Search determinants controlling cadmium accumulation in lettuce (Lactuca sativa)

Les activités humaines agricoles, urbaines et industrielles, sans cesse croissantes, sont à l'origine d'une contamination de notre environnement par les métaux lourds. Alors que de nombreuses molécules organiques peuvent être dégradées, les métaux lourds ne le peuvent pas et leur concentration augmente régulièrement dans les sols et les eaux. Ceci expose les plantes à des concentrations croissantes de métaux lourds. L'accumulation de métaux lourds dans les plantes présente un risque toxique pour l'Homme, car les plantes cultivées sont le point d'entrée dans la chaîne alimentaire. Par comparaison aux autres espèces, la laitue «Lactuca sativa» a tendance à présenter des teneurs élevées en cadmium, un métal lourd très toxique dont la concentration croît régulièrement dans les sols cultivés pour des raisons environnementales. En termes de sécurité alimentaire, il est donc important de produire des variétés accumulant des teneurs en cadmium réduites, et la laitue est un bon modèle pour débuter ce type d'approche. L'objectif de notre thèse était de caractériser aux niveaux physiologique, génétique, et moléculaire, les déterminants majeurs contrôlant l'accumulation du cadmium chez la laitue. Notre objectif a été décliné en différentes opérations. Tout d'abord une analyse de diversité nous a permis de décrire la capacité d'accumulation de cadmium de 18 génotypes de laitue et de sélectionner des génotypes présentant des performances extrêmes vis-à-vis du cadmium. Ainsi, des génotypes présentant des performances extrêmes du point de vue de la tolérance au cadmium, de l'accumulation de cadmium et de la capacité de translocation du cadmium des racines vers les parties aériennes ont été sélectionnés. Dans une deuxième étape, nos variétés extrêmes pour les caractères d'accumulation de cadmium et de translocation de cadmium des racines vers la partie aérienne ont été utilisées pour développer une approche physiologique. L'objectif de cette approche était de montrer l'origine de leur variabilité afin de comprendre les déterminants physiologiques contrôlant l'accumulation du cadmium chez la laitue. Dans le cadre de cette approche, des expériences d'efflux faites en utilisant du cadmium radioactif (109Cd) ont montré que la variété la moins accumulatrice de cadmium se caractérise par un efflux de cadmium marqué plus important par comparaison aux autres variétés. Cette variété possède vraisemblablement un mécanisme d'efflux plus efficace par comparaison aux autres variétés qui pourraient être le déterminant majeur permettant d'obtenir une plus faible accumulation de cadmium chez cette variété. Notre étude a permis de montrer une forte corrélation positive entre teneur en cadmium et teneur en zinc. Ce qui a permis d'émettre l'hypothèse d'un transport très associé entre le cadmium et le zinc.Cadmium is an extremely toxic pollutant causing a great number of diseases. It is a widespread metal which concentration rises in cultivated soils, thus exposing food or feed crops to it and ultimately causing potential major sanitary problems as a consequence of its entry in the food chain. Among the vegetable species used for food, lettuce shows one of the highest capacities of accumulating cadmium. Our objectives are to characterize mechanisms controlling cadmium accumulation in this species and identify the corresponding genetic determinants, ultimately aiming at breeding lettuce for cadmium under-accumulation.A phenotypical analysis of cadmium accumulation was carried out on 18 lettuce genotypes representing the genetic diversity of the species, revealing a great variability of response, both with respect to cadmium accumulation and cadmium translocation from roots to shoot. The lettuce genotypes displayed independent variations for both traits, and also between these traits and cadmium tolerance. In contrast, a very strong positive correlation linked cadmium and zinc accumulation. Increasing calcium and iron concentration in the culture medium had a protective effect against cadmium accumulation, however this characteristic did not discriminate the lettuce genotypes presenting extreme cadmium accumulation phenotypes. Interestingly, experiments measuring 109Cd influx in roots, 109Cd efflux from roots and 109Cd translocation from roots to shoots revealed that the genotype displaying the least cadmium accumulation could be discriminated from the genotype displaying the highest one by its markedly increased ability to efflux cadmium from the roots to the culture medium. Progeny analysis from crosses between the genotypes displaying extreme performances for cadmium accumulation, cadmium translocation from roots to shoots and cadmium tolerance revealed that none of these traits was supported by a single genetic determinism. QTL mapping is under development. Surprisingly, the genetic analysis demonstrated that the ability to limit cadmium accumulation (and thus probably to increase cadmium efflux from the roots) was recessive.In conclusion, phenotypic analysis of cadmium accumulation in a large set of lettuce genotypes revealed that a major determinant limiting cadmium accumulation in these species is the ability to efflux cadmium from the root to the culture medium