Identification de gènes régulateurs contrôlant l'absorption racinaire de nitrate chez Arabidopsis thaliana
Résumé
Nitrate taken up by root cells from the soil solution is a major nitrogen source for nutrition of most plant species. It is known for long that root nitrate uptake is feedback regulated by the nutrient status of the whole plant, but the mechanisms responsible for this control are unknown at the molecular level. To unravel these mechanisms, two strategies were developed in Arabidopsis thaliana, using the NRT2.1 nitrate transporter gene as a model. Previous studies have shown that NRT2.1 transcription is repressed by high N supply to the plant. Therefore, (1) we searched for cis-regulatory elements in NRT2.1 promoter (pNRT2.1), and (2) we performed a genetic screen to isolate mutants impaired in the down-regulation of pNRT2.1 activity by high N supply. Although a 150 pb region of pNRT2.1 was confirmed to mediate promoter regulations, neither linkerscan analysis nor in vivo footprinting approaches allowed to clearly identify cis regulatory elements. Three hni mutants (high nitrogen insensitive) displaying a misregulation of pNRT2.1 activity were characterized as Nsignaling mutants, specifically altered in the feedback regulation of root nitrate uptake by the plant N status. Map based cloning allowed to identify the mutated gene in one (hni9) mutant. The HNI9 gene encodes a putative transcription elongation factor that was uncharacterized in A. thaliana. We showed that HNI9 is a nuclear protein which controls the N regulation of more than 400 genes. Concerning specifically NRT2.1, our results support the hypothesis that HNI9 down-regulates pNRT2.1 activity in response to high N supply by increasing the level of repressive histone methylation marks (H3K27me3) on the 150 bp cis-acting region of pNRT2.1. These data point out, for the first time in plants, the possible involvement of histone methylation as a mechanism for modulating gene expression in response to nutrient signaling pathways.
Le nitrate prélevé par les racines à partir de la solution du sol constitue une source majeure d'azote pour la nutrition des végétaux. Il est bien établi que l'absorption racinaire de nitrate est sujette à un rétro-contrôle exercé par le statut nutritionnel de la plante, mais les mécanismes moléculaires impliqués dans cette régulation sont inconnus. Pour identifier ces mécanismes, deux stratégies ont été développées chez Arabidopsis thaliana, en utilisant le gène NRT2.1 comme modèle. NRT2.1 code un transporteur racinaire de nitrate, et sa transcription est réprimée par les fortes doses de N. Nous avons donc (1) recherché des éléments cis-régulateurs dans le promoteur de NRT2.1, et (2) conduit un crible génétique destiné à isoler des mutants présentant un défaut de répression de pNRT2.1 en réponse à une forte dose de N. Bien qu'une zone de 150 pb de pNRT2.1 a été confirmée comme cible majeure des mécanismes de régulation, ni l'analyse par linker-scan, ni une approche de footprinting in vivo, n'ont permis d'identifier des motifs cis-régulateurs. Trois mutants hni (high nitrogen insensitive) chez qui l'activité de pNRT2.1 est dé-régulée ont été effectivement caractérisés comme mutants de régulation de l'absorption racinaire de nitrate. Le clonage positionnel du gène affecté chez un de ces mutants (hni9), a permis d'identifier un facteur putatif d'élongation de la transcription (HNI9), non encore étudié chez A. thaliana. Nous avons montré que HNI9 est bien une protéine nucléaire, et qu'elle contrôle la régulation par N de l'expression de plus de 400 gènes. En ce qui concerne le mécanisme de régulation de NRT2.1, nos résultats indiquent que HNI9 réprime son expression en situation d'alimentation N abondante en augmentant le niveau d'accumulation des marques répressives (H3K27me3) des histones sur pNRT2.1. Ces résultats suggèrent pour la première fois chez les plantes, un rôle potentiel des modifications des histones dans les mécanismes de signalisation nutritionnelle gouvernant l'expression des gènes.