Contribution of the plant cell wall, and specifically the pectin remodeling enzymes to salt tolerance in Arabidopsis

La salinisation des sols est une situation préoccupante rencontrée dans plusieurs régions du monde où la pression sur l'eau devient de plus en plus forte, notamment en raison des changements climatiques et de la nécessité d'augmenter le rendement des cultures face à une population mondiale croissante. La présence d'un excès de sels dans le sol affecte les mécanismes physiologiques de la plante réduisant ainsi la production végétale. Une meilleure connaissance des mécanismes de défense des plantes en réponse au stress salin s'avère indispensable pour fournir des stratégies efficaces dans l'amélioration des cultures. La paroi végétale, première barrière physique entre le compartiment cellulaire végétal et l'environnement, a un rôle essentiel dans les mécanismes de croissance et de différentiation cellulaire et aussi en réponse à différents stress, dont le stress salin. La paroi végétale est une structure complexe et dynamique constituée principalement de polysaccharides (cellulose, hémicelluloses et pectines). Les pectines peuvent être méthylestérifiées et acétylées, les degrés de méthylestérification (DM) et d'acétylation (DA) sont contrôlés in muro par des enzymes spécifiques, les pectine méthylestérases (PME, EC 3.1.1.11) et acétylestérases (PAE, EC 3.1.1.6). Quelques données de la littérature montrent l'implication des pectines et du degré de méthylestérification de ces dernières, dans la tolérance au stress salin. Ces travaux avaient pour objectif d'incrémenter les données parcellaires actuelles sur le rôle de la paroi en réponse au stress salin. Trois stratégies d'étude distinctes ont été mises en place en choisissant comme modèle d'étude la plante glycophyte Arabidopsis thaliana. D'une part, la variabilité naturelle entre deux écotypes communs d'Arabidopsis thaliana (Wassilewskija, Ws et Columbia, Col-0) en réponse au stress salin a été caractérisée par une approche intégrative établissant une corrélation entre les résultats obtenus via des analyses physiologiques, biochimiques, métabolomiques et protéomiques. Les résultats ont montré une meilleure tolérance du stress salin associée au fond génétique Ws, avec un stade de développement plus avancé, une meilleure détoxification des espèces réactives à l'oxygène et une paroi plus riche en hémicelluloses et lignines. D'autre part, une approche de génétique inverse a été développée afin de déterminer les rôles fonctionnels des enzymes de modification des pectines AtPME3 et AtPAE7 dans la réponse au stress salin. Les résultats ont mis en évidence une perturbation du remodelage de la paroi par le stress salin. En effet, le stress salin induit une modulation des activités des enzymes de modification des pectines associée à une altération du patron de méthylestérification des pectines mais également à une réduction plus importante des homogalacturonanes et une augmentation des arabinanes par rapport aux plantes témoins. Enfin, une approche plus informative associant le métabolisme pariétal, la voie de détoxification des ions sodium, et l'impact des ions calcium sur la paroi a été menée afin de caractériser le remodelage pariétal induit par le stress salin chez le mutant hypersensible Atsos1 dont le gène SOS1 code un antiport Na+/H+ responsable de l'exclusion du Na+ à l'extérieur de la cellule. Les résultats préliminaires montrent une activité PME et PAE plus faibles que chez les plantes témoins en réponse au stress salin. Cela s'accompagne d'une réduction des acides galacturoniques et des résidus mannose. Ces résultats montrent que le remodelage des pectines et le mannose, semblent jouer un rôle prépondérant dans la tolérance au stress salin. L'ensemble des données confirme le rôle essentiel de la paroi et l'implication du calcium dans la tolérance au stress salin chez ce mutantSoil salinization is a alarming situation encountered in several regions of the world where the pressure on water is becoming increasingly strong, especially due to climate change and the need to increase crop yields to face a global growing population. Excess of salt in soil affects plant physiological mechanism thus reducing plant production. A better knowledge of plant defense mechanism in response to salt stress is crucial to provide efficient strategies in crop yield. The plant cell wall is the first physical barrier between the plant cell compartment and the environment and plays an essential role in cell growth and development but also in response to various stresses, including salt stress. The cell wall is a highly complex and dynamic structure, mainly composed of polysaccharides (cellulose, hemicelluloses and pectins). Pectins can be methylesterified and acetylated, and their degree of methylesterification (DM) and acetylation (DA) can be modulated in muro by specific enzymes, pectin methylesterases (PMEs, EC 3.1.1.11) and acetylesterases (PAEs, EC 3.1. 1.6). Some parcelar data from the literature showed the role of pectins and their degree of methylesterification in tolerance to salt stress. The aim of this work was to provide new insights on the role of the cell wall in response to salt stress in the glycophyte Arabidopsis thaliana. Three distinct strategies were developed. Firstly, the natural variation between two common accessions of Arabidopsis thaliana (Wassilewskija, Ws and Columbia, Col-0) in response to salt stress has been characterized using an integrative approach establishing a correlation between physiological, biochemical, metabolomics and proteomics analyses. The results showed a better tolerance to salt stress associated with the genetic background Ws with an older developmental stage, a more efficient detoxification of reactive oxygen species and a higher content of xylan, mannan and lignin within the wall. Secondly, a reverse genetics approach has been developed to determine the contribution of two pectin remodeling enzymes, AtPME3 and AtPAE7 in salt tolerance. The results showed changes in the cell wall sugar composition as a reduction in homogalacturonan and an increase in arabinan in both atpme3 and atpae7 mutants after a long exposure to salt. Additionaly, salt stress induces a modulation of the PRE activities with an alteration of the pectin methylesterification pattern indicating a role of PME and PAE in cell wall integrity under salinity. Finally, a more informative approach combining cell wall metabolism, pectin remodeling enzymes, sodium ion detoxification pathway, and impact of calcium ions on cell wall integrity was carried out to characterize the role of the cell wall in the sodium hypersensitive mutant Atsos1. The SOS1 gene encodes a Na+/H+ antiporter which is involved in Na + exclusion. Preliminary results revealed that PME and PAE activities remained unchanged in atsos1 unlike the wild-type where the activites increased. That was associated with a reduction in pectin and mannan in atsos1, which was recovered by Ca2+ supply. All these data suggest the key role of atsos1 to maintain cell wall integrity under salt stres