Project

Discipline

signalling; jasmonates; Arabidopsis thaliana; phytochemistry; wounding; UHPLC-TOF-MS; metabolomics; lipoxygenases LOX; oxylipins; defence; 12-oxo-phytodienoic acid; LC-MS/MS quantitation; plant defence

Lead
La réaction d’une plante à la blessure causée par un herbivore qui la ravage représente un processus clé de défense en écologie chimique. Les mécanismes qui régulent ce processus ont été beaucoup étudiés ces dernières années et il est notamment bien établi que la production de jasmonates (hormones de défense) est induite en réponse au stress causé par l’attaque des herbivores. Dans le cadre de ce projet nous essaierons de mieux comprendre les phénomènes qui régissent la mobilisation des précurseurs de ces jasmonates au moment de la blessure en utilisant Arabidopsis thaliana comme plante modèle.
Lay summary
Contenu et objectifs du travail de recherche Lorsque des végétaux sont soumis à l’action d’herbivores, ils réagissent rapidement et fortement en induisant une réponse de défense largement régulée par les jasmonates. Ces hormones de défense sont dérivées d’acides gras insaturés qui sont convertis en précurseurs cyclopentenones (appelés ici (dn)OPDA). La localisation cellulaire et la dynamique avec laquelle le (dn)OPDA) est mobilisé pour produire des jasmonates ou même son rôle doivent être élucidés. Afin d’étudier ceci en détail, nous allons utiliser une série de mutants d’Arabidopsis qui sont compromis dans leur défense et qui ne possèdent pas de lipoxygénase (13-LOX), une enzyme clé qui catalyse l’oxydation des acides gras. En étudiant ces mutants, il sera essentiel de comprendre quelle forme de (dn)OPDA) est exportée et recrutée dans la voie de biosynthèse de l’acide jasmonique. Pour ceci toute une série d’expériences sera menée avec les mutants 13-LOX et les niveaux de (dn)OPDA) seront mesurés très précisément par spectrométrie de masse. Nous pensons ainsi comprendre de façon détaillée le rôle de chacune de ces enzymes 13-LOX en lien avec la dynamique de production et la localisation cellulaire du (dn)OPDA). Ceci nous permettra d’obtenir un vue globale temporelle et spatiale de la dynamique de production et de recrutement du (dn)OPDA afin de comprendre au niveau moléculaire les premiers évènements qui déclenchent la réponse hormonale de défense à la blessure chez les végétaux.  Contexte scientifique et sociétal du projet de recherche: Ce projet devrait avoir un impact en agronomie notamment là où une compréhension détaillée des phénomènes de défense des plantes est importante dans le but de développer des stratégies de production de plantes de cultures.

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Last update: 21.05.2016

Active participation

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Self-organised

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When wounded by herbivores, plants mount a rapid and strong defence response that is regulated in large part by molecules known as jasmonates. These lipid regulators, the best known of which is the cyclopentanone jasmonic acid, derive from plastidic triunsaturated fatty acids that must first be converted to the 18-carbon cyclopentenone precursor oxo-phytodienic acid (OPDA) its 16-carbon homolog dinorOPDA (dnOPDA) (collectively named (dn)OPDA). Relatively little is known about the cellular localisations and dynamics of OPDA which possibly a signal in it's own right. However, some of this molecule is converted to jasmonates (JAs) upon wounding. Where does this take place and which pools of (dn)OPDA might be mobilised for JAs synthesis during attack? We have worked for several years on the dynamics of JAs pools in wounded plants. We now wish to tackle the technically more demanding aspect of studying (dn)OPDA dynamics. Our previous efforts have been focused on the development of metabolomics methods to discover novel forms of JAs and their dynamic in a robust wound model. More recently we have investigated the regulation of 13-lipoxygenases (13-LOXs), which are known to be involved in the upstream pathway of JA synthesis and we could highlight a paired hierarchical organization of the 13-LOXs in which LOX6-derived JAs help to coordinate the expression of other 13-LOXs. LOX2 was not found to be a major contributor to the expression of the key JAs-regulated rapid response gene JAZ10, but seems involved in producing high levels of arabidopsides. These latter compounds are esterified forms of OPDA and dnOPDA. In the present phase of the project we plan to specifically investigate the contribution of each 13-LOX to the pools of (dn)OPDA in free and bound forms. It is indeed essential to understand how and in which forms (dn)OPDA is exported from plastids and recruited in the pathway that leads to JAs production in Arabidopsis. We will especially perform experiments on triple mutants where all LOXs have been down-regulated with the exception of the LOX of interest. In such mutants we will precisely determine the levels of (dn)OPDA pools (free and bound) in resting plants and if lipid species containing (dn)OPDA are LOX-specific. We will use our wound model to investigate how fast bound pools of (dn)OPDA are mobilised and converted to JAs. The role of each specific (dn)OPDA pool will also be assessed in herbivory assays to understand if the bound forms may have a direct role in chemical defence. In addition we will conduct experiments to assess how (dn)OPDA is affected when expressing LOXs ectopically to shed light on the consequences of some 13-LOXs such as LOX6 having very specific cellular locations. For all these experiments we will use and further develop untargeted LC-HRMS general profiling methods for identifying all possible bound forms of (dn)OPDA and very sensitive HR-MS/MS for quantification of (dn)OPDA in all plant parts and specific tissues. We will also investigate state-of-the art FT-ICRMS imaging for localisation and sensitive NMR methods for general quantification of the galactolipid bound pools. Comprehensive temporal and spatial studies of (dn)OPDA pools dynamics in the 13-LOXs mutants using our wound model should give further insight of how (dn)OPDA is recruited in the pathway that lead to JAs and finally trigger wound signalling. Comparison of such events in non-producing arabidopside plants will also reveal what is unique about Arabidopsis and what can be generalised.