Exploring root cell wall stiffness by nanoindentation in Arabidopsis thaliana under abiotic stress
Exploration de la rigidité de la paroi cellulaire des racines par nanoindentation sous stress abiotique chez Arabidopsis thaliana.
Abstract
Life on earth would not be possible without plants. Human activities have resulted in Global
warming with climate change affecting the plant health. Use of excessive fertilizers and
insecticides leads to degradation of soil quality. Plant roots are the first one to detect changes
in soil composition and react accordingly. One of the most common causes of soil degradation
is phosphate deficiency and acidic nature of the soil, causing metal solubilization, resulting in
root growth inhibition and decrease in crop production.
The phenomenon of root growth inhibition is widely studied in the presence of iron and
aluminum. However, little is known about the mechanics involved in root growth inhibition in
presence of metals. Our work aims at quantifying the change of the nanomechanical response
of living plant roots in presence of metals. In particular, we are interested in the relationship
between the root growth arrest phenotype and a possible change in the stiffness of the
external primary cell wall of the transition zone of Arabidopsis thaliana root.
In this research work, we established a robust experimental protocol to measure the external
primary cell wall of Arabidopsis using nanoindentation experiments with atomic force
microscopy (AFM). Force-distance curves are the output of vertical nanoindentation
experiments by an AFM cantilever. A contact-based mechanical model (Sneddon for
axisymmetric AFM tip) was applied to extract the elastic modulus (Young’s modulus) from
force-distance curves.
A significant part of this work focused on obtaining a robust protocol that introduces minimum
impact from external factors such as root growth, root immobilization, or root
nanoindentation. With this protocol, we analyzed iron or aluminum stress at different
concentrations, plant root stiffness, and plant root growth. In our experimental conditions,
results revealed that in a low concentration of iron and aluminum (≤ 10 μM), no effect on the
root growth and on the stiffness was observed. However, at high concentration (> 10 μM and
≤ 20 μM) of Fe or Al, higher stiffness values are observed, but without a detectable root
growth arrest. Root growth arrest is determined by measuring the length of plant roots.
Surprisingly, when both the metals (Fe and Al) are combined at 10 μM each, a large cell wall
stiffness is observed concomitantly with a total root growth arrest. The major change in the
observed phenotype when Al is present with Fe suggested that malate could be involved in
the observed effect. Thus, we measured the stiffness change in Arabidopsis mutant (almt1)
deficient in malate exudation. In the same experimental conditions as wild type, the combined
presence of Fe and Al did not alter the cell wall stiffness and no root growth inhibition was
observed.
All these observations helped us to present a speculative model where the change in stiffness
of the external primary cell wall has a double origin. First, in presence of sufficient individual
metals (10-20 μM), the accumulation of highly charged Fe3+ and Al3+ bind to negatively
charged pectin. Such a binding induces a change in pectin stiffness. Second, in the presence
of both Fe and Al, the exudation of malate caused by the presence of Al increases the
accumulation of Fe3+ in the apoplast, which in turn activate a redox-couple response, such as
reactive oxygen species, that triggers a root growth arrest, with an increase in cell wall
stiffness. These results are also supported by a change in cell wall deformability as determined
by the recently developed trimechanic theory.
Les activités humaines provoquent un changement climatique qui affectent entre autre la
santé des plantes ainsi qu’une dégradation de la qualité du sol. Les racines des plantes sont
les premières à détecter les changements dans la composition du sol et à réagir en
conséquence. L'une des causes les plus courantes de la dégradation des sols est la carence en
phosphate et la nature acide du sol, qui entraînent la solubilisation des métaux, ce qui a pour
conséquence l'inhibition de la croissance des racines et la diminution de la production
agricole. Le phénomène d'inhibition de la croissance des racines est largement étudié en
présence de fer et d'aluminium. Cependant, les aspects mécaniques impliqués dans
l'inhibition de la croissance des racines en présence de métaux sont peu connus. Notre travail
vise à quantifier le changement de la réponse nanomécanique des racines de plantes vivantes
en présence de métaux. En particulier, nous nous intéressons à la relation entre le phénotype
d'arrêt de la croissance des racines et un changement possible de la rigidité de la paroi
cellulaire primaire externe de la zone de transition de la racine d'Arabidopsis thaliana.
Dans ce travail de recherche, nous avons établi un protocole expérimental robuste pour
mesurer la paroi cellulaire primaire externe d'Arabidopsis en utilisant des expériences de
nanoindentation avec la microscopie à force atomique (AFM). Les courbes force-distance sont
le résultat d'expériences de nanoindentation verticale par un levier AFM. Un modèle
mécanique basé sur le contact (Sneddon pour une pointe AFM axisymétrique) a été appliqué
pour extraire le module élastique (module d’Young) des courbes force-distance.
Une partie importante de ce travail s'est concentrée sur l'obtention d'un protocole robuste
qui nous a permis d’analyser l’impact du fer ou de l'aluminium à différentes concentrations,
la rigidité de la racine de la plante et la croissance de la racine de la plante. Dans nos conditions
expérimentales, les résultats ont révélé qu'à une faible concentration de fer et d'aluminium
(≤10 μM), aucun effet sur la croissance et la rigidité des racines n'a été observé. Cependant, à
des concentrations élevées (>10 μM et ≤20 μM) de Fe ou d'Al, des valeurs de rigidité plus
élevées sont observées, mais sans arrêt détectable de la croissance des racines. De manière
surprenante, lorsque les deux métaux (Fe et Al) sont combinés à 10 μM chacun, une grande
rigidité de la paroi cellulaire est observée en même temps qu'un arrêt total de la croissance
des racines. Le changement majeur dans le phénotype observé lorsque l'Al est présent avec
le Fe suggère que le malate pourrait être impliqué dans l'effet observé. Nous avons donc
mesuré le changement de rigidité chez un mutant d'Arabidopsis (almt1) déficient dans
l'exsudation du malate. Dans les mêmes conditions expérimentales que le type sauvage (10
μM), la présence combinée de Fe et d'Al n'a pas modifié la rigidité de la paroi cellulaire et
aucune inhibition de la croissance des racines n'a été observée. Toutes ces observations nous
ont permis de présenter un modèle spéculatif dans lequel le changement de rigidité de la paroi
cellulaire primaire externe a une double origine. Premièrement, en présence d'une quantité
suffisante de métaux individuels (10-20 μM), l'accumulation de Fe3+ et Al3+ hautement chargés
se lie à la pectine chargée négativement. Cette liaison induit une modification de la rigidité de
la pectine. Deuxièmement, en présence de Fe et d'Al, l'exsudation de malate causée par la
présence d'Al augmente l'accumulation de Fe3+ dans l'apoplaste, qui à son tour active une
réponse redox, telle que les espèces réactives de l'oxygène qui déclenche un arrêt de la
croissance de la racine, avec une augmentation de la rigidité de la paroi cellulaire. Ces résultats
sont également étayés par une modification de la déformabilité de la paroi cellulaire,
déterminée par la théorie trimécanique récemment développée.
| Origin | Files produced by the author(s) |
|---|
