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Analyse transcriptomique complète du rôle du silicium chez Arabidopsis

Fauteux, François 11 April 2018 (has links)
Le silicium est un élément abondant dans la croûte terrestre, et son absorption aurait des effets bénéfiques chez plusieurs plantes, parmi lesquels l'accroissement de la résistance à divers stress biotiques et abiotiques est le mieux documenté. La plus grande partie du silicium absorbé par une plante est polymérisée de façon irréversible sous forme de phytolithes (silice amorphe, SiO2.nH2O). La théorie initialement avancée pour expliquer son rôle, notamment dans le contexte d'interactions plante-agent pathogène, est celle de la « barrière mécanique » qui stipule qu'une couche subcuticulaire de silice empêcherait la pénétration d'agents pathogènes fongiques. Par ailleurs, une certaine quantité demeure en solution dans la plante sous forme d'acide monosilicique (tLjSiC^), et l'on croit maintenant que cette fraction est responsable des propriétés prophylactiques du silicium en modulant les réponses de défense des plantes. L'effet bénéfique du silicium sur l'incidence et l'intensité de maladies fongiques a été décrit dans une variété de pathosystèmes. Toutefois, la nature exacte de l'interaction entre le silicium et les mécanismes de défense ou de résistance est inconnue et demeure un sujet controversé. Nous proposons que le silicium influence l'activité biochimique de composantes responsables de la signalisation intracellulaire post-élicitation, et qu'il a donc un rôle bioactif dans la défense ou la résistance des plantes contre les agents pathogènes fongiques. Afin de mieux comprendre l'effet biologique du silicium et son implication prophylactique, nous avons effectué une analyse transcriptomique complète, à l'aide de la technologie des micropuces d'oligonucléotides, de plants (¥Arabidopsis thaliana sains ou infectés par le blanc (Erysiphe cichoracearum) et traités ou non avec le silicium. L'application de silicium assimilable aux plants sains a significativement altéré l'abondance relative de seulement deux des ca. 40 000 transcrits (28 500 gènes et plus de 10 000 transcrits non annotés) présents sur la micropuce. En revanche, l'inoculation avec Erysiphe cichoracearum s'est traduite par une induction significative de 2 387 gènes et une répression de 1 583 gènes. Pour chaque gène et à l'aide d'un ensemble de procédés informatiques innovateurs, nous avons généré une annotation fonctionnelle unique et simplifiée en utilisant l'annotation finale du génome d'Arabidopsis, l'encyclopédie de Kyoto des gènes et des génomes (KEGG), les sentiers biochimiques « Aracyc », et deux bases de données publiques de facteurs de transcription (DATF et ATTFDB). Les gènes exprimés différentiellement en fonction des traitements ont été classés dans 58 classes fonctionnelles dont 24 classes directement impliquées dans les mécanismes de défense et la pathogenèse. Cette approche a permis d'apprécier dans sa globalité la cascade d'événements transcriptionnels impliqués dans l'interaction Arabidopsis-blanc en présence ou absence de silicium. En réponse à l'infection, 73% des gènes de défense (gènes de résistance, facteurs de transcription liés au stress, gènes impliqués dans la génération de signaux de stress, la synthèse de composés antimicrobiens, le métabolisme de l'oxygène réactif, protéines PR, etc.) ont été significativement induits. En contrepartie, la maladie a affecté certains processus essentiels comme la photosynthèse et le métabolisme énergétique. L'apport de silicium s'est traduit par une atténuation médiane de 25% de la répression des gènes chez les plantes infectées, alors que l'induction attribuable à l'infection a été maintenue à une intensité similaire chez les plantes témoin et celles traitées au silicium. Le rôle du silicium en biologie végétale, son statut essentiel ou bénéfique, son effet direct ou indirect sur la croissance, et son mode d'action bioactif ou mécanique sont discutés depuis plusieurs décennies. Les résultats obtenus dans le cadre de cette étude mènent à conclure que le silicium seul n'a pas d'effet sur le métabolisme de plantes qui croissent dans un environnement contrôlé (sans stress), ce qui supporte l'hypothèse que le silicium n'est pas un élément essentiel. L'apport de silicium assimilable accroît la résistance à l'infection fongique, ce qui se traduit par une atténuation de la répression des gènes impliqués dans le métabolisme énergétique et la photosynthèse; le silicium est donc bénéfique pour une plante en situation de stress, en l'occurrence une infection fongique. Le mode d'action du silicium dans la prophylaxie et dans l'atténuation du stress semble actif car l'induction génique par l'agent pathogène Erysiphe cichoracearum est maintenue chez les plantes traitées; l'influence du silicium ne peut donc pas être réduite à un effet mécanique. / Silicon the second most abundant element in the earth's crust; it would have beneficial effects on the growth of several plants, among which the increase in resistance to various biotic and abiotic stresses is the best documented. Most of the silicon absorbed by a plant is polymerized under the form of phytoliths (amorphous silica, SiO2.nH2O). The initial theory for explaining its role, in particular in the context of plant-pathogen interactions, is that of the « mechanical barrier » which stipulates that a subcuticular layer of silica would prevent the penetration of fungal pathogens. However, a certain quantity of silicon remains in solution as monosilicic acid (H4SiO4), and it is now believed that this fraction is responsible for the prophylactic properties of silicon by modulating the plant's defence response. The beneficial effects of silicon on the incidence and the intensity of fungal diseases were described in a variety of pathosystems. However, the exact nature of the interaction between silicon and plant defence or resistance mechanisms is unknown. We propose that silicon influences the biochemical activity of components responsible for post-elicitation intracellular signaling, and that it thus has a bioactive role in the defence or the resistance of plants against pathogenic fungi. In order to study the biological and prophylactic effects of silicon treatment, and using the oligonucleotide microarray technology, we carried out a complete transcriptome analysis of Arabidopsis plants inoculated or not with powdery mildew (Erysiphe cichoracearum) and treated or not with silicon. The application of silicon to non-inoculated plants significantly altered the relative abundance of only two out of ca. 40,000 transcripts (28,500 genes and over 10,000 unannotated transcripts). On the other hand, the inoculation with Erysiphe cichoracearum resulted in the significant induction of 2,387 genes and to the repression of 1,583 genes. For each gene and using innovative data-processing methods, we generated a single simplified functional annotation by using the final annotation of the Arabidopsis genome, the Kyoto Encyclopedia of Genes and Genomes (KEGG), Aracyc biochemical pathways and two public databases of transcription factors (DATF and ATTFDB). The differentially expressed genes were classified into 58 functional categories including 24 categories directly involved in plant defence mechanisms and pathogenesis. This approach made it possible to appreciate as a whole the cascade of transcriptional events involved in the interaction Arabidopsis-powdery mildew in presence or absence of silicon. In response to the infection, 73% of defence genes (R genes, stress-related transcription factors, genes responsible for the generation of stress signals, the synthesis of antimicrobial compounds, metabolism of reactive oxygen species, PR proteins, etc.) were significantly induced. On the other hand, the disease critically affected essential processes such as photosynthesis and energy metabolism. Silicon treatment resulted in a 25% median attenuation of the repression in infected plants, whereas induction was maintained to a similar level in control and silicon treated plants. The role of silicon in plant biology, its essential or beneficial status, its direct or indirect effect on growth, and its bioactive or mechanical mode of action are discussed for decades. Results obtained in this study lead us to conclude that silicon alone does not have an effect on the metabolism of plants growing in a controlled environment (i.e. without stress), which supports the assumption that silicon is not an essential element. Silicon treatment increases the resistance to fungal infection, which results in an attenuation of the repression of genes involved in the energy metabolism and photosynthesis; silicon is thus beneficial for a plant under biotic stress. The mode of action of silicon in prophylaxis and stress attenuation seems active because gene induction by the fungal pathogen Erysiphe cichoracearum is maintained in silicon treated Arabidopsis; the influence of silicon thus cannot be reduced to a mechanical effect.

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