Defi Enviromics Gene-4-Chem

Sylvain MERLOT sylvain.merlot@isv.cnrs-gif.fr Approches Intégrées des transports d’ion Département de Biologie Cellulaire I2BC (UMR 9198, Gif-sur-Yvette)

Nickel

Manganèse

Fer

Régulation de l’homéostasie métallique chez les êtres vivants

Cuivre

Zinc

Uréase

Co-Facteurs

(NH2)2CO + H2O➜ CO2 + 2 NH3

Carences Anémie Chlorose

Reaction de Fenton

Stress Oxidatif Stress Génotoxique

H2O2 ➜ OH- + OH.

Fe2+ Fe3+

Les flores métallophyles  Pelouse calaminaire, Auby, France

Flore serpentinique, Nouvelle-Calédonie

2 stratégies d’adaptation

Exclusion Accumulation >>

Diversité des espèces hyperaccumulatrices de métaux  

Metal Toxicité (µg.g-1)

Limite d’hyperaccumulation

(µg.g-1) Taxa Familles

Zinc 100-300 >10.000 15 6

Manganese 200-3500 >10.000 22 8

Nickel 10-50 >1.000 390 42

Cadmium 6-10 >100 5 2

Pycnandra acuminata (Sapotaceae)

25% Ni dans le latex

Noccaea caerulescens (Brassicaceae)

Hyperaccumule le Zn, Cd, Ni

Kramer 2000; Losfeld et al. 2014

Distribution des hyperaccumulateurs de Nickel

Jaffré et al. 2013

Valorisation des plantes hyperaccumulatrices de métaux

Réhabilitation de sites miniers

Saint-Laurent-le-Minier, France (C. Grison)

Thio, Nouvelle-Calédonie (C. Grison)

Chimie verte

C. Grison et al. 2013  

Extraction des métaux à partir des cendres de P. gabriellae (Ni) C. Grison

Notre connaissance des mécanismes impliqués dans l’accumulation des métaux est limitée

Me

Me Me

Me

-  Protéines impliquées dans le transport des métaux

-  Enzymes de biosynthèses de chélateurs de métaux

Identifier les gènes impliqués dans l’hyperaccumulation de métaux chez des espèces "non-modèles" Valoriser ces connaissances moléculaires, notamment à travers le développement de la chimie verte.

Gènes fortement et constitutivement exprimés chez les espèces hyperaccumulatrices de Zinc et Cadmium modèles Arabidopsis halieri, Noccaea caerulescens (Brassicaceae).

Gènes candidats différentiellement exprimés

Sequencage Illumina HiSeq2000

Assemblage des reads et dénombrement

GeneX% GeneY% GeneZ%

Hyperaccumulateur Non-accumulateur

ARN (Feuilles et Racines)

Choix de couples d'espèces

Stratégie utilisée dans le projet Gene-4-Chem

Diversité des espèces hyperaccumulatrices

Analyse et Valorisation des résultats

Les Partenaires du Projet Gene-4-Chem

Approches Intégrées des Transports d’Ions I2BC, UMR 9198 CNRS-CEA-UPS, Gif-sur-Yvette Sylvain Merlot

Chimie Bio-inspirée et d’Innovations Ecologiques ChimEco, FRE 3673 CNRS-UM2-Stratoz, Clapiers Claude Grison

Plateforme Transcriptome Sandrine Balzergue

Bioinformatique pour la Génomique Prédictive Marie-Laure Martin-Magniette URGV, UMR INRA-UEVE-CNRS, Evry

Gènes candidats différentiellement exprimés

Sequencage Illumina HiSeq2000

Assemblage des reads et dénombrement

GeneX% GeneY% GeneZ%

Hyperaccumulateur Non-accumulateur

ARN (Feuilles et Racines)

Choix de couples d'espèces

Interactions entre les équipes

Diversité des espèces hyperaccumulatrices

Analyse fonctionnelle des gènes d'intérêt

Valorisation des données moléculaires pour la chimie écologique

Principaux résultats 2014

Noccaea montana Feuilles: 937 ± 480 µg Ni /g Sol: 2710 ± 300 µg Ni /g

Prospection d'écotypes de Noccaeae (Brassicaceaea) sur Serpentine en France

Noccaea caerulescens (firmiensis) Feuilles: 9650 ± 3950 µg Ni /g Sol: 2150 ± 290 µg Ni /g

Puy de Wolf, Aveyron

Suc de Clava, Ardèche

Plantes hyperaccumulatrices de nickel Cubaines

Collaboration avec Dubiel Alfonso Gonzalez (Université Agraire de la Havane)

130 espèces hyperaccumulatrices de nickel à Cuba (Reeves et al. 1999)

Test d'activité catalytique des extraits

Psychotria grandis : 11 200 ± 5 600 µg Ni/g Psychotria clementis : 121 ± 22 µg Ni/g

Leucocroton havanensis : 14 100 ± 950 µg Ni/g Lasiocroton microphyllus : 43 µg Ni/g

Analyses transcriptomiques comparatives (RNA-Seq)

-Comparaisons transcriptomiques

- Noccaea caerulescens (Ni) vs. Noccaea montana - Noccaea caerulescens (Ni) vs. Noccaea caerulescens (Zn)

- Leucocroton havanensis (Ni) vs. Lasiocroton microphyllus

- Psychotria grandis (Ni) vs. Psychotria clementis (Cuba) - P. gabriellae (Ni) vs. P. semperflorens (Nouvelle-Calédonie)

-Préparation des banques ADNc 16 banques ADNc (8 échantillons, duplicata)

- Extraction d'ARN de feuille (8 espèces)

-Séquençage Illumina HiSeq 2000 100 pb Paired End, 40-60x106 reads/ échantillon

Projet 2015

-Analyses transcriptomiques comparatives et analyses statistiques Identification de gènes candidats

Poursuivre les analyses des données RNA-Seq

-Assemblage de nouveaux transcriptomes de référence (e.g. L. havanensis)

Espèces hyperaccumulatrices de nickel de la famille du peuplier

Espèces hyperaccumulatrices de manganèse

-Séquençage et analyse de nouveaux transcriptomes

Homalium austrocaledonicum (Salicaceae)

Grevillea gillivrayi (Proteaceae)

(S. Merlot)  (endemia.nc)  

Approfondir les analyses chimiques et élémentaires

-Tester de nouveaux extraits d'hyperaccumulateurs pour la catalyse chimique Espèces hyperaccumulatrices Cubaines

-Etudier la spéciation des métaux XRF, XANES, EPR…

Présence de Ni III/IV chez Psychotria gabriellae C. Grison et al. 2013  

-Etudier la localisation des métaux au niveau tissulaire et cellulaire

µPIXE TEM-EDX

(Fernando et al. 2013)   (Lanquar et al. 2005)  

Analyse et valorisation des données moléculaires

-Etudes fonctionnelles des gènes candidats Transporteurs de métaux Biosynthèse de chélateurs de métaux (Etudes métabolomiques)

-Evolution des mécanismes d'hyperaccumulation des métaux chez les plantes Comparaison des Psychotria Cubains et néo-Calédoniens

-Développement de la Chimie Verte Marqueurs moléculaires pour le barcoding et la sélection variétale Chimie de synthèse bio-inspirée (Chélateurs de métaux)