Caractérisation et explicitation des modifications des signatures ionomiques des végétaux induites par différentes carences minérales

It has been suggested the composition of the ionome (i.e. macro, micro and beneficial elements) of plant tissues resulting from multiple interactions between nutrients and affected more globally by plant environment, can reveal the physiological status of plants. The aims of this study were to highlight the ionomic modification, potential interactions between elements and ionomic signatures resulting from different mineral deficiencies in Brassica napus (a dicot) and Triticum aestivum (a monocot). Thus, plants were subjected to 18 individual element deficiencies (N, Mg, P, S, K, Ca, B, Cl, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Na, Si, Co, and Se) and harvested before growth reduction. The main objectives were i) to analyze the ionomic signatures of plant tissues and to compare the response of both species to different mineral deficiencies, ii) to identify some potential metabolic pathways, iii) to characterize in Brassica napus, the molecular responses (transcriptomic and metabolomics) to each macronutrient deficiency, focusing to the roots, the first tissue facing the macronutrient deficiencies.In both species, the main results revealed numerous elemental interactions, some being already described in the literature, such as a strong increase of Mo and Se uptake under S deprivation, a strong increase of Na uptake under K deficiency or of divalent cations under Fe deprivation. These ionomic modifications could be the consequence of the up-regulation of non-specific root transporters, thus increasing the uptake of other elements available in nutrient solutions. Our study also identified original interactions, such as the increase of vanadium uptake in S-deficient plants, probably resulting from an overexpression of root sulfate transporters, confirmed in particular by the ionomic analysis of Arabidopsis knockout lines Sultr1;1 and Sultr1;2. Another original, but negative interaction between N and Na has been shown and suggests that Na transport could be functionally linked to N uptake. This hypothesis was supported by ionomic analysis of Arabidopsis knockout lines for genes encoding nitrate transporters (nrt1.1 and nrt2.1). These interactions between elements led to the identification of potentially specific ionomic signatures of each deficiency, that were then compared between Brassica napus and Triticum aestivum. Finally, in macronutrient-deficient rapeseed roots, specific and common molecular processes were identified using broad transcriptomic and metabolomic approaches. We were then able to identify a set of differentially expressed genes and metabolomic profiles that were specific to each macronutrient deficiency, which could be used for early diagnosis of each nutritional deficiency.La composition du ionome (i.e. macro, micro et éléments bénéfiques) des tissus végétaux résultant de multiples interactions entre éléments mais plus globalement avec l’environnement, est à même de révéler l'état physiologique des plantes. Cette étude vise à mettre en évidence les modifications ionomiques, les interactions potentielles entre éléments et les signatures ionomiques résultant de différentes carences minérales chez Brassica napus (une dicotylédone) et Triticum aestivum (une monocotylédone). Ainsi, les plantes ont été soumises à 18 carences nutritionnelles individuelles (N, Mg, P, S, K, Ca, B, Cl, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Na, Si, Co et Se) et récoltées avant la réduction de leur croissance. Les principaux objectifs étaient i) d'analyser les signatures ionomiques des tissus végétaux et de comparer la réponse des deux espèces aux différentes carences minérales, ii) d'identifier certaines voies métaboliques sous-jacentes et enfin iii) de caractériser chez Brassica napus, les réponses moléculaires (transcriptomiques et métabolomiques) à chaque carence en macroéléments en se focalisant au niveau des racines, le premier organe exposé à l’absence de disponibilité en macroéléments.Chez ces deux espèces, les principaux résultats ont révélé des interactions élémentaires dont certaines sont décrites dans la littérature, telles qu'une forte augmentation de l'absorption du Mo et du Se lors d'une carence en S, une absorption accrue de Na lors d’une privation en K ou des cations divalents en cas de carence en Fe. Ces modifications ionomiques pourraient être la conséquence de la surexpression de transporteurs racinaires non spécifiques, augmentant ainsi l'absorption d'autres éléments disponibles dans les solutions nutritives. Notre étude a également montré d’autres interactions plus originales et notamment l’augmentation de l'absorption du vanadium chez les plantes soumises à une carence en S, résultant probablement d'une surexpression des transporteurs racinaires de sulfate, confirmée notamment par l'analyse ionomique de lignées d'Arabidopsis knock-out sultr1;1 et sultr1;2. Une autre interaction originale, mais négative, entre N et Na a été démontrée suggérant que le transport de Na pourrait être fonctionnellement lié à l'absorption de N. Cette hypothèse a été soutenue par l’analyse ionomique des lignées d'Arabidopsis knock-out pour les gènes codant les transporteurs de nitrate (nrt1.1 et nrt2.1). Ces interactions entre éléments ont conduit à l’identification des signatures ionomiques potentiellement spécifiques de chaque carence, qui ont été comparées entre les deux espèces végétales considérées. Enfin, dans les racines de colzas carencés en macroéléments, des processus moléculaires spécifiques et communs ont été identifiés en utilisant des approches transcriptomiques et métabolomiques. Ces approches ont également permis d’établir des listes de gènes différentiellement exprimés et des profils métabolomiques spécifiques de chaque privation en macroéléments, susceptibles d’être utilisés afin de diagnostiquer précocement chaque carence nutritionnelle

Characterization of the ionomic signatures of plants submitted to nutritional deprivation

La composition du ionome (i.e. macro, micro et éléments bénéfiques) des tissus végétaux résultant de multiples interactions entre éléments mais plus globalement avec l’environnement, est à même de révéler l'état physiologique des plantes. Cette étude vise à mettre en évidence les modifications ionomiques, les interactions potentielles entre éléments et les signatures ionomiques résultant de différentes carences minérales chez Brassica napus (une dicotylédone) et Triticum aestivum (une monocotylédone). Ainsi, les plantes ont été soumises à 18 carences nutritionnelles individuelles (N, Mg, P, S, K, Ca, B, Cl, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Na, Si, Co et Se) et récoltées avant la réduction de leur croissance. Les principaux objectifs étaient i) d'analyser les signatures ionomiques des tissus végétaux et de comparer la réponse des deux espèces aux différentes carences minérales, ii) d'identifier certaines voies métaboliques sous-jacentes et enfin iii) de caractériser chez Brassica napus, les réponses moléculaires (transcriptomiques et métabolomiques) à chaque carence en macroéléments en se focalisant au niveau des racines, le premier organe exposé à l’absence de disponibilité en macroéléments.Chez ces deux espèces, les principaux résultats ont révélé des interactions élémentaires dont certaines sont décrites dans la littérature, telles qu'une forte augmentation de l'absorption du Mo et du Se lors d'une carence en S, une absorption accrue de Na lors d’une privation en K ou des cations divalents en cas de carence en Fe. Ces modifications ionomiques pourraient être la conséquence de la surexpression de transporteurs racinaires non spécifiques, augmentant ainsi l'absorption d'autres éléments disponibles dans les solutions nutritives. Notre étude a également montré d’autres interactions plus originales et notamment l’augmentation de l'absorption du vanadium chez les plantes soumises à une carence en S, résultant probablement d'une surexpression des transporteurs racinaires de sulfate, confirmée notamment par l'analyse ionomique de lignées d'Arabidopsis knock-out sultr1;1 et sultr1;2. Une autre interaction originale, mais négative, entre N et Na a été démontrée suggérant que le transport de Na pourrait être fonctionnellement lié à l'absorption de N. Cette hypothèse a été soutenue par l’analyse ionomique des lignées d'Arabidopsis knock-out pour les gènes codant les transporteurs de nitrate (nrt1.1 et nrt2.1). Ces interactions entre éléments ont conduit à l’identification des signatures ionomiques potentiellement spécifiques de chaque carence, qui ont été comparées entre les deux espèces végétales considérées. Enfin, dans les racines de colzas carencés en macroéléments, des processus moléculaires spécifiques et communs ont été identifiés en utilisant des approches transcriptomiques et métabolomiques. Ces approches ont également permis d’établir des listes de gènes différentiellement exprimés et des profils métabolomiques spécifiques de chaque privation en macroéléments, susceptibles d’être utilisés afin de diagnostiquer précocement chaque carence nutritionnelle.It has been suggested the composition of the ionome (i.e. macro, micro and beneficial elements) of plant tissues resulting from multiple interactions between nutrients and affected more globally by plant environment, can reveal the physiological status of plants. The aims of this study were to highlight the ionomic modification, potential interactions between elements and ionomic signatures resulting from different mineral deficiencies in Brassica napus (a dicot) and Triticum aestivum (a monocot). Thus, plants were subjected to 18 individual element deficiencies (N, Mg, P, S, K, Ca, B, Cl, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Na, Si, Co, and Se) and harvested before growth reduction. The main objectives were i) to analyze the ionomic signatures of plant tissues and to compare the response of both species to different mineral deficiencies, ii) to identify some potential metabolic pathways, iii) to characterize in Brassica napus, the molecular responses (transcriptomic and metabolomics) to each macronutrient deficiency, focusing to the roots, the first tissue facing the macronutrient deficiencies.In both species, the main results revealed numerous elemental interactions, some being already described in the literature, such as a strong increase of Mo and Se uptake under S deprivation, a strong increase of Na uptake under K deficiency or of divalent cations under Fe deprivation. These ionomic modifications could be the consequence of the up-regulation of non-specific root transporters, thus increasing the uptake of other elements available in nutrient solutions. Our study also identified original interactions, such as the increase of vanadium uptake in S-deficient plants, probably resulting from an overexpression of root sulfate transporters, confirmed in particular by the ionomic analysis of Arabidopsis knockout lines Sultr1;1 and Sultr1;2. Another original, but negative interaction between N and Na has been shown and suggests that Na transport could be functionally linked to N uptake. This hypothesis was supported by ionomic analysis of Arabidopsis knockout lines for genes encoding nitrate transporters (nrt1.1 and nrt2.1). These interactions between elements led to the identification of potentially specific ionomic signatures of each deficiency, that were then compared between Brassica napus and Triticum aestivum. Finally, in macronutrient-deficient rapeseed roots, specific and common molecular processes were identified using broad transcriptomic and metabolomic approaches. We were then able to identify a set of differentially expressed genes and metabolomic profiles that were specific to each macronutrient deficiency, which could be used for early diagnosis of each nutritional deficiency

Caractérisation et explicitation des modifications des signatures ionomiques des végétaux induites par différentes carences minérales

It has been suggested the composition of the ionome (i.e. macro, micro and beneficial elements) of plant tissues resulting from multiple interactions between nutrients and affected more globally by plant environment, can reveal the physiological status of plants. The aims of this study were to highlight the ionomic modification, potential interactions between elements and ionomic signatures resulting from different mineral deficiencies in Brassica napus (a dicot) and Triticum aestivum (a monocot). Thus, plants were subjected to 18 individual element deficiencies (N, Mg, P, S, K, Ca, B, Cl, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Na, Si, Co, and Se) and harvested before growth reduction. The main objectives were i) to analyze the ionomic signatures of plant tissues and to compare the response of both species to different mineral deficiencies, ii) to identify some potential metabolic pathways, iii) to characterize in Brassica napus, the molecular responses (transcriptomic and metabolomics) to each macronutrient deficiency, focusing to the roots, the first tissue facing the macronutrient deficiencies.In both species, the main results revealed numerous elemental interactions, some being already described in the literature, such as a strong increase of Mo and Se uptake under S deprivation, a strong increase of Na uptake under K deficiency or of divalent cations under Fe deprivation. These ionomic modifications could be the consequence of the up-regulation of non-specific root transporters, thus increasing the uptake of other elements available in nutrient solutions. Our study also identified original interactions, such as the increase of vanadium uptake in S-deficient plants, probably resulting from an overexpression of root sulfate transporters, confirmed in particular by the ionomic analysis of Arabidopsis knockout lines Sultr1;1 and Sultr1;2. Another original, but negative interaction between N and Na has been shown and suggests that Na transport could be functionally linked to N uptake. This hypothesis was supported by ionomic analysis of Arabidopsis knockout lines for genes encoding nitrate transporters (nrt1.1 and nrt2.1). These interactions between elements led to the identification of potentially specific ionomic signatures of each deficiency, that were then compared between Brassica napus and Triticum aestivum. Finally, in macronutrient-deficient rapeseed roots, specific and common molecular processes were identified using broad transcriptomic and metabolomic approaches. We were then able to identify a set of differentially expressed genes and metabolomic profiles that were specific to each macronutrient deficiency, which could be used for early diagnosis of each nutritional deficiency.La composition du ionome (i.e. macro, micro et éléments bénéfiques) des tissus végétaux résultant de multiples interactions entre éléments mais plus globalement avec l’environnement, est à même de révéler l'état physiologique des plantes. Cette étude vise à mettre en évidence les modifications ionomiques, les interactions potentielles entre éléments et les signatures ionomiques résultant de différentes carences minérales chez Brassica napus (une dicotylédone) et Triticum aestivum (une monocotylédone). Ainsi, les plantes ont été soumises à 18 carences nutritionnelles individuelles (N, Mg, P, S, K, Ca, B, Cl, Mn, Fe, Ni, Cu, Zn, Mo, Na, Si, Co et Se) et récoltées avant la réduction de leur croissance. Les principaux objectifs étaient i) d'analyser les signatures ionomiques des tissus végétaux et de comparer la réponse des deux espèces aux différentes carences minérales, ii) d'identifier certaines voies métaboliques sous-jacentes et enfin iii) de caractériser chez Brassica napus, les réponses moléculaires (transcriptomiques et métabolomiques) à chaque carence en macroéléments en se focalisant au niveau des racines, le premier organe exposé à l’absence de disponibilité en macroéléments.Chez ces deux espèces, les principaux résultats ont révélé des interactions élémentaires dont certaines sont décrites dans la littérature, telles qu'une forte augmentation de l'absorption du Mo et du Se lors d'une carence en S, une absorption accrue de Na lors d’une privation en K ou des cations divalents en cas de carence en Fe. Ces modifications ionomiques pourraient être la conséquence de la surexpression de transporteurs racinaires non spécifiques, augmentant ainsi l'absorption d'autres éléments disponibles dans les solutions nutritives. Notre étude a également montré d’autres interactions plus originales et notamment l’augmentation de l'absorption du vanadium chez les plantes soumises à une carence en S, résultant probablement d'une surexpression des transporteurs racinaires de sulfate, confirmée notamment par l'analyse ionomique de lignées d'Arabidopsis knock-out sultr1;1 et sultr1;2. Une autre interaction originale, mais négative, entre N et Na a été démontrée suggérant que le transport de Na pourrait être fonctionnellement lié à l'absorption de N. Cette hypothèse a été soutenue par l’analyse ionomique des lignées d'Arabidopsis knock-out pour les gènes codant les transporteurs de nitrate (nrt1.1 et nrt2.1). Ces interactions entre éléments ont conduit à l’identification des signatures ionomiques potentiellement spécifiques de chaque carence, qui ont été comparées entre les deux espèces végétales considérées. Enfin, dans les racines de colzas carencés en macroéléments, des processus moléculaires spécifiques et communs ont été identifiés en utilisant des approches transcriptomiques et métabolomiques. Ces approches ont également permis d’établir des listes de gènes différentiellement exprimés et des profils métabolomiques spécifiques de chaque privation en macroéléments, susceptibles d’être utilisés afin de diagnostiquer précocement chaque carence nutritionnelle

Specificity and Plasticity of the Functional Ionome of Brassica napus and Triticum aestivum Subjected to Macronutrient Deprivation

The composition of the functional ionome was studied in Brassica napus and Triticum aestivum with respect to the response of 20 elements under macronutrient deprivation. Analysis of relative root contents showed that some nutrients, such as Fe, Ni, Cu, Na, V, and Co, were largely sequestered in roots. After 10 days of deprivation of each one of these 6 macronutrients, plant growth was similar to control plants, and this was probably the result of remobilization from roots (Mg and Ca) or old leaves (N, P, K, S). Some tissue concentrations and net nutrient uptakes into roots were either decreased or increased, revealing multiple interactions (93 in wheat, 66 in oilseed rape) that were common to both species (48) or were species specific. While some interactions have been previously described (increased uptake of Na under K deficiency; or increased uptake of Mo and Se under S deficiency), a number of new interactions were found and some key mechanisms underlying their action have been proposed from analysis of Arabidopsis mutants. For example, nitrate uptake seemed to be functionally linked to Na(influx, while the uptake of vanadium was probably mediated by sulfate transporters whose expression was stimulated during S deprivation