Thèmes de recherche

Stress oxydant et réponses non-stomatiques au stress hydrique

De nombreuses conditions de stress environnemental inhibent la photosynthèse, entraînant la production d’espèces réactives de l’oxygène dans les chloroplastes et provoquant l’oxydation de macromolécules. Nous avons identifié des produits d’oxydation du caroténoïde β-carotène générés dans des conditions de stress photooxydant, tels que le β-cyclocitral (β-CC) et l’acide β-cyclocitrique (β-CCA), qui agissent comme des molécules de signalisation déclenchant des changements dans l’expression de gènes nucléaires et améliorant la tolérance au stress des plantes (Havaux 2021). Par exemple, l’arrosage de plantes Arabidopsis avec une solution de β-CCA augmente très nettement leur tolérance à la sécheresse (D’Alessandro et al. 2019). Ce phénomène n’est pas attribuable à une modification du fonctionnement des stomates, et nos travaux actuels sont centrés sur l’élucidation des voies de signalisation induites par le β-CC(A) et les mécanismes qui sous-tendent la tolérance accrue à la sécheresse. Dans ce contexte, nous essayons d’identifier les gènes clés dans les voies de signalisation β-CC(A) en combinant des analyses transcriptomiques, des cribles génétiques et des études de mutants d‘Arabidopsis. Nous avons d’ores et déjà isolé un certain nombre de mutants ne répondant pas au β-CC et séquencé le génome de quelques-uns d’entre eux, fournissant plusieurs gènes candidats impliqués dans la signalisation du β-CC. De plus, un travail de recherche translationnelle dans lequel les informations recueillies chez Arabidopsis sont transférées chez la vigne, en collaboration avec deux laboratoires de l’INRAE (SVQV Colmar et LPSE Montpellier). Ce travail fournira les bases pour l’utilisation pratique du β-CCA comme phytoprotecteur en vue d’améliorer la tolérance à la sécheresse des cultures.

 

Les apocaroténoïdes induits par le stress dans la régulation de la croissance et la communication plante-plante

Un effet majeur du β-CC(A) est d’induire des mécanismes de défense au détriment de la croissance et du développement (Ramel et al. 2012). En conséquence, il a été constaté que l’arrosage de plantes d’Arabidopsis avec du β-CCA inhibait la croissance des racines. Nous avons identifié des gènes liés à la division cellulaire qui sont induits par le β-CCA et qui jouent un rôle dans cette inhibition de la croissance racinaire. Le lien avec la tolérance à la sécheresse est actuellement étudié par la surexpression constitutive de ces gènes chez Arabidopsis.

Contrairement au β-CCA, le β-CC est un composé volatil qui pourrait potentiellement servir de signal dans la communication entre plantes (Havaux 2021). Cette signalisation à longue distance est actuellement étudiée chez Arabidopsis et la tomate afin de créer de nouvelles variétés de tomates tolérantes à l’ombre et capables de prospérer dans des agrosystèmes de cultures intercalaires. Nous étudions la production de produits volatils résultant de l’oxydation des caroténoïdes dans les plantules ombragées, leurs effets modulateurs sur l’élongation cellulaire et leur impact sur les plantes voisines non ombragées. Les résultats de cette étude pourraient établir le β-CC et éventuellement d’autres apocaroténoïdes volatils comme de nouveaux régulateurs de croissance et pourraient conduire à de nouvelles découvertes qui contribueront à améliorer la performance des cultures dans les agro-écosystèmes de cultures associées. 

Signalisation des cellules de garde en réponse au stress hydrique 

Chez les végétaux, les cellules de garde sont des cellules spécialisées qui délimitent et contrôlent l’ouverture/la fermeture du pore du stomate régulant les échanges gazeux (CO2 et H20) entre la plante et l’atmosphère. Le contrôle de l’ouverture des stomates par les cellules de garde influence directement la photosynthèse et la transpiration et, par conséquent, la production de biomasse des plantes. Depuis plusieurs années, nous développons et adaptons des approches interdisciplinaires et de biologie des systèmes aux cellules de garde qui sont désormais un système modèle clé pour l’étude de la transduction des signaux et les fonctions des canaux ioniques chez les plantes.

En fonction des stimuli environnementaux, les cellules de garde ajustent l’ouverture des stomates en induisant des flux massifs d’ions (principalement K+, Cl, NO3 et malate) et de sucres à travers la membrane plasmique et la membrane vacuolaire. L’identification au cours des dernières décennies des acteurs moléculaires impliqués dans la signalisation des cellules de garde et le transport des ions a mis en évidence le fait que l’ouverture ou la fermeture des stomates repose sur le contrôle des flux d’ions à travers la membrane plasmique et le tonoplaste. Malgré l’importance de la coordination de ces flux d’ions entre des membranes cellulaires en série, les bases moléculaires et biophysiques de cette coordination restent méconnues. Afin d’identifier les bases biophysiques et moléculaires de la coordination des flux d’ions entre membranes et compartiments cellulaires, des approches de génétique, imagerie cellulaire, électrophysiologie et des modèles mathématiques sont développées en collaboration avec l’IPSIM (Montpellier) et l’INRIA (Lyon) pour comprendre les mécanismes qui opèrent à la base de la coordination des flux d’ions lors de l’ouverture/fermeture des stomates. En effet, ces flux d’ions sont d’une importance centrale dans le contrôle du potentiel de membrane et dans la signalisation cellulaire, ainsi que dans la turgescence cellulaire. Au niveau de la membrane plasmique des cellules de garde, un des acteurs majeurs de la régulation stomatique est l’activité des pompes H+ qui créent le potentiel électrochimique nécessaire à l’entrée du K+. Afin de déterminer les rôles de cette famille de transporteurs et leur régulation dans les cellules de garde, plusieurs ressources génétiques sont exploitées telles que les mutants ost2 (Open Stomata, Merlot et al. 2007) qui présentent un contrôle aberrant de l’ouverture des stomates entraînant une perte d’eau anormalement élevée au niveau des feuilles mais aussi de nouvelles lignées générées par CRISPR-cas9 dont l’activité de différentes isoformes de pompe à protons est dérégulée. Pour déterminer comment les pompes à protons régulent le potentiel membranaire et les changements de pH, des approches de et de biologie cellulaire seront combinées. Les changements spatiaux et temporels du pH (intracellulaires et extracellulaires) sont en cours d’études par des systèmes de rapporteurs afin d’évaluer le rôle de H+ dans ces réponses. Les H+-ATPases étant activées par phosphorylation et par liaison concomitante des protéines 14-3-3 au motif phosphorylé, des études de biochimie sont en cours de développement en collaboration avec une équipe du LRSV (Toulouse) afin d’identifier l’identité moléculaire des 14-3-3 impliquées et de caractériser leurs rôles dans les voies de signalisation des cellules de garde. De plus, afin d’identifier les régulateurs de la pompe à protons, un crible génétique basé sur l’identification de mutations supprimant le phénotype « stomate ouvert » de la dominante ost2-2D a conduit à l’identification de plusieurs candidats dont certains sont plus tolérants au stress de la sécheresse et présentent une biomasse plus élevée. L’analyse de ces mutants est actuellement en cours et sera poursuivi. La caractérisation de ces mutations pourrait conduire à l’identification de nouveaux régulateurs clés des voies de signalisation des cellules de garde ce qui pourrait offrir des stratégies originales pour améliorer la résistance des cultures au stress hydrique.

La stratégie mise en œuvre dans l’équipe a pour objectif de mettre en lumière des processus cellulaire fondamentaux présents chez Arabidopsis et d’ouvrir de nouvelles perspectives dans la compréhension du fonctionnement des stomates de nombreuses espèces végétales incluant les espèces cultivées, un aspect essentiel dans le contexte des défis futurs qui attendent l’agriculture, pour allier production de biomasse et tolérance aux stress environnementaux.

Les H+-ATPases au service des Phytotechnologies (PI : N. Leonhardt)


Les rôles pléiotropes des H+-ATPases de la membrane plasmique sont également illustrés par leur impact sur l’absorption des ions via la régulation du potentiel membranaire ou l’efflux de H+ modulant les propriétés physico-chimiques de la rhizosphère. Suite aux travaux réalisés dans le cadre du projet PIA-DEMETERRES (2016-2021), nous avons mis en évidence que les mécanismes d’absorption du césium par la plante dépendent de multiples paramètres dont les propriétés physico-chimiques du sol et l’état physiologique des plantes. Le césium est un métal alcalin faiblement hydraté dont les propriétés chimiques sont proches de celles du potassium, il est admis que le Cs pénètre dans les plantes principalement via les systèmes de transport du K+ dédiés à la nutrition des plantes. L’identification et la caractérisation de ces transporteurs sont actuellement étudiées en collaboration avec plusieurs partenaires académiques et industriels. Par ailleurs, les paramètres rhizosphériques à l’interface sol/racine et leur modification par le système racinaire sont cruciaux dans l’absorption du Cs. En particulier, l’architecture, la plasticité et l’activité de transport des racines peuvent modifier le pH du sol affectant la biodisponibilité du césium et son absorption par les plantes (Dubus et al. 2022). Dans ce contexte, l’identification et la modification de l’activité des principales ATPases de pompage de protons sont actuellement étudiées afin d’augmenter (phytoremédiation) ou de limiter (phytostabilisation) l’absorption du césium en modulant la disponibilité du Cs dans la rhizosphère et/ou en régulant les systèmes de transport racinaire pour l’absorption du Cs.