Contribution of pectin metabolism to temperature-induced growth in Arabidopsis thaliana
Contribution du métabolisme des pectines dans la croissance induite par la température chez Arabidopsis thaliana
Résumé
Understanding how global warming impacts plant growth is crucial for improving crop yields. In species such as Arabidopsis thaliana, plants exposed to high temperatures exhibit fast growth, a phenomenon known as thermomorphogenesis, and for which many cell wall-related genes were identified as involved. This suggests that cell wall modifications are required to promote the temperature-induced growth. The primary cell wall of Arabidopsis thaliana is mainly composed of pectins, especially homogalacturonans (HG). These HGs are synthesized in a highly methylesterified form by enzymes such as galacturonosyltransferases (GAUTs), as well as by HG methyltransferases (HGMTs). After their secretion into cell wall, HG are selectively demethylesterified and depolymerized by a set of remodeling enzymes that notably includes the pectins methylesterases and polygalacturonases (PMEs and PG). These processes modulate the HG structure, impacting cell wall mechanics and growth. Although HG synthesis and remodeling are known to be essential for modifying cell wall underlying growth, these two processes are usually studied independently. To get a better understanding of the contribution of HG synthesis and remodeling in the control of growth, a new developmental model of the temperature-induced hypocotyl elongation was used, by transferring seedlings from moderate to high temperature. First analyses of Col-0 wild-type ecotype, revealed a rapid increase in growth following the transfer, which was mainly located in the middle part of the hypocotyl. Changes in cell wall properties as well as significant modifications of the degree of methylesterification of HG (DM) and PME activity were shown. In addition, HG fingerprint revealed specific enrichment of certain HG type, rather corresponding to random patterns of methylesterification, for hypocotyls exposed to higher temperature. Furthermore, many genes encoding HG-related enzymes were identified as modulated by elevating temperature, notably numerous GAUTs and PMEs. These results suggest increased HG synthesis with changes in demethylesterification, correlating with HG fingerprint. To better understand the contribution of HG synthesis and remodeling in the temperature-induced growth, loss-of-function mutants were selected. The pme22 mutant for impaired remodeling (defective in HG demethylesterification), and the two double mutants gaut10gaut11 and cgr2cgr3 for altered synthesis (impaired in polymerization and methylesterification of HG, respectively). First analyses confirmed that mutants were defective in the temperature-induced hypocotyl growth. Further analyses for the two double mutants revealed changes in cell wall that can correlate with impaired hypocotyl growth, while the DM and the PME activity differ of Col-0 as well as between the two mutants. Moreover, HG fingerprints assessed for both mutants revealed differences in the structure of HGs compared to the wild type. Collectively, our results highlight significance of the HG backbone polymerization by GAUTs and the DM regulation by HGMTs, during thermomorphogenesis. These first results thus pave the way for a deeper understanding of the fundamental roles of HG synthesis and remodeling in the regulation of plant growth.
Comprendre limpact du réchauffement climatique sur la croissance des plantes est essentiel pour lamélioration des cultures. Chez des espèces comme Arabidopsis thaliana, les plantes exposées à des températures élevées ont une croissance exacerbée, un phénomène connu sous le nom de thermomorphogenèse, et pour lequel de nombreux gènes liés au métabolisme pariétal ont été identifiés comme impliqués. Cela suggère que des modifications de la paroi cellulaire sont nécessaires à la mise en place de la croissance induite par la température. La paroi cellulaire primaire dArabidopsis thaliana est principalement composée de pectines, en particulier dhomogalacturonanes (HG). Les HG sont synthétisés sous forme hautement méthylestérifiée par des enzymes telles que les galacturonosyltransférases (GAUT), ainsi que par les HG méthyltransférases (HGMT). Après leur sécrétion dans la paroi cellulaire, les HG subissent une déméthylesterification et une dépolymérisation par des enzymes de remodelage, notamment des pectines méthylestérases et polygalacturonases (PME et PG). Ces processus ajustent la structure des HG, impactant les propriétés mécaniques de la paroi et la croissance. Bien que la synthèse et le remodelage de HG soient connus pour être essentiels dans la modification de la paroi cellulaire sous-jacente à la croissance, ils ont traditionnellement été étudiés indépendamment. Ainsi pour comprendre plus finement la contribution de la synthèse et du remodelage des HG dans le contrôle de la croissance, un nouveau modèle développemental délongation de lhypocotyle induite par la température (TIHE) a été utilisé, par transfert des plantules dune température modérée à une plus élevée. Les premières analyses réalisées sur lécotype sauvage Col-0, ont révélé une croissance rapidement augmentée après transfert, principalement localisée au milieu de lhypocotyle. Des modifications pariétales, accompagnées de changements significatifs du degré de méthylestérification des HG (DM) et de lactivité PME ont été observés. En outre, lempreinte enzymatique des HG a révélé un enrichissement spécifique de certaines populations pectiques, présentant plutôt un profil aléatoire de méthylesterification, pour des hypocotyles exposés à une température plus élevée. De plus, des gènes codant des enzymes associées aux HG ont été identifiés comme modulés par lélévation de température, notamment de nombreux gènes GAUT et PME. Ces résultats suggèrent une synthèse accrue des HG, associé à un changement dans la déméthylestérification, ce qui concorde avec les empreintes pectiques. Pour mieux comprendre la contribution de la synthèse et du remodelage des HG dans la croissance induite par la température, des mutants perte de fonction ont été sélectionnés. Le mutant pme22 pour un remodelage altéré (affecté dans la déméthylestérification des HG) et les doubles mutants gaut10gaut11 et cgr2cgr3 pour une synthèse déficiente (respectivement impacté dans la polymérisation et la méthylestérification des HG). Les premières analyses ont confirmé un défaut délongation de lhypocotyle en réponse à la température. Des analyses portant sur les doubles mutants, ont révélé des modifications de la paroi, qui peuvent corréler avec le retard de croissance, tandis que le DM et lactivité PME diffèrent de celle du sauvage mais également entre les 2 mutants. En outre, les empreintes pectiques réalisées chez les 2 mutants révèlent des différences de structure des HG comparées à celle du sauvage. Collectivement, ces résultats mettent en évidence limportance de la polymérisation du squelette des HG par les GAUT accompagnée de la régulation du DM par les HGMT, dans le contexte de la thermomorphogenèse. Ces premiers résultats ouvrent ainsi la voie à une compréhension plus approfondie du rôle fondamental de la synthèse et du remodelage des HG dans la régulation de la croissance végétale.