Caractérisation physiologique et moléculaire de la réduction du stress dû à la carence azotée par le champignon mycorhizien à arbuscules Rhizophagus irregularis associé au maïs (Zea mays L.)

Le maïs est actuellement la culture céréalière la plus productive au monde. Il peut s'associer avec le champignon mycorhizien à arbuscule (CMA) Rhizophagus irregularis qui fourni de l'eau et des nutriments minéraux supplémentaires à la plante en retour du C fourni par celle-ci. Les réponses CMA de deux lignées de maïs ont été caractérisées aux niveaux physiologique et moléculaire, car elles présentaient des réponses contrastées à l'inoculation avec R. irregularis en conditions optimales, moyennes ou faibles de fertilisation en azote. Le phénotypage physio-agronomique et la caractérisation moléculaire et physiologique de ces deux lignées indiquent que (i) le niveau d'apport en azote est le principal facteur affectant tous les caractères étudiés ; (ii) bien que les deux lignées présentent des réponses transcriptomiques et métabolomiques différentes à R. irregularis, les caractères agro-physiologiques sont similaires ; et (iii) l'inoculation avec l'AMF soulage le stress lié à la carence en azote. Afin d'explorer davantage les voies potentielles affectées par la symbiose, nous avons intégré les données transcriptomiques à iZMA6517, un modèle multi-organes à l'échelle du génome (GSM) récemment développé, combiné à une analyse des goulots d'étranglement métaboliques (MBA). Ceci a permis d'identifier le métabolisme des nucléotides et des uréides comme acteurs pivots de la nutrition azotée du maïs pendant la symbiose. Ce processus biologique bien connu n'avait jamais été décrit auparavant dans le contexte d'une symbiose plante/CMA. Pour mieux comprendre les mécanismes qui sous-tendent la communication croisée entre le maïs et R. irregularis, nous avons mis au point un système de culture en aéroponie adapté à l'analyse des exsudats des racines de maïs pendant la symbiose avec R. irregularis. Nous avons pu contrôler le niveau de strigolactone et les profils de métabolites spécialisés dans les exsudats racinaires de plantes cultivées dans différentes conditions de nutrition N et P. Nous avons détecté des benzozaxinoïdes putatifs dans les exsudats racinaires de maïs en réponse à R. irregularis. En conclusion, cette recherche permet de mieux comprendre les processus moléculaires et physiologiques impliqués dans la nutrition azotée du maïs par R. irregularis.Maize is currently the most productive cereal crop in the world. It can associate with the Arbuscular Mycorrhizal Fungus (AMF) Rhizophagus irregularis which provide additional water and mineral nutrients to the plant in return to C delivered by the host plant. The AMF responses of two maize inbred lines were characterized at the physiological and molecular levels as they displayed contrasted responses to the inoculation with R. irregularis when grown under optimal, medium, or low N fertilization conditions. Physio-agronomical phenotyping, molecular and physiological characterization of these two lines indicates that, (i) the level of N supply is the major factor affecting all studied traits; (ii) although both lines display different transcriptomic and metabolomic responses to R. irregularis the agro-physiological traits are similar; and (iii) inoculation with the AMF relieves N deficiency stress. To explore more on potential pathways affected by the symbiosis, we integrated transcriptomic data with iZMA6517, a recently developed multi-organ genome-scale model (GSM) combined with a metabolic bottleneck analysis (MBA). This led to the identification of nucleotide and ureide metabolism as pivotal actors in N maize nutrition during symbiosis. This well-known biological process had never been described before in the context of a plant/AMF symbiosis. To further unravel the mechanisms underlying maize-R. irregularis cross talk, we developed an aeroponics based culture system suitable for the analysis of maize root exudates during symbiosis with R. irregularis. We were able to monitor the level of strigolactone and specialized metabolites profiles in the root exudates of plants grown under different N and P nutritionals conditions. We detected putative benzozaxinoids accumulating specifically in root exudates in response to the AMF. In conclusion, this research enhances understanding of the molecular and physiological processes involved in R. irregularis mediated maize N nutrition

Caractérisation physiologique et moléculaire de la réduction du stress dû à la carence azotée par le champignon mycorhizien à arbuscules Rhizophagus irregularis associé au maïs (Zea mays L.)

Maize is currently the most productive cereal crop in the world. It can associate with the Arbuscular Mycorrhizal Fungus (AMF) Rhizophagus irregularis which provide additional water and mineral nutrients to the plant in return to C delivered by the host plant. The AMF responses of two maize inbred lines were characterized at the physiological and molecular levels as they displayed contrasted responses to the inoculation with R. irregularis when grown under optimal, medium, or low N fertilization conditions. Physio-agronomical phenotyping, molecular and physiological characterization of these two lines indicates that, (i) the level of N supply is the major factor affecting all studied traits; (ii) although both lines display different transcriptomic and metabolomic responses to R. irregularis the agro-physiological traits are similar; and (iii) inoculation with the AMF relieves N deficiency stress. To explore more on potential pathways affected by the symbiosis, we integrated transcriptomic data with iZMA6517, a recently developed multi-organ genome-scale model (GSM) combined with a metabolic bottleneck analysis (MBA). This led to the identification of nucleotide and ureide metabolism as pivotal actors in N maize nutrition during symbiosis. This well-known biological process had never been described before in the context of a plant/AMF symbiosis. To further unravel the mechanisms underlying maize-R. irregularis cross talk, we developed an aeroponics based culture system suitable for the analysis of maize root exudates during symbiosis with R. irregularis. We were able to monitor the level of strigolactone and specialized metabolites profiles in the root exudates of plants grown under different N and P nutritionals conditions. We detected putative benzozaxinoids accumulating specifically in root exudates in response to the AMF. In conclusion, this research enhances understanding of the molecular and physiological processes involved in R. irregularis mediated maize N nutrition.Le maïs est actuellement la culture céréalière la plus productive au monde. Il peut s'associer avec le champignon mycorhizien à arbuscule (CMA) Rhizophagus irregularis qui fourni de l'eau et des nutriments minéraux supplémentaires à la plante en retour du C fourni par celle-ci. Les réponses CMA de deux lignées de maïs ont été caractérisées aux niveaux physiologique et moléculaire, car elles présentaient des réponses contrastées à l'inoculation avec R. irregularis en conditions optimales, moyennes ou faibles de fertilisation en azote. Le phénotypage physio-agronomique et la caractérisation moléculaire et physiologique de ces deux lignées indiquent que (i) le niveau d'apport en azote est le principal facteur affectant tous les caractères étudiés ; (ii) bien que les deux lignées présentent des réponses transcriptomiques et métabolomiques différentes à R. irregularis, les caractères agro-physiologiques sont similaires ; et (iii) l'inoculation avec l'AMF soulage le stress lié à la carence en azote. Afin d'explorer davantage les voies potentielles affectées par la symbiose, nous avons intégré les données transcriptomiques à iZMA6517, un modèle multi-organes à l'échelle du génome (GSM) récemment développé, combiné à une analyse des goulots d'étranglement métaboliques (MBA).Ceci a permis d'identifier le métabolisme des nucléotides et des uréides comme acteurs pivots de la nutrition azotée du maïs pendant la symbiose. Ce processus biologique bien connu n'avait jamais été décrit auparavant dans le contexte d'une symbiose plante/CMA. Pour mieux comprendre les mécanismes qui sous-tendent la communication croisée entre le maïs et R. irregularis, nous avons mis au point un système de culture en aéroponie adapté à l'analyse des exsudats des racines de maïs pendant la symbiose avec R. irregularis. Nous avons pu contrôler le niveau de strigolactone et les profils de métabolites spécialisés dans les exsudats racinaires de plantes cultivées dans différentes conditions de nutrition N et P. Nous avons détecté des benzozaxinoïdes putatifs dans les exsudats racinaires de maïs en réponse à R. irregularis. En conclusion, cette recherche permet de mieux comprendre les processus moléculaires et physiologiques impliqués dans la nutrition azotée du maïs par R. irregularis

Genotypic Variation of Nitrogen Use Efficiency and Amino Acid Metabolism in Barley

International audienceOwing to the large genetic diversity of barley and its resilience under harsh environments, this crop is of great value for agroecological transition and the need for reduction of nitrogen (N) fertilizers inputs. In the present work, we investigated the diversity of a North African barley genotype collection in terms of growth under limiting N (LN) or ample N (HN) supply and in terms of physiological traits including amino acid content in young seedlings. We identified a Moroccan variety, Laanaceur, accumulating five times more lysine in its leaves than the others under both N nutritional regimes. Physiological characterization of the barley collection showed the genetic diversity of barley adaptation strategies to LN and highlighted a genotype x environment interaction. In all genotypes, N limitation resulted in global biomass reduction, an increase in C concentration, and a higher resource allocation to the roots, indicating that this organ undergoes important adaptive metabolic activity. The most important diversity concerned leaf nitrogen use efficiency (LNUE), root nitrogen use efficiency (RNUE), root nitrogen uptake efficiency (RNUpE), and leaf nitrogen uptake efficiency (LNUpE). Using LNUE as a target trait reflecting barley capacity to deal with N limitation, this trait was positively correlated with plant nitrogen uptake efficiency (PNUpE) and RNUpE. Based on the LNUE trait, we determined three classes showing high, moderate, or low tolerance to N limitation. The transcriptomic approach showed that signaling, ionic transport, immunity, and stress response were the major functions affected by N supply. A candidate gene encoding the HvNRT2.10 transporter was commonly up-regulated under LN in the three barley genotypes investigated. Genes encoding key enzymes required for lysine biosynthesis in plants, dihydrodipicolinate synthase (DHPS) and the catabolic enzyme, the bifunctional Lys-ketoglutarate reductase/saccharopine dehydrogenase are up-regulated in Laanaceur and likely account for a hyperaccumulation of lysine in this genotype. Our work provides key physiological markers of North African barley response to low N availability in the early developmental stages

Maize<i>(Zea mays</i>L.) interaction with the arbuscular mycorrhizal fungus<i>Rhizophagus irregularis</i>allows mitigation of nitrogen deficiency stress: physiological and molecular characterization

International audienceMaize is currently the most productive cereal crop in the world (www.faostat.org). Maize can form a symbiotic relationship with the Arbuscular Mycorrhizal Fungus MF, Rhizophagus irregularis. In this relationship, the fungus provides the plant with additional water and mineral nutrients, while the plant supplies carbon compounds to the fungus. Two maize lines were studied, and they exhibited contrasting responses to AMF inoculation based on their physiological and molecular characteristics. Interestingly, the beneficial effects of the AMF were observed mainly under conditions of limited N fertilization. Under such conditions, the AMF helped maintain plant biomass production even when there was a significant reduction in N supply. The availability of nitrogen was found to be a crucial factor influencing all the traits studied. This suggests that the level of N supply plays a pivotal role in determining how the maize plants interact with the AMF. Despite the two maize lines showing different transcriptomic and metabolomic responses to R. irregularis, their agro-physiological traits remained similar. This indicates that while there may be genetic differences in how the plants respond at the molecular level, the overall growth and productivity outcomes are comparable. Both the plant and fungal transcriptomes were more significantly influenced by the level of N nutrition rather than the specific maize genotype. This suggests that N availability has a more profound impact on gene expression in both organisms than the genetic makeup of the maize plant. To understand the metabolic implications of this symbiotic relationship, we integrated transcriptomic data into a multi-organ Genome-scale metabolic model (GSM) called iZMA6517 based on a stoichiometric approach. This modelling approach highlighted nucleotide and ureides metabolism as previously unrecognized factors contributing to the symbiotic N nutrition facilitated by R. irregularis, thereby enhancing maize growth