Notre contribution à KliwiResse

Nous avons étudié la voie hormonale des jasmonates depuis de longues années et démontré chez différentes espèces son effet positif sur la tolérance à plusieurs stress comme des attaques microbiennes ou des conditions environnementales extrêmes. Nous avons aussi déterminé que des modifications enzymatiques subtiles de l’hormone peuvent changer le niveau de résistance induite. Une signature hormonale particulière nous permet donc de prédire l’activité de signalisation et de rechercher les cibles régulées dans le matériel végétal soumis à diverses situations physiologiques favorables ou stressantes. Dans le cadre de KliwiResse, nous allons appliquer cette démarche à la vigne et procéder à la caractérisation métabolique de nombreuses variétés (sauvages et cultivées) fournies par les partenaires JKI et KIT, plus ou moins tolérantes à la sècheresse et à la chaleur.

Celle-ci sera menée par analyse en chromatographie liquide ou gazeuse couplée à la spectrométrie de masse, les résultats seront exploités avec une suite d’outils bioinformatiques spécialisés. Cette approche nous permettra d’une part de d’établir les profils hormonaux (particulièrement les jasmonates) associés avec un comportement particulier en réponse aux stress, et d’autre part d’identifier des marqueurs métaboliques caractéristiques de la tolérance ou de la sensibilité. Ces connaissances nouvelles devraient faciliter la prédiction de la résilience au stress dans de nouvelles variétés.

Nos premiers résultats

Notre contribution
Nous étudions la réponse de la vigne au stress thermique, en examinant la question du point de vue métabolomique. L’idée est que certaines des propriétés d’adaptation, ou de susceptibilité à la chaleur pourraient reposer sur l’accumulation particulière de composés naturels (les ‘métabolites’), avant ou après l’exposition au stress. On cherche donc à identifier quels métabolites caractérisent une variété sensible à la chaleur comme le Riesling cultivé ou au contraire tolérante à la chaleur comme la vigne sauvage Hördt 29. Dans ce but, on utilise des échantillons de feuilles de plantes cultivées au KIT à l'été 2023, issus d'une expérience de stress thermique en conditions contrôlées comprenant des points de mesure précoce, intermédiaire et tardif, entre ces deux variétés contrastées de vigne.

Comment avons-nous procédé ?
Dans un premier temps, nous avons extrait de ces nombreux échantillons de feuilles les molécules moyennement polaires en vue de leur analyse métabolomique. Les composés sont d’abord séparés par chromatographie liquide ou gazeuse, avant leur fragmentation par spectrométrie de masse, ce qui permet leur quantification relative ou absolue, et éventuellement leur identification. Ces méthodes permettent une cartographie métabolique ciblée ou globale et, appliquées à une étude cinétique, fournissent une image de l’évolution comparée de voies biochimiques entre différentes variétés de plantes.

Nous avons réalisé une première analyse ciblée sur la réponse hormonale au stress thermique. Chez une plante, les hormones participent à la régulation de la croissance, du développement et de la réponse à divers types de stress, en particulier face aux contraintes de l’environnement. Nous avons ensuite effectué une analyse non ciblée à haute résolution qui nécessite des traitements bio-informatiques complexes pour obtenir leur identification potentielle. Ces analyses nous aideront à déterminer des différences métaboliques majeures entre Riesling et Hördt 29, dont certaines pourraient être associées à la tolérance ou à la sensibilité à la chaleur.

Actuellement, nous réalisons une analyse du métabolisme central pour caractériser l’évolution en condition de chaleur des molécules essentielles dans les différents processus comme par exemple la photosynthèse et sa production glucidique, la respiration, l'assimilation des nutriments, et la différenciation des tissus.

Quelle est la réponse métabolomique à la chaleur ?
A partir de l’expérience de comparaison entre la vigne sauvage Hördt 29, et le cépage Riesling, nous avons déterminé le profil hormonal de différents dérivés de l’acide jasmonique, ainsi que l’acide abscisique et l’acide salicylique face au stress thermique. Il a été observé que l'abondance de certains dérivés hormonaux de l’acide jasmonique était réduite sous l'effet de la chaleur, mais sans différence notable entre les deux types de vignes. Contrairement à la réponse au froid, la voie de l’acide jasmonique ne semble donc pas prépondérante dans l’adaptation rapide aux températures élevées. Les niveaux de deux autres hormones de stress, l'acide abscisique et l'acide salicylique, étaient peu affectées par ce stress.

Dans un deuxième temps, l’exploration non ciblée par LC-MS a identifié de nombreux métabolites appartenant à différentes classes biochimiques, qui s'accumulent différemment dans les deux variétés, parfois déjà avant l’exposition au stress thermique. Par exemple, Hördt 29 est plus riche en précurseurs de tannins, et Riesling contient plus de dérivés de flavonoïdes. D’autres composés présentent une signature particulière entre les deux variétés en réponse au stress. Nous travaillons à comprendre le lien entre ces différences et leur signification en termes de tolérance à la chaleur. L'analyse du métabolisme central complétera notre compréhension de ces processus différentiels et nous permettra de apporter de bases moléculaire aux résultats des mesures physiologiques réalisés par le KIT.

Publications significatives pour le projet

Ndecky S, Nguyen TH, Eiche E, Cognat V, Pflieger D, Pawar N, Betting F, Saha S, Champion A, Riemann M, Heitz T. (2023) Jasmonate signaling controls negative and positive effectors of salt stress tolerance in rice. J Exp Bot. doi: 10.1093/jxb/erad086.

Marquis, V., Smirnova, E., Graindorge, S., Delcros, P., Villette, C., Zumsteg, J., Heintz, D. and Heitz, T. (2022). Broad-spectrum stress tolerance conferred by suppressing jasmonate signaling attenuation in Arabidopsis JASMONIC ACID OXIDASE (JAO) mutants. The Plant Journal. 109:856-872. doi:10.1111/tpj.15598.

Marquis V, Smirnova E, Poirier L, Zumsteg J, Schweizer F, Reymond P and Heitz T. (2020) Stress- and pathway-specific impacts of impaired jasmonoyl-isoleucine (JA-Ile) catabolism on defense signalling and biotic stress resistance. Plant Cell Environ 43, 1558-1570. doi: 10.1111/pce.13753.

Heitz T., Smirnova E., Marquis V., and Poirier L. (2019) Metabolic Control within the Jasmonate Biochemical Pathway. Plant Cell Physiol. 60, 2621-2628. doi:10.1093/pcp/pcz172.

Hazman M., Sühnel M., Schäfer S., Zumsteg J., Lesot., Beltran F., Marquis V., Herrgott L., Miesch L., Riemann M. and Heitz T. (2019) Characterization of Jasmonoyl-Isoleucine (JA-Ile) Hormonal Catabolic Pathways in Rice upon Wounding and Salt Stress. Rice (N Y) 12, doi: 10.1186/s12284-019-0303-0.

Participants

Thierry Heitz est chargé de la coordination générale du partenaire IBMP. Hugues Renault apportera une expertise en analyse métabolique, particulièrement en GC-MS. Claire Villette est responsable de l’instrument d’analyse métabolique à haute résolution. Ludivine Malherbe apportera une aide logistique et technique. Dennisse Beltran sera chargée de la préparation des extraits métaboliques, leur analyse par LC-MS, et du traitement des données.