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La gestion des stress hydriques par le système racinaire des plantes

Par leurs racines, les plantes perçoivent divers paramètres du sol, tels que sa teneur en oxygène ou en nutriments. La détection de leur variation permet à la plante d’ajuster en conséquence l’absorption racinaire d’eau. L’Inra et le CNRS, en collaboration avec Syngenta, ont mis à jour un mécanisme adaptatif de la plante au stress hydrique. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives en sélection.

Le stand INRA au Salon International de l'Agriculture 2015 (21 février - 1er mars). Un Rhizotron est un outil permettant de visualiser l'architecture racinaire d'une plante, ici une légumineuse.. © © INRA, NICOLAS Bertrand
Mis à jour le 17/03/2017
Publié le 25/11/2016

Le comportement des plantes face au stress hydrique

Chez la plupart des végétaux en situation d’inondation et donc d’hypoxie (manque d’oxygène), l’absorption de l’eau par les racines est régulée négativement et se traduit par un flétrissement des feuilles et la fermeture des stomates. En parallèle, l’absorption des macronutriments (azote, phosphate et potassium) est inhibée. En cas de déficit hydrique (sécheresse), les racines ajustent continument leur croissance et l’absorption de l’eau afin de maintenir le statut hydrique de la plante. Les mécanismes liant, dans ces différents contextes,  les propriétés du sol à l’hydraulique des racines sont encore très mal connus.

HydroRoot : un projet pour comprendre l’utilisation de l’eau par la plante

L’absorption de l’eau par les plantes est déterminée par différents facteurs : 1. les conditions d’environnement (sécheresse, inondation, disponibilité en nutriments du sol...), 2. l’architecture racinaire et les caractéristiques anatomiques (barrières endodermiques, taille des vaisseaux du xylème), 3. l’activité des aquaporines, protéines de type « canal hydrique » dont le rôle est de faciliter le passage de l’eau au travers des membranes cellulaires.

Pour comprendre les mécanismes qui contrôlent la conductivité hydraulique des tissus, les chercheurs ont couplé phénotypage hydraulique, génétique quantitative et modélisation mathématique chez la plante modèle Arabidopsis thaliana.

Rôle des aquaporines et identification de gènes impliqués dans le transport de l’eau

Pour décortiquer les bases génétiques du transport racinaire d’eau, les chercheurs ont tout d’abord considéré des gènes candidats. Ils ont ainsi analysé des génotypes altérés dans la fonction des aquaporines, la différenciation de la barrière endodermique ou la différenciation du xylème. Ces études révèlent notamment le rôle crucial du dépôt de lignine au niveau de l’endoderme. D’autres mutants ainsi qu’une modélisation mathématique du transport racinaire d’eau montrent que la conductance hydraulique axiale (au travers des vaisseaux du xylème) est fortement dépendante de l’architecture racinaire. Les flux d’eau radiaux, quant à eux, sont dépendants des aquaporines, dont la fonction est inhibée en conditions de stress abiotiques.

Teneur en potassium et détection de l’oxygène : des paramètres de l’hydraulique des racines

L’approche génétique quantitative a mis en évidence le gène HCR1, codant pour une protéine kinase de la famille des MAP3K. Ce gène agit comme un régulateur négatif du transport racinaire d’eau et de l’activité racinaire des aquaporines. Il est lié à la réponse de la racine à l’hypoxie, en relation avec la disponibilité en potassium. Par intégration de ces deux signaux, le gène HCR1 module la résilience des plantes à divers scénarios d’inondation : les plantes intègrent en particulier les possibilités de croissance ultérieures liées à la présence de nutriments dans le sol.
Ces résultats constituent des bases innovantes pour élaborer des stratégies génétiques et agrochimiques ciblant les régulateurs centraux de l’hydraulique racinaire chez les plantes cultivées. La modélisation hydraulique de la racine, couplée aux approches génétiques, permet également d’entrevoir un phénotypage plus efficace des plantes au champ et la sélection de génotypes adaptés à la sécheresse.

Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :

  • Christophe Maurel (04 99 61 20 11) Unité mixte de recherche Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes - UMR386 B&PMP - Inra, CNRS, Montpellier SupAgro, Université de Montpellier, 2 place Viala, 34060 Montpellier cedex 2
Département(s) associé(s) :
Biologie et amélioration des plantes
Centre(s) associé(s) :
Occitanie-Montpellier

Sources

  • Zaigham Shahzad, Mathieu Canut, Colette Tournaire-Roux, Alexandre Martinière, Yann Boursiac, Olivier Loudet, Christophe Maurel, « A potassium-dependent oxygen sensing pathway regulates plant root hydraulics», Cell, 167, 87-98, september 22,2016.