe de la graine est importante pour l'export du Pi vers l’apoplaste des graines médié par PHO1. Par fusion d'un promoteur spécifique chalaze en amont de la séquence génomique de PHO1, nous avons également prouvé que l'expression de PHO1 spécifiquement dans le tégument de chalaze est suffisante pour l'export du Pi dans l’apoplaste, afin que l'embryon se développe correctement. Enfin, nous montrons qu'en condition de carence en Pi, l'expression de PHO1 augmente dans la région micropylaire de l'enveloppe de la graine, ce qui soulève des questions intéressantes sur la fonction possible de la région micropylaire en réponse à des stress biotiques ou abiotiques.