Thèse Découpler l'Efficacité d'Utilisation de l'Azote et la Réponse à la Sécheresse en Manipulant le Transporteur Vacuolaire de Nitrate Clca chez Arabidopsis. H/F - Doctorat.Gouv.Fr

Établissement : Université Paris-Saclay GS Biosphera - Biologie, Société, Ecologie & Environnement, Ressources, Agriculture & Alimentation École doctorale : Sciences du Végétal : du gène à l'écosystème Laboratoire de recherche : I2BC - Institut de Biologie Intégrative de la Cellule Direction de la thèse : Sophie FILLEUR ORCID 0000000208667518 Début de la thèse : 2026-10-01 Date limite de candidature : 2026-05-15T23:59:59 Le nitrate (NO) s'accumule à des concentrations élevées dans la vacuole afin de réguler son homéostasie et la pression osmotique cellulaire, tout en permettant un stockage transitoire de cet ion. L'idéotype de culture idéal serait capable de stocker le NO dans la vacuole en cas d'excès, puis de remobiliser ce réservoir de manière plus efficace que les génotypes commerciaux actuels, soit pour le métabolisme, soit pour son transfert vers les organes en croissance. Notre équipe a récemment montré chez Arabidopsis que des modifications de l'activité de CLCa, principal transporteur vacuolaire du nitrate, entraînent une augmentation de l'efficacité d'utilisation de l'azote (NUE) au détriment de l'efficacité d'utilisation de l'eau (WUE). Il est donc devenu essentiel d'évaluer l'impact de la manipulation du stockage vacuolaire sur la WUE et la tolérance à la sécheresse, des paramètres cruciaux dans le contexte du réchauffement climatique. Ce projet vise à mieux comprendre le rôle physiologique du stockage vacuolaire du NO dans la NUE et la réponse à la sécheresse chez Arabidopsis, afin de pouvoir, à terme, transférer ces connaissances aux cultures d'intérêt agronomique. Il est structuré en trois volets (WP). Dans le WP1, le doctorant générera des lignées d'Arabidopsis dans lesquelles CLCa est exprimé dans différents types cellulaires, organes ou à différents stades de développement, dans le but de dissocier ses effets sur la NUE de ceux sur la WUE. Ces génotypes seront ensuite analysés à travers différents paramètres transcriptomiques, métabolomiques et physiologiques liés à la NUE (WP2), puis évalués en conditions de carence en azote et/ou de sécheresse modérée à l'aide d'une plateforme de phénotypage à haut débit (WP3). Nitrogen (N) is quantitatively the most important inorganic nutrient for plants and is mainly taken up by roots as nitrate (NO3-). Once inside the cell, nitrate can be reduced for amino acid synthesis or stored at high concentrations in the vacuole, allowing regulation of cytosolic nitrate levels and contributing to osmotic adjustment and plant water status (Miller and Smith, 1998; McIntyre, 1997; Wege et al., 2014; Hodin et al., 2023).
Over the past decades, intensive fertilizer use has increased crop yields but has also led to substantial N losses (45-60%) to the environment, causing water eutrophication and greenhouse gas emissions. Improving nitrogen use efficiency (NUE) is therefore essential for sustainable agriculture. An ideal crop would efficiently store excess nitrate in vacuoles and remobilize it to support growth and development under limiting conditions (Chardon et al., 2012). Thus, understanding the molecular mechanisms controlling vacuolar nitrate fluxes is key to developing crops with improved NUE.
CLCa is the major vacuolar nitrate/proton exchanger in Arabidopsis, accounting for up to 50% of vacuolar nitrate accumulation, and belongs to a highly conserved protein family (Geelen et al., 2000; De Angeli et al., 2006; Hodin et al., 2023):
- the threonine T38 which facilitates anion release from the vacuole during stomata closure when phosphorylated (Wege et al., 2014). Studies from other groups showed that stimulating nitrate export from the vacuole increase NUE (Wang et al., 2018), opening new perspectives for improving NUE through targeted mutation of this CLCa residue,
- the glutamate E203, essential for anion/proton exchange. Its mutation converts the exchanger into a channel (Bergsdorf et al., 2009; Hodin et al., 2023). Surprisingly, NUE is improved in plants overexpressing the CLCaE203A mutated form. However, these plants exhibited reduced growth due to a decreased of plant water contents, reflecting the role of nitrate as an osmotic component of plant turgor.
The results obtained from these two mutations suggest that nitrate accumulation within vacuoles plays a key role in regulating cellular water content. Therefore, it is important to assess the effect of manipulating vacuolar nitrate storage on drought tolerance and WUE, as these parameters will become crucial in the context of global warming.
As nitrate in the vacuole is not only essential for nitrogen storage but also to regulate cell turgor, it is important to evaluate the effect of manipulating vacuolar storage on water use efficiency (WUE) and drought tolerance, as these parameters will become crucial in the context of global warming. This project will then aim to understand in more detail the physiological role of nitrate fluxes through the vacuolar membrane in NUE and response to drought in the model plant Arabidopsis in order to translate later this knowledge to plants of agronomic interest, generating more environmentally friendly crops.
We will address several key questions to identify the best option to improve NUE in crops by modifying nitrate accumulation in the vacuole.
1. Do modulations of vacuolar nitrate accumulation in different cell-types/organs or developmental stages optimize plant performance and NUE?
2. What is the importance of vacuolar nitrate accumulation to hold water content?
3. Can we uncouple the effect on NUE from those on drought sensitivity at the whole plant level by expressing the CLCa mutations in different cell-types/organs?
Cloning, Arabidopsis transformation, genotyping, RT-qPCR.
Confocal microscopy.
Plant growth in soil in greenhouse and growth chamber. In vitro culture.
Water, inorganic ions, amino acids and proteins contents. Enzymatic assays. 15N and 13C labelling and tracing.

Nous recherchons un(e) étudiant(e) fortement motivé(e) par la physiologie et la nutrition des plantes. Le/la candidat(e) devra posséder de solides connaissances en métabolisme de l'azote et en réponse aux stress abiotiques, ainsi que, idéalement, des notions en génomique fonctionnelle.