France
September 16, 2016

While we already knew that plant roots were capable of sensing many individual soil characteristics (water, nutrients and oxygen availability), we did not have any understanding of how they integrated these signals in order to respond in an appropriate way. Researchers from CNRS and INRA have just discovered a mechanism that allows a plant to adjust its water status and growth according to different soil flooding conditions. The results of this study, published on 15 September 2016 in the journal Cell, describe how roots sense and respond to soil oxygen and potassium levels jointly, so as to change their water uptake capacity. Aside from their scientific importance, these findings could make it possible to optimize crop flood tolerance.

Although hidden from view, roots are essential for plant growth and survival. Their growth and branching in the soil allows the plant to take up the water and nutrients it needs. This underground activity requires energy and, therefore, a high respiration rate in the roots, which uses the oxygen present in soil pores. If the soil becomes waterlogged, an oxygen deficit can develop because oxygen diffuses poorly in water, putting a severe stress on the roots and the plant as a whole. This reduces root water permeability in many plants. Plants growing in flooded soil can therefore suffer from reduced water content and their leaves wilt – a paradox agronomists are familiar with.

By using different lines of model plant Arabidopsis thaliana, researchers from the Joint Research Unit for Biochemistry and Plant Molecular Physiology (CNRS/INRA/Université Montpellier/Montpellier SupAgro) and Institut Jean-Pierre Bourgin (INRA/AgroParisTech/CNRS) identified a gene that controls root water permeability and which is influenced jointly by soil oxygen and potassium levels. Named HCR1, this gene reduces water entry into the roots when there’s a lack of oxygen, but only when the soil is also rich in potassium, a mineral salt essential for plant growth. In fact, such conditions favor better plant recovery after flood conditions have ceased. The HCR1 gene actually also sets off a whole series of metabolic “survival” reactions that contribute to plant resilience. Once the soil is reoxygenated, the plant rehydrates its leaves and will grow more than if it had previously been deprived of potassium.

These findings are not only important from a fundamental scientific point of view, but also open new avenues for agronomy. Plant water use and root performance are key targets for plant breeders. In nature, however, plants are never exposed to only one stress at a time, so breeders have also taken an interest in the plants’ capacity to resist multiple environmental stresses. The identification of this mechanism linking oxygen availability, mineral levels and root water permeability is thus an important step forward for agronomy. This mechanism is a promising target for future plant improvement.

Reference

Comment les racines des plantes perçoivent les inondations et y répondent 

On savait déjà les racines des plantes capables de percevoir séparément de nombreuses propriétés du sol (disponibilité en eau, en nutriments et en oxygène), sans comprendre comment elles intègrent les variations simultanées de ces différents signaux pour y réagir de manière adaptée. Des chercheurs du CNRS et de l’Inra viennent de découvrir un mécanisme permettant à la plante d’ajuster son statut hydrique et sa croissance en fonction des conditions d’inondation des sols. Publiés le 15 septembre 2016 dans la revue Cell, leurs travaux décrivent comment les racines perçoivent de manière conjointe la teneur en potassium et en oxygène du sol afin de moduler leur capacité à absorber l’eau. Outre leur importance fondamentale, ces résultats permettent d’envisager une optimisation de la tolérance des plantes cultivées aux inondations.

Cela ne se voit pas au premier coup d’œil mais la croissance et la survie des plantes reposent largement sur leurs racines, dont les ramifications dans le sol permettent d’y prélever l’eau et les nutriments nécessaires. Ces activités souterraines requièrent de l’énergie et donc une respiration intense des racines, qui utilisent l’oxygène présent dans les cavités du sol. En cas d’inondation, l’oxygène, qui diffuse mal dans l’eau, vient à manquer, générant un stress sévère pour les racines et la plante. En conséquence, la perméabilité à l’eau des racines de nombreuses plantes est réduite. C’est ainsi que les plantes poussant dans un sol inondé voient parfois leur teneur en eau réduite, et leurs feuilles flétrir – un paradoxe bien connu des agronomes.

En utilisant différentes lignées de la plante modèle Arabidopsis thaliana, des chercheurs du Laboratoire de biochimie et physiologie moléculaire des plantes de Montpellier (CNRS/Inra/Université Montpellier/Montpellier SupAgro) et de l’Institut Jean-Pierre Bourgin (Inra/AgroParisTech/CNRS) ont identifié un gène qui contrôle la perméabilité à l’eau des racines, sous l’influence conjointe des teneurs en oxygène et en potassium du sol. Nommé HCR1, il réduit l’entrée d’eau dans les racines quand l’oxygène fait défaut… mais uniquement quand le sol est aussi riche en potassium, un sel minéral indispensable à la croissance des plantes. De fait, ces conditions sont favorables à une meilleure récupération une fois l’inondation passée. Aussi, le gène HCR1 déclenche toute une série de réactions métaboliques de « survie » qui contribuent à la résilience de la plante. Lorsqu’elle retrouve un sol oxygéné, la plante réhydrate ses feuilles et croît davantage que si elle avait été précédemment privée de potassium.

Outre leur intérêt fondamental, ces recherches ouvrent des perspectives importantes en agronomie. L’utilisation de l’eau par les plantes et les performances des racines sont des cibles cruciales pour les sélectionneurs de variétés cultivées. Mais dans la nature, les plantes ne sont jamais exposées à un seul stress ; aussi les sélectionneurs s’intéressent-ils aussi aux capacités des plantes à résister aux contraintes multiples de l’environnement. L’identification d’un mécanisme reliant disponibilité en oxygène, teneur en minéraux et perméabilité à l’eau des racines est donc une avancée importante pour l’agronomie. Ce mécanisme représente une cible prometteuse pour de futurs travaux dans le domaine de l’amélioration des plantes.

Référence

Website: https://www.inrae.fr

Published: September 16, 2016