Expression analysis of the AtPHO1 gene family in Arabidopsis thaliana and the involvement of AtPHO1 in the regulation of stomatal movements

Résumé Le transfert du phosphate des racines vers les feuilles s'effectue par la voie du xylème. Il a été précédemment démontré que la protéine AtPHO1 était indispensable au transfert du phosphate dans les vaisseaux du xylème des racines chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. Le séquençage et l'annotation du génome d'Arabidopsis ont permis d'identifier dix séquences présentant un niveau de similarité significatif avec le gène AtPHO1 et constituant une nouvelle famille de gène appelé la famille de AtPHO1. Basée sur une étude moléculaire et génétique, cette thèse apporte des éléments de réponse pour déterminer le rôle des membres de ia famille de AtPHO1 chez Arabidopsis, inconnue à ce jour. Dans un premier temps, une analyse bioinformatique des séquences protéiques des membres de la famille de AtPHO1 a révélé la présence dans leur région N-terminale d'un domaine nommé SPX. Ce dernier est conservé parmi de nombreuses protéines impliquées dans l'homéostasie du phosphate chez la levure, renforçant ainsi l'hypothèse que les membres de la famille de AtPHO1 auraient comme AtPHO1 un rôle dans l'équilibre du phosphate dans la plante. En parallèle, la localisation tissulaire de l'expression des gènes AtPHO dans Arabidopsis a été identifiée par l'analyse de plantes transgéniques exprimant le gène rapporteur uidA sous le contrôle des promoteurs respectifs des gènes AtPHO. Un profil d'expression de chaque gène AtPHO au cours du développement de la plante a été obtenu. Une expression prédominante au niveau des tissus vasculaires des racines, des feuilles, des tiges et des fleurs a été observée, suggérant que les gènes AtPHO pourraient avoir des fonctions redondantes au niveau du transfert de phosphate dans le cylindre vasculaire de ces différents organes. Toutefois, plusieurs régions promotrices des gènes AtPHO contrôlent également un profil d'expression GUS non-vasculaire, indiquant un rôle putatif des gènes AtPHO dans l'acquisition ou le recyclage de phosphate dans la plante. Dans un deuxième temps, l'analyse de l'expression des gènes AtPHO durant une carence en phosphate a établi que seule l'expression des gènes AtPHO1, AtPHO1; H1 et AtPHO1; H10 est régulée par cette carence. Une étude approfondie de leur expression en réponse à des traitements affectant l'homéostasie du phosphate dans la plante a ensuite démontré leur régulation par différentes voies de signalisation. Ensuite, une analyse détaillée de la régulation de l'expression du gène AtPHO1; H1O dans des feuilles d'Arabidopsis blessées ou déshydratées a révélé que ce gène constitue le premìer gène marqueur d'une nouvelle voie de signalisation induite par l'OPDA, pas par le JA et dépendante de la protéine COI1. Ces résultats démontrent pour la première fois que l'OPDA et le JA peuvent activer différents gènes via des voies de signalisation dépendantes de COI1. Enfin, cette thèse révèle l'identification d'un nouveau rôle de la protéine AtPHO1 dans la régulation de l'action de l'ABA au cours des processus de fermeture stomatique et de germination des graines chez Arabidopsis. Bien que les fonctions exactes des protéines AtPHO restent à être déterminées, ce travail de thèse suggère leur implication dans la propagation de différents signaux dans la plante via la modulation du potentiel membranaire et/ou l'affectation de la composition en ions des cellules comme le font de nombreux transporteurs ou régulateur du transport d'ions. Summary Phosphate is transferred from the roots to the shoot via the xylem. The requirement for AtPHO1 protein to transfer phosphate to the xylem vessels of the root has been previously demonstrated in Arabidopsis thaliana. The sequencing and the annotation of the Arabidopsis genome had allowed the identification of ten sequences that show a significant level of similarity with the AtPHO1 gene. These 10 genes, of unknown functions, constitute a new gene family called the AtPHO1 gene family. Based on a molecular and genetics study, this thesis reveals some information needed to understand the role of the AtPHO1 family members in the plant Arabidopsis. First, a bioinformatics study revealed that the AtPHO sequences contained, in the N-terminal hydrophilic region, a motif called SPX and conserved among multiple proteins involved in phosphate homeostasis in yeast. This finding reinforces the hypothesis that all AtPHO1 family members have, as AtPHO1, a role in phosphate homeostasis. In parallel, we identified the pattern of expression of AtPHO genes in Arabidopsis via analysis of transgenic plants expressing the uidA reporter gene under the control of respective AtPHO promoter regions. The results exhibit a predominant expression of AtPHO genes in vascular tissues of all organs of the plant, implying that these AtPHO genes could have redundant functions in the transfer of phosphate to the vascular cylinder of various organs. The GUS expression pattern for several AtPHO promoter regions was also detected in non-vascular tissue indicating a broad role of AtPHO genes in the acquisition or in the recycling of phosphate in the plant. In a second step, the analysis of the expression of AtPHO genes during phosphate starvation established that only the expression of the AtPHO1, AtPHO1; H1 and AtPHO1; H10 genes were regulated by Pi starvation. Interestingly, different signalling pathways appeared to regulate these three genes during various treatments affecting Pi homeostasis in the plant. The third chapter presents a detailed analysis of the signalling pathways regulating the expression of the AtPHO1; H10 gene in Arabidopsis leaves during wound and dehydrated stresses. Surprisingly, the expression of AtPHO1; H10 was found to be regulated by OPDA (the precursor of JA) but not by JA itself and via the COI1 protein (the central regulator of the JA signalling pathway). These results demonstrated for the first time that OPDA and JA could activate distinct genes via COI1-dependent pathways. Finally, this thesis presents the identification of a novel role of the AtPHO1 protein in the regulation of ABA action in Arabidopsis guard cells and during seed germination. Although the exact role and function of AtPHO1 still need to be determined, these last findings suggest that AtPHO1 and by extension other AtPHO proteins could mediate the propagation of various signals in the plant by modulating the membrane potential and/or by affecting cellular ion composition, as it is the case for many ion transporters or regulators of ion transport.

Avaluació de la presència d'organismes entomopatògens (nematodes i fongs) a sòls d'avellaners amb diferents tipus de producció

El present estudi pertinent a una fase inicial d’un projecte d’investigació del Ministeri d’Educació i Ciència que es porta a terme al Departament de Biologia Animal, de Biologia Vegetal i d’Ecologia (BABVE) de la Universitat Autònoma de Barcelona amb col·laboració del Departament d’Agricultura, Alimentació i Acció Rural de la Generalitat de Catalunya anomenat “Control biològic del diabló de l’avellaner, Curculio nucum L. (Coleoptera, Curculionidae) mitjançant organismes entomopatògens (nematodes i fongs)”, es basa en la recerca d’organismes autòctons en els camps d’avellaners que un cop aïllats i caracteritzats puguin ser utilitzats com a insecticides biològics pel control de la plaga clau que afecta els avellaners de Catalunya, el diabló de l’avellaner (Curculio nucum L.). Aquest insecte, pertanyent a la família dels coleòpters presenta una àmplia distribució a l’Europa temperada i septentrional, essent especialment abundant a Espanya, Itàlia i Turquia.

La gestió dels residus a Catalunya en el marc de la justícia ambiental

En aquest estudi s'analitza la relació entre la distribució de les instal•lacions de gestió de residus, com ara els dipòsits controlats, plantes de compostatge, plantes incineradores, basses de purins, etc., i la població catalana, pel que fa als residus d'origen municipal, industrial o ramader, per tal de determinar si aquesta respon a condicions d'equitat ambiental. El marc de l'estudi és el de la justícia ambiental i la hipòtesi sota la qual es du a terme la investigació és que, a Catalunya, la localització de les instal•lacions de gestió de residus no respon a criteris d'equitat ambiental.

Els aliments transgènics

Treball de recerca realitzat per un alumne d’ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l’any 2008. La hipòtesi de partida és que les plantes de blat de moro no modificades genèticament són més resistents a tres paràmetres que no pas les transgèniques. Aquests tres paràmetres són: un augment de temperatura, reg amb aigua salada i absència d’aigua. Inclou també una incursió al món dels transgènics i la polèmica actual, concretada en les entrevistes fetes, amb l’objectiu de tenir criteri amb coneixement de causa. Es conclou que el món científic, que se suposa objectiu i neutral, en el tema dels transgènics és confús i que la majoria de la població està desinformada. Els moviments de conscienciació ciutadana fan de contrapunt als possibles abusos de les multinacionals. La situació dels agricultors és de dependència de les multinacionals. Gràcies als transgènics però s’ha pogut avançar en el camp dels medicaments. Referent a l’experiment, no té valor científic perquè la mostra no és representativa i els resultats són atzarosos.

Remeis casolans per a bèsties i humans: medicina i veterinària popular a la catalunya central

Treball de recerca realitzat per un alumne d’ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l’any 2008. Consisteix en un diccionari informàtic que recull plantes i productes, cadascun amb les seves propietats medicinals i altres usos que se’ls atribueixen popularment i la forma de preparar remeis i aplicar-los per a cada malaltia o afecció. La informació s’ha extret de les entrevistes fetes a informants d’entre 60 i 90 anys del Bages, Berguedà i Solsonès, i es complementa amb un herbari i una mostra de preparacions dels remeis.

Estudi etnobotànic de la Conca de la Riera d'Argentona

Treball de recerca realitzat per un alumne d’ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l’any 2008. La conca de la riera d’Argentona és una zona molt rica en coneixements populars sobre els usos medicinals de les plantes. Es preten demostrar que és factible aplicar els estudis etnobotànics a zones en regressió rural properes a la costa com aquesta, ampliant així l’àmbit d’aplicació que fins ara ha tingut la ciència etnobotànica a Catalunya. S’ha elaborat un catàleg etnobotànic de les plantes medicinals d’aquesta zona a partir dels coneixements. Per aquest objectiu s’ha seguit una metodologia científica i interdisciplinària, combinant métodes de les ciències socials i de les ciències naturals. S’ha realitzat una enquesta etnobotànica a les persones que utilitzen o utilitzaven aquestes plantes i alhora s’han recollit mostres de les plantes. Els resultats demostren que els depositaris actuals d’aquests coneixements, que han estat transmesos de generació en generació, no han continuat transmetent-los als seus descendents. Caldria ampliar els estudis d’aquest tipus a la resta de comarques catalanes per tal que aquest patrimoni quedés preservat.

Estudi comparatiu de la maduració del raïm en diferents condicions de cultiu

Treball de recerca realitzat per una alumna d’ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l’any 2008. El raïm passa per una sèrie de processos durant la seva etapa de maduració i creixement, abans de ser collit. Mitjançant pràctiques culturals es poden modificar aquests processos per tal d’obtenir el raïm adequat per l’elaboració vinícola. S’han estudiat els efectes de dues d’aquestes tècniques utilitzades habitualment sobre la qualitat de la producció de raïm: l’aclarida dels fruits i l’espampolament dels ceps. Per determinar-los, es va dur a terme un treball de camp a una parcel•la de vinya de l’Alt Empordà, en la qual es varen diferenciar sis fileres de ceps amb una tècnica de conreu diferent. Per observar les variacions es va anar fent un seguiment de cada tesi per separat, controlant els valors de pH, acidesa total, sucres i grau alcohòlic probable. El seguiment es va fer durant un període de vint-i-set dies i amb una regularitat de quatre dies. Treballant els resultats obtinguts i mitjançant gràfics en què es poden observar els efectes de cada pràctica, s’ha determinat quins són els efectes de la disminució de la càrrega i del desfullat sobre la maduració del raïm.

Els senyals olfactius en la pol·linització

Treball de recerca realitzat per una alumna d’ensenyament secundari i guardonat amb un Premi CIRIT per fomentar l'esperit científic del Jovent l’any 2008. La hipòtesi de treball és demostrar que els senyals olfactius afecten d’alguna manera a l’atracció les abelles per les plantes i així doncs, també a la seva especificitat a l’hora de pol•linitzar una espècie o una altra. Per a poder provar aquesta relació, s’ha estudiat el comportament d’una espècie d’abella que tan sols visita una espècie de planta. Per tal d’emmarcar l’estudi experimental, s’ha fet un estudi del procés de pol•linització, de les flors i de les abelles, així com de la coevolució d’ambdues. Tot seguit s’ha realitzat l’estudi experimental, amb l’assessorament d’investigadors del Centre de Recerca Ecològica i Aplicacions Forestals (CREAF ) així com també utilitzant les seves instal•lacions i materials. Les emissions de compostos orgànics volàtils d’una de les plantes estudiades contribueixen a l’atracció de les abelles. Aquestes plantes emeten uns compostos diferents a les de l’altra espècie, els monoterpens, els quals són emesos en el moment de màxima pol•linització. La conclusió final a la qual es pot arribar és que el senyal olfactiu que determina l’especificitat de l’abella estudiada per a les flors de la planta estudiada és el constituït pels monoterpens.