Study of the membrane lipid metabolism and associated genes in Vigna unguiculata (L.) Walp under combined abiotic stress (drought/ozone)
Étude du métabolisme des lipides membranaires et des gènes associés chez Vigna unguiculata (L.) Walp sous contraintes abiotiques combinées (sécheresse/ozone)
Résumé
Global climate changes are responsible for the increased frequency of episodes of drought and high concentrations of tropospheric ozone, which can occur simultaneously to reduce plant growth, limiting agricultural production and affecting the food supply for an increasing world population. These environmental stresses can lead to the overproduction of reactive oxygen species, promoting oxidative stress and causing metabolic imbalance. Cell membranes are the primary targets of damage induced by stresses and the preservation of cell integrity through remodeling of membrane lipids is essential for plant survival under adverse conditions. The objective of this study was to investigate the effects of drought, ozone and the combined stresses in two cowpea cultivars with different degrees of drought tolerance: EPACE-1 and IT83-D through physiological responses and a study focused on the content and composition of membrane lipids, as well as on the expression of genes related to the biosynthesis and degradation of these lipids. Drought and ozone (120 ppb), isolated or in combination, were applied on three-week-old seedlings during two weeks. After 7 and 14 days of treatments, physiological parameters were determined. Lipids extracted from leaves were analyzed by gas chromatography/mass spectrometry. Transcript accumulation (VuMGD1, VuMGD2, VuDGD1, VuDGD2, VuCLS, VuFAD7, VuFAD8, VuPLD1 and VuPAT1) was detected in leaves by real time PCR. In both cultivars, drought inhibited the plant growth and photosynthesis through stomatal closure, which appeared to involve the gene expression of phospholipase D (VuPLD1). Ozone caused foliar injury and degradation of galactolipids, mainly in IT83-D. In this cultivar, the damage resulted in an increase in DGDG:MGDG ratio and in VuDGD2 expression. Furthermore, a partial decrease in the phospholipids content in response to ozone was associated with an increase in VuPLD1 expression, suggesting a replacement of phospholipids by DGDG. Differently, EPACE-1 cultivar in the presence of ozone, concomitantly with the degradation of galactolipids, showed an increase in storage lipids and DPG (cardiolipin) contents. The two stresses in combination led to results similar to those observed in response to the drought treatment alone, in both cultivars, which likely reflected the severe restriction of ozone uptake resulting from drought-induced stomatal closure. In conclusion, the present results highlight the prominent role of membrane lipids in the metabolic adjustments that occur for the plant tolerance to drought and ozone
Les changements climatiques globaux sont responsables de l'augmentation de la fréquence des épisodes de sécheresse et de fortes concentrations d'ozone troposphérique, qui peuvent se produire simultanément pour réduire la croissance des plantes en limitant la production agricole et affectant la fourniture de nourriture pour une population mondiale croissante. Ces contraintes environnementales peuvent conduire à la surproduction d'espèces réactives de l'oxygène en favorisant le stress oxydatif et provoquant un déséquilibre métabolique. Les membranes cellulaires sont les premières cibles des dommages induits par le stress et la préservation de l'intégrité cellulaire par le remodelage des lipides membranaires est essentielle pour la survie des plantes dans des conditions défavorables. L'objectif de cette étude était d'étudier les effets de la sécheresse, de l'ozone et des contraintes combinées chez deux cultivars de haricot niébé dotés de différents degrés de tolérance à la sécheresse: EPACE-1 et IT83-D par des réponses physiologiques et par une étude portée sur la teneur et la composition des lipides de membrane, ainsi que dans l'expression de gènes liés à la biosynthèse et la dégradation des ces lipides. La sécheresse et l'ozone (120 ppb), seuls ou en combinaison, ont été appliqués aux plantes après trois semaines de germination pendant deux semaines. Après 7 et 14 jours de traitements, des paramètres physiologiques ont été déterminés. Les lipides extraits de feuilles ont été analysés par chromatographie en phase gazeuse/spectrométrie de masse. L'accumulation de transcrits (VuMGD1, VuMGD2, VuDGD1, VuDGD2, VuCLS, VuFAD7, VuFAD8, VuPLD1 et VuPAT1) a été détecté chez les feuilles par PCR en temps réel. Chez les deux cultivars, la sécheresse a limité la croissance et la photosynthèse par la fermeture des stomates, ce qui a semblé impliquer l'expression génétique de la phospholipase D (VuPLD1). L'ozone a causé des dommages foliaires et de la dégradation des galactolipides, principalement chez IT83-D. Chez ce cultivar, les dommages ont impliqué dans l'augmentation du ratio DGDG:MGDG et de l'expression de VuDGD2. De plus, une diminution partielle de la teneur en phospholipides en réponse à l'ozone a été associée à une augmentation de l'expression de VuPLD1, ce qui suggère un remplacement des phospholipides par DGDG. Contrairement, le cultivar EPACE-1 en présence d'ozone, en même temps que la dégradation des galactolipides, a montré une augmentation de la teneur en lipides de réserve et en DPG (cardiolipine). La combinaison des contraintes a conduit à des résultats similaires à ceux de la sécheresse appliquée séparément, chez les deux cultivars, ce qui reflète probablement la forte restriction de l'absorption de l'ozone en raison de la fermeture des stomates induite par la sécheresse. En conclusion, les présents résultats mettent en évidence le rôle important des lipides membranaires dans les ajustements métaboliques qui se produisent pour régler la tolérance des plantes à la sécheresse et à l'ozone
Origine : Version validée par le jury (STAR)
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