Phytochelatin and coumarin enrichment in root exudates of arsenic-treated white lupin
Adrien Frémont, Eszter Sas, Mathieu Sarrazin, Emmanuel Gonzalez, Jacques Brisson, Frédéric Emmanuel Pitre, et Nicholas James Beresford Brereton
Édité le 10 janvier 2022 par Marie-Christine Lafrenière.
Questions-réponses avec adrien frémont
Adrien Frémont et son modèle d'étude : le lupin.
© Eszter Sas
Étudiant chercheur dans le laboratoire de Frédéric Pitre et de Jacques Brisson à l’institut de recherche en biologie végétale (IRBV), Adrien Frémont attaque le problème de la contamination des sols par les racines !
Adrien a complété sa maitrise entre la France et l'Australie de 2014 à 2016, où il s'intéressait aux adaptations racinaires des plantes qui vivent sur des sols pauvres en nutriments. Maintenant au Québec, il poursuit son projet de doctorat pour mieux comprendre comment les racines et les microorganismes qui les colonisent peuvent limiter l'impact environnemental de polluants toxiques majoritairement hérités du passé, comme l'arsenic.
Il utilise une approche dite de métabolomique, qui consiste à caractériser l'environnement chimique des racines, grâce à des techniques de spectrométrie de masse. Cela lui a permis découvrir que certaines plantes libèrent par leurs racines des molécules qui fixent l’arsenic, ce qui pourrait potentiellement les aider à détoxifier l’arsenic des sols.
Cette étude, publiée dans Plant, Cell & Environment a été dirigée par Frédéric Pitre, Jacques Brisson et Nicholas Brereton (IRBV).
Lien vers l'article ici
Qu’est ce qui a motivé cette étude ?
Il y a des milliers de terrains contaminés au Québec et dans le monde avec des composés extrêmement toxiques comme l’arsenic. Cela peut entraîner des conséquences néfastes pour les personnes qui y sont exposées et l’environnement. Malheureusement il n’existe pas de solution durable et peu coûteuse pour réhabiliter ces sites, qui sont souvent laissés à l’abandon.
En étudiant les interactions entre les plantes et les contaminants on tente de mieux comprendre comment certaines plantes se sont adaptées à la présence de contaminants, dans le but de les utiliser pour décontaminer les sols de façon durable.
Il y a des milliers de terrains contaminés au Québec et dans le monde avec des composés extrêmement toxiques comme l’arsenic. Cela peut entraîner des conséquences néfastes pour les personnes qui y sont exposées et l’environnement. Malheureusement il n’existe pas de solution durable et peu coûteuse pour réhabiliter ces sites, qui sont souvent laissés à l’abandon.
En étudiant les interactions entre les plantes et les contaminants on tente de mieux comprendre comment certaines plantes se sont adaptées à la présence de contaminants, dans le but de les utiliser pour décontaminer les sols de façon durable.
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Pourquoi cette recherche est-elle importante ?
Ce qui se passe dans le sol autour des racines d’une plante lorsque celle-ci pousse dans un sol contaminé nous est encore largement étranger. Il est extrêmement difficile d’étudier cette zone, appelée la rhizosphère, qui s’étend sur quelques millimètres autour des racines mais où une grande partie des interactions plantes / sol ont lieu. Il existe déjà plusieurs exemples d’adaptations racinaires qui aident les plantes à survivre face à différents stress abiotiques, comme la sécheresse ou le manque de nutriments. Il a été démontré, par exemple, que certaines plantes influencent les conditions dans la rhizosphère en libérant des molécules par leur racines pour rendre disponibles certains éléments nutritifs comme le phosphate. Nous avions alors toutes les raisons de penser que de telles adaptations racinaires pouvaient exister pour aider les plantes à se développer sur des sols contaminés à l’arsenic. Jusqu’alors on s’intéressait surtout à la capacité des plantes à accumuler des contaminants dans leurs parties aériennes, mais ce qui se passait sous nos pieds était souvent laissé de côté faute d’outils assez puissants pour pouvoir s’y plonger. Ce milieu encore très mal connu renferme donc potentiellement une mine d’information très importante pour mieux comprendre l’influence des plantes sur les contaminants et in fine, améliorer les approches de phytoremédiation. |
Pour échantillonner la rhizosphère, les plantes de lupin ont été cultivées dans du sable de silice, ce qui a permis d'isoler les quelques millimètres de substrat qui entourent les racines et qui renferment une grande diversité de molécules.
© Adrien Frémont
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Quelles sont les grandes trouvailles de cette étude ?
Grâce à des techniques d’échantillonnage et d’analyse non ciblée des métabolites que nous avons optimisé pour cette étude, nous sommes parvenus à faire le portrait de l’environnement biochimique de la rhizosphère du lupin blanc lorsqu’il est exposé à l’arsenic. On a pu comprendre comment cette plante répond à ce stress par des mécanismes de défense ciblant spécifiquement l’arsenic, pour le neutraliser et le rendre moins toxique.
Quel est le résultat le plus cool/important de cette étude ?
Le résultat le plus important était aussi celui que nous attendions le moins. Il était connu que certaines plantes accumulent des molécules chélatrices d’arsenic, des phytochélatines, dans leurs cellules pour séquestrer l’arsenic sous une forme moins toxique dans leurs vacuoles. Nous avons été particulièrement surpris lorsque nous avons détecté et identifié ces molécules dans la rhizosphère, ce qui suggère que les plantes libèrent des phytochélatines dans le sol pour lier l’arsenic. Cela pourrait être un mécanisme de défense permettant de séquestrer l’arsenic en dehors des racines.
Dans cette étude tu utilises des méthodes de métabolomique, quelles sont les principales difficultés dans l’utilisation de ces méthodes ?
La métabolomique est un type d’approche qui consiste à caractériser la plus grande gamme possible de molécules dans un milieu complexe. En utilisant cette méthode que je ne connaissais pas du tout, j’ai dû me familiariser rapidement avec les principes de chromatographie, qui sert à séparer les molécules, et de spectrométrie de masse, qui permet de générer des signatures spectrales pour chacune des molécules afin de les identifier. Le plus gros défi était clairement d’interpréter les centaines de spectres qui étaient produits pour chaque échantillon et de voir à travers cette énorme quantité de données les mécanismes biologiques qui en ressortaient.
Grâce à des techniques d’échantillonnage et d’analyse non ciblée des métabolites que nous avons optimisé pour cette étude, nous sommes parvenus à faire le portrait de l’environnement biochimique de la rhizosphère du lupin blanc lorsqu’il est exposé à l’arsenic. On a pu comprendre comment cette plante répond à ce stress par des mécanismes de défense ciblant spécifiquement l’arsenic, pour le neutraliser et le rendre moins toxique.
Quel est le résultat le plus cool/important de cette étude ?
Le résultat le plus important était aussi celui que nous attendions le moins. Il était connu que certaines plantes accumulent des molécules chélatrices d’arsenic, des phytochélatines, dans leurs cellules pour séquestrer l’arsenic sous une forme moins toxique dans leurs vacuoles. Nous avons été particulièrement surpris lorsque nous avons détecté et identifié ces molécules dans la rhizosphère, ce qui suggère que les plantes libèrent des phytochélatines dans le sol pour lier l’arsenic. Cela pourrait être un mécanisme de défense permettant de séquestrer l’arsenic en dehors des racines.
Dans cette étude tu utilises des méthodes de métabolomique, quelles sont les principales difficultés dans l’utilisation de ces méthodes ?
La métabolomique est un type d’approche qui consiste à caractériser la plus grande gamme possible de molécules dans un milieu complexe. En utilisant cette méthode que je ne connaissais pas du tout, j’ai dû me familiariser rapidement avec les principes de chromatographie, qui sert à séparer les molécules, et de spectrométrie de masse, qui permet de générer des signatures spectrales pour chacune des molécules afin de les identifier. Le plus gros défi était clairement d’interpréter les centaines de spectres qui étaient produits pour chaque échantillon et de voir à travers cette énorme quantité de données les mécanismes biologiques qui en ressortaient.
Vue schématique d'un bloc expérimental où chaque plante est séparée du substrat et où le système racinaire, avec la gaine de sable contenant les exsudats racinaires, est plongé dans l'eau pour collecter les exsudats.
La solution est ensuite lyophilisée pour concentrer les exsudats avant analyse par LC-MS/MS.
Les étapes d’identification des molécules comprennent la caractérisation de la structure et de la classe des composés à l'aide de différents outils de bio-informatique. L'abondance des composés des plantes traitées à l'arsenic est ensuite comparée à celle des plantes témoins pour identifier les exsudats enrichis ou appauvris par le traitement à l'arsenic
© Adrien Frémont
Quel.s souvenir.s restera de ce projet ?
J’ai appris énormément de choses en m’attaquant à ce projet. J’aurais beaucoup de choses à me dire si je pouvais revenir en arrière et me prodiguer des conseils à moi-même quand je m’engageais dans ce projet. Heureusement nous étions deux étudiants à commencer conjointement ce type d’analyse dans notre laboratoire. Avec Eszter Sas, qui est la deuxième auteure de cet article, nous nous sommes sortis de beaucoup d’impasses et nous pouvons dire maintenant que nous avons une vraie expertise sur le sujet.
Quels ont été les moments forts ?
Je pense que l’un des moments forts de notre cheminement c’est lorsque nous nous sommes aperçus qu’il existait un outil de traitement de données de métabolomique développé à l’Université de San Diego qui nous permettait de faire en quelques minutes ce que nous tentions de faire manuellement, à coup de scripts R maladroits (R est un logiciel statistique), depuis plusieurs mois !
Quelle fierté retire-tu de ce papier ?
C’est mon premier article en tant que premier auteur et aussi la pièce centrale de ma thèse qui a été publiée, alors cet article représente une grosse étape dans mon parcours d’étudiant chercheur.
Quel est la prochaine étape ?
J’espère pouvoir me remettre à écrire rapidement et pouvoir apporter une suite intéressante à ce premier article afin de soumettre ma thèse. Ensuite, qui sait, c’est un grand « ? ».
Bonne chance pour la suite Adrien !
Membres du laboratoire de Frédéric Pitre ayant participé à l'étude. De gauche à droite : Adrien Frémont, Eszter Sas, Nicolas Brereton et frederic Pitre. ©Université de Montréal - Relations de Presse
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Les résultats de cet article ont notamment paru dans ces médias :
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