Rôle de l’autophagie dans l’acclimatation et la récupération à des épisodes combinés de vagues de chaleur et de sécheresse chez Arabidopsis.

L’équipe Ecophysiologie moléculaire de la Plante sous Stress (ECOPHYS) s’attache à étudier les réponses des plantes aux contraintes de l’environnement en développant une approche intégrative.  La capacité des végétaux à répondre à ces contraintes est en effet un déterminant majeur des services écosystémiques rendus et de leur répartition de l’échelle locale à celle du globe. 

Les contraintes étudiées sont de nature abiotique (température, lumière, disponibilité en eau, en minéraux, pollution du sol et l’air) ou biotique (insectes, champignons, bactéries, ingénieurs du sol). Elles peuvent être étudiées de façon isolée ou de façon combinée (ozone et fortes températures, ozone et sécheresse par exemple). Ces expérimentations sont réalisées soit en laboratoire (phytotrons, mésocosmes), soit au champs (terrain agricoles, friches urbaines…), dans des contextes agricoles, péri-urbains ou urbains. 

Les réponses des plantes sont quant à elles étudiées de l’échelle de la plante entière (échanges gazeux, paramètres hydriques, production de biomasse, rendement) jusqu’aux échelles cellulaire et moléculaire (signalisation, stress oxydant, protéolyse). Nos approches ciblent les systèmes aériens et racinaires en faisant appel principalement à des méthodes et connaissances de biologie moléculaire, de biochimie et d’écophysiologie végétales. 

 Ainsi, les réponses des plantes à la sécheresse et à l’ozone sont étudiées en conditions contrôlées chez la plante modèle Arabidopsis ou chez des espèces cultivées comme le haricot, avec dans certains cas des systèmes expérimentaux associant plantes et micro/macrofaune du sol. Les conséquences du recyclage des résidus de culture comme amendements sont également abordées. 

Le changement climatique accentue les contraintes du milieu urbain auxquelles sont soumis les végétaux en ville. Dans ce contexte, nous étudions les réponses des végétaux à l’aide d’expérimentations en conditions semi-contrôlées en milieu urbain ou in situ sur des végétaux urbains. Par ailleurs, nous contribuons à des travaux en lien avec la biodiversité urbaine et le développement de stratégies d’ingénierie biologique appliquées aux sciences de l’environnement (phytoremédiation, biomarqueurs cellulaires). 

• Contexte :

Le changement climatique entraîne une augmentation de la fréquence et de l’intensité des contraintes abiotiques, tels que les épisodes combinés de vagues de chaleur et de sécheresse. Ces contraintes affectent fortement la régulation stomatique, la photosynthèse, les relations hydriques et l’homéostasie cellulaire chez les plantes, altérant in fine la croissance, le développement, la fitness et le rendement, compromettant ainsi la sécurité alimentaire mondiale¹.

Deux déterminants majeurs de la fitness et de la résilience des plantes face aux contraintes environnementales sont : leur capacité à s’acclimater rapidement et leur capacité à récupérer après l’arrêt de la contrainte, qui leur permet de restaurer l’assimilation des nutriments, la croissance, le développement et d’assurer le remplissage des graines¹ .

L’autophagie est un processus essentiel au maintien de l’homéostasie cellulaire via la dégradation et le recyclage des composants cellulaires endommagés ou dysfonctionnels (tels que les protéines) et des organites. Au cours de l’autophagie, les composants cellulaires destinés à être dégradés (appelés « cargos ») sont intégrés et transportés dans des vésicules à double membrane appelées autophagosomes, qui sont acheminées vers la vacuole² . Ce processus est étroitement régulé par les protéines codées par les gènes Autophagy-Related Genes (ATG), qui orchestrent chacune des étapes de formation, d’expansion et de fusion des autophagosomes.

Chez Arabidopsis thaliana, les mutants déficients dans la formation des autophagosomes (ensuite appelés mutants atg) sont hypersensibles à un large éventail de stress abiotiques, notamment à la carence en nutriments³ , à la sécheresse⁴ , aux températures élevées et à une forte intensité lumineuse. Ils présentent une sénescence foliaire prématurée, une diminution du recyclage de l’azote (N) vers les graines et au final, du rendement. Ces mutants présentent également une ultrastructure chloroplastique altérée, associée à une diminution de l’intégrité du photosystème II⁵ , une régulation stomatique perturbée⁶, une température foliaire plus élevée et un retard dans la reprogrammation cellulaire lors de la récupération après contrainte⁷ . À l’inverse, l’augmentation de l’activité autophagique par surexpression de gènes ATG (ensuite appelés ATG-OE) favorise la croissance des plantes, le recyclage de l’azote et le rendement en graines dans des conditions sans contrainte chez Arabidopsis ⁸. L’activation constitutive de l’autophagie chez les mutants cost1 d’Arabidopsis leur confère une tolérance accrue à la sécheresse⁹ . De même, la surexpression de MdATG8i (MdATG8i-OE) chez le pommier améliore la photosynthèse, la croissance et l’efficience d’utilisation de l’eau (WUE) par rapport au sauvage, en réponse à un stress hydrique¹⁰ .

Malgré ces avancées, notre compréhension du rôle de l’autophagie dans la résilience des plantes aux épisodes de vagues de chaleur et de sécheresse combinées reste limitée. Cela s’explique en grande partie par l’absence de caractérisation éco-physiologique approfondie des plantes atg déficientes en autophagie et des plantes ATG-OE exposées à une contrainte combinée de vague de chaleur et déficit hydrique² . Des processus physiologiques essentiels, notamment la photosynthèse, le comportement stomatique et l’utilisation de l’eau, restent encore peu étudiés dans le contexte de l’autophagie, en particulier au cours des phases d’acclimatation au stress et de récupération après la levée de la contrainte.

• Objectifs du stage :

L’objectif de ce stage de Master 2 est de déterminer comment l’autophagie module des processus physiologiques majeurs, en particulier la photosynthèse, le comportement stomatique et l’utilisation de l’eau, pendant l’application d’épisodes combinés de vague de chaleur et de sécheresse et au cours de la phase de récupération. Notre hypothèse est que l’autophagie contribue à la fois à une acclimatation efficace au cours du stress et une récupération rapide après le stress.

• Expérimentatins réalisées au cours du stage :

Des plantes d’Arabidopsis thaliana de type sauvage (WT), des mutants atg et des lignées ATG-OE seront soumises à deux épisodes consécutifs de contraintes combinées : un premier au stade végétatif, suivi d’un second au stade reproducteur, afin de reproduire un assèchement du sol progressif  et pertinent au regard des conditions climatiques actuelles. Un suivi éco-physiologique approfondi de l’activité photosynthétique, du comportement stomatique et de la balance hydrique sera réalisé pendant les phases de stress et de récupération et nous déterminerons si une déficience de l’activité autophagique (atg) ou, au contraire, son augmentation (ATG-OE) modifie ces dynamiques.

- Les paramètres photosynthétiques seront évalués en mesurant l’assimilation nette du CO₂, l’efficacité du photosystème II, les paramètres dérivés de la fluorescence de la chlorophylle, ainsi que la teneur en chlorophylle.

- Le comportement stomatique sera caractérisé à l’aide de protocoles de perturbation fondés sur l’utilisation d’un IRGA (variations par paliers du déficit de pression de vapeur d’eau, transitions lumineuses), afin de déterminer la sensibilité des stomates ainsi que les cinétiques d’ouverture et de fermeture.

- L’état hydrique sera évalué à partir du potentiel hydrique foliaire, du potentiel osmotique, de la teneur relative en eau (RWC), ainsi que de la composition isotopique en δ¹³C et δ¹⁵N.

- À maturité, le rendement en graines, l’indice de récolte ainsi que la composition isotopique en δ¹³C et δ¹⁵N des graines permettront d’évaluer l’impact de l’autophagie sur la productivité et la valeur adaptative des plantes.

• Compétences requises :

- Master 1 en SVT, Biologie, Physiologie ou Ecophysiologie, avec un fort intérêt pour la biologie et la physiologie végétale.

- Compétences de communication orale et écrite.

- Capacité organisationnelle et travail en équipe.

- Des compétences en suivi d’expérimentations végétales et en analyses statistiques effectuées en stage de L3 ou M1 seront appréciées.

La formation aux mesures d’échanges gazeux par l’utilisation d’un CIRAS sera effectuée lors du stage.

• Perspectives :

Un sujet de doctorat en continuité avec ce sujet de stage de M2 sera proposé à l’école doctorale Sciences, Ingénierie et Environnement (SIE).