Soutenance de thèse de Olga ARESHEVA

La régulation de l'acquisition du CO2 pour la photosynthèse joue un rôle majeur dans l'évolution des plantes et leur adaptation aux conditions climatiques actuelles. Avec les variations de concentration de CO2 dans l'atmosphère et les changements climatiques associés, une meilleure compréhension des mécanismes qui sous-tendent ce processus, tels que la régulation stomatique et le transport du CO2 dans la feuille, est nécessaire. Dans la première partie de ce travail, nous examinons comment les changements de la concentration de CO2 au cours de l'histoire géologique ont contribué à déterminer la réponse stomatique et l'apparition des mécanismes de concentration du carbone. La deuxième partie de la thèse se concentre sur le rôle des anhydrases carboniques dans le transport et l'assimilation du CO2 dans les feuilles. Nous caractérisons la croissance, l'assimilation et le transport du CO2 dans des lignées d'insertion d'ADN-T simples, doubles et triples d'Arabidopsis thaliana dépourvues des principales β-anhydrases carboniques de la feuille (β-CA1, β-CA2, β-CA4). Nous montrons que les activités d'hydratation de βCA1, βCA2 et βCA4 affectent la dépendance en CO2 de la croissance d'A.thaliana, ce qui met en évidence un rôle important des β-CAs du plasmalemme et cytosol pour la croissance. En utilisant une technique de marquage isotopique développée dans notre laboratoire, nous démontrons qu’un double knock-out βCA1:βCA2 ou un triple knock-out βCA1:βCA2:βCA4 sont nécessaires pour montrer un effet significatif sur le transport du CO2 mésophylle. Nous présentons une comparaison quantitative de la conductance mésophyllienne aux sites de l'anhydrase carbonique chez Arabidopsis thaliana et des espèces proches de type C3 (Tareneya hassleriana) et C4 (Gynandropsis gynandra) de la famille des Cleomaceae. La troisième partie de la thèse étudie la réponse stomatique chez les espèces C3 et C4 de la famille des Cleomaceae. En utilisant la microdissection par capture laser, nous comparons les transcriptomes des cellules de garde et des cellules mésophylliennes dans les deux espèces. Nous présentons les caractéristiques des transcriptomes des cellules de garde communes à T. hassleriana, G. gynandra ainsi qu'à A. thaliana, et mettons en evidence en quoi le transcriptome des GCs des feuilles C4 diffère du C3 GC ancestral. Enfin, nous intégrons ces données dans le contexte de la voie métabolique C4 par analyse comparative de l'expression génique des cellules de garde, des cellules mésophylliennes et des cellules des gaines perivasculaires foliaires. Nous discutons également de la relation entre les profils de transcription et les différences des réponses stomatiques des C3 et C4. Bien que la plupart des modules de signalisation des ions et du CO2 semblent inchangés au niveau de la transcription dans les cellules de garde des espèces C3 et C4, des variations majeures dans les transcriptions associées aux voies liées au métabolisme du carbone et au développement stomatique sont mis en évidence. Les gènes associés à la photosynthèse C4 sont plus fortement exprimés dans les cellules de garde du C4 que dans les feuilles C3. De plus, nous identifions deux grands patrons d'expression tissulaires des gènes C4 spécifiques dans la feuille C4. Ces données impliquent qu'au moins deux réseaux de régulation des gènes agissent pour coordonner l'expression des gènes entre la gaine perivasculaire, le mésophylle et la cellule de garde dans la feuille C4.

Regulation of CO2 acquisition driven by photosynthesis plays a major role in plant evolution and their adaptation to current climatic conditions. With global variations of CO2 concentration in the atmosphere and associated climate changes, a better understanding of the mechanisms that underlie this process, such as stomatal regulation and CO2 transport in the leaf is required. In the first part of this work, we review how the changes in CO2 concentration across geological history contributed to shape current plant life, changes in stomatal function and the apparition of carbon-concentrating mechanisms. The second part of the thesis concentrates on the role of carbonic anhydrases for CO2 transport and assimilation in leaves. We characterize growth, assimilation rates and CO2 transport in single, double and triple T-DNA insertion lines of Arabidopsis thaliana that lack the main β-carbonic anhydrases of the leaf (β-CA1, β-CA2, β-CA4). We show that the hydration activities of βCA1, βCA2 and βCA4 have an impact on the CO2 dependency of A. thaliana growth, which highlights an important role of plasmalemma and cytosolic β-CAs for growth. Using an isotopic labeling technique developed in our laboratory, we demonstrate that βCA1:βCA2 double knock outs or βCA1:βCA2:βCA4 triple knock-outs are required to show a significant effect on mesophyll CO2 transport. We provide a quantitative comparison of the mesophyll conductance to the sites of carbonic anhydrase in Arabidopsis thaliana and we have related this to C3 type (Tareneya hassleriana) and C4 type (Gynandropsis gynandra) species from Cleomaceae family. The third part of the thesis describes stomatal behavior and its potential differences in C3 and C4 species from Cleomaceae family. Using laser capture microdissection, we compare transcriptomes of the guard cells and the mesophyll cells in both species. We report characteristics of the guard cell transcriptomes common to C3 T. hassleriana, C4 G. gynandra as well as A. thaliana, but also the extent to which the transcriptome of GCs from C4 leaves differ from the ancestral C3 GC. Finally, we integrate these data into the context of the C4 metabolic pathway of the whole C4 type leaf by comparative analysis of gene expression between guard cells, mesophyll cells and bundle-sheath cells. We also discuss whether variations in transcript profiles could underlie changes in stomatal behavior. While most ions and CO2 signaling modules appear unchanged at the transcript level in guard cells from C3 and C4 species, major variations in transcripts associated with carbon-related pathways and stomatal development, known to influence stomatal patterning and behaviour were detected. Genes associated with C4 photosynthesis were more highly expressed in guard cells of C4 compared with C3 leaves. Furthermore, we detected two major patterns of cell-specific C4 gene expression within the C4 leaf. These data imply at least two-gene regulatory networks act to coordinate gene expression across the bundle sheath, mesophyll and guard cells in the C4 leaf.