Response of two oaks (Quercus petraea & Quercus robur) to soil flooding: non-symbiotic hemoglobin involvement
Étude de la réponse à l'ennoyage chez le chêne sessile (Quercus petraea) et le chêne pédonculé (Quercus robur): Implication de l'hémoglobine non-symbiotique
Résumé
Flooding is a common environmental stress inducing a decline in plant growth, development and regeneration. Waterlogging leads to low oxygen levels (hypoxia) in the root environment due to an excess of water in the soil. In response to hypoxia, plants switch their metabolism from aerobic respiration to anaerobic fermentation and can develop morphological adaptations (aerenchyma, hypertrophied lenticels and adventitious roots). Sessile and pedunculate oak are two closely related species that display a strong differential tolerance to soil flooding. However, few reports exist about the physiological processes leading to their response to flooding. Growths, but also morphological, anatomical and physiological changes studied in both species in response to waterlogging, have confirmed that sessile oak is more sensitive to this stress. Pedunculate oak, the more tolerant species, succeeded in maintaining its water status and its photosynthetic activity at a higher level than sessile oak. Non-symbiotic hemoglobin enhances plant survival in hypoxic conditions by interacting with nitric oxide (NO). We cloned and characterized a novel non-symbiotic hemoglobin gene in sessile oak, QpHb1, coding for a 161 amino acid protein and showing all characteristics of class1 non symbiotic hemoglobins. In both oak species, QpHb1 is more highly expressed in roots than in stem or leaves, suggesting a particular role in this tissue. QpHb1 expression analyzed by northern blotting showed a strong decline from the first hours of stress in sessile oak which continued until the end of the experiment (28 days). In contrast, QpHb1 expression in pedunculate oak, exhibits a more complex scheme: an early rise in expression after 1h of waterlogging followed by a strong decline after 3h. This regulation could be related to the implication of non-symbiotic hemoglobin in rapid stress signaling and consequently in the induction of tolerance. Indeed, QpHb1 root localization performed by in situ hybridization showed a strong expression in protoderm cells, suggesting a sensing function of rhizospheric modifications. In addition, the protoxylem localization of QpHb1 could also indicate a role in root to shoot signalization by S-nitrosylation. In response to several weeks of flooding stress, pedunculate oak displayed morphological adaptations (aerenchyma, hypertrophied lenticels and adventitious roots) and exhibited a higher level of QpHb1 transcripts than sessile most notably in adventitious roots. The spatio-temporal regulation of QpHb1 could be involved in the tolerance capacity as well as in signaling cascade leading to developmental adaptations.
L'ennoyage est un phénomène courant qui se répercute sur les végétaux en diminuant leur croissance, leur développement et leur régénération. Il entraîne une forte diminution du taux d'oxygène (hypoxie) dans le compartiment racinaire résultat de l'excès d'eau dans le sol. Face à ce stress, certaines plantes sont capables intensifier leur métabolisme anaérobie et développer des adaptations morphologiques (lenticelles hypertrophiées, aérenchymes, racines adventives). Le chêne sessile (Quercus petraea Matt L.) et le chêne pédonculé (Quercus robur L.) présentent une différence de tolérance à l'ennoyage du sol mais sont génétiquement proches. Cependant, il existe peu de connaissances sur les processus physiologiques mis en place par ces deux espèces durant ce stress. La croissance ainsi que certains changements morphologiques, anatomiques et physiologiques étudiés chez les deux espèces en réponse à un ennoyage, ont confirmé que le chêne sessile était davantage sensible à ce stress. Le chêne pédonculé, espèce plus tolérante, parvient à maintenir son statut hydrique de même que son activité photosynthétique plus longtemps et à des niveaux moins critiques que le sessile. L'hémoglobine non-symbiotique améliore la survie des plantes en conditions d'hypoxie en interagissant avec le monoxyde d'azote (NO). Le clonage d'une hémoglobine non-symbiotique chez le chêne sessile a permis d'isoler le gène QpHb1 codant pour une protéine de 161 acides aminés et présentant toutes les caractéristiques communes aux hémoglobines non-symbiotiques de classe 1. Chez les deux espèces, QpHb1 est davantage exprimé dans les racines que dans la tige ou les feuilles, suggérant un rôle particulier dans ce tissu. L'expression de QpHb1 analysée par Northern blotting a montré une chute d'expression dans les racines dès les premières heures de stress chez le chêne sessile qui se poursuit durant toute la durée de l'expérience (28 jours). Alors que chez le chêne pédonculé, l'expression de QpHb1 suit un schéma plus complexe : on observe un pic d'expression après 1h d'ennoyage suivi d'une forte inhibition après 3h. Cette régulation pourrait être synonyme d'une implication de l'hémoglobine non-symbiotique dans la signalisation rapide du stress et par conséquent dans la mise en place de la tolérance. D'ailleurs sa localisation par hybridation in situ au niveau racinaire a montré que QpHb1 se situait au niveau des cellules du protoderme, pouvant suggérer un rôle dans la détection des modifications de la rhizosphère mais aussi au niveau du protoxylème qui pourrait lui permettre de participer à la signalisation entre l'appareil racinaire et l'appareil aérien via la S-nitrosylation. Dans la réponse à un ennoyage de plusieurs semaines, le chêne pédonculé met en place des adaptations (aérenchymes, lenticelles hypertrophiées et racines adventives) et exprime davantage QpHb1 que le chêne sessile notamment dans les racines adventives. La régulation spatio-temporelle de QpHb1 pourrait être impliquée dans la capacité de tolérance ainsi que dans la cascade de signalisation menant au développement de ces adaptations.