Thèmes de recherche

Caractérisation fonctionnelle des H+-ATPases de la membrane plasmique et impacts sur l’homéostasie ionique végétale

Pour rester vivante, toute cellule a besoin de finement réguler son potentiel de membrane et son gradient de protons. Chez les végétaux, cette activité est essentiellement assurée au niveau de la membrane plasmique par des pompes à proton, les H+-ATPases (AHA, 12 membres chez Arabidopsis). Ces transporteurs jouent un rôle essentiel dans de nombreuses fonctions physiologiques, notamment l’homéostasie du pH, les échanges gazeux et hydriques avec l’environnement, l’absorption des nutriments et la signalisation hormonale. Dans ce contexte, nos recherches ont pour objectif de comprendre l’importance de la diversité fonctionnelle et des mécanismes de régulation de la famille des AHAs. Nos études se focalisent sur deux tissus végétaux dans lesquels les H+-ATPases jouent des fonctions biologiques essentielles: la cellule de garde et les racines.

Les cellules de garde
Les cellules de garde, situées majoritairement dans l’épiderme des feuilles, contrôlent l’absorption du carbone et la perte d’eau avec l’atmosphère et présentent des changements rapides dans leur potentiel turgescent en réponse à divers paramètres environnementaux tels que la lumière, la pression partielle de CO2, l’humidité, le stress hydrique et les attaques pathogènes. Une perte de turgescence des cellules de garde lors d’un stress hydrique est un processus essentiel pour limiter la transpiration au niveau de l’épiderme et éviter la déshydratation des plantes. Les cellules de garde constituent également un système cellulaire unique idéal pour disséquer la fonction de gènes individuels et de protéines dans les cascades de signalisation. Un nombre limité de protéines AHA est exprimé dans la cellule de garde d’Arabidopsis, ce qui facilite les analyses génétiques. Ainsi, les fonctions de ces isoformes, majoritairement exprimées dans la cellule de garde sont actuellement en cours d’étude dans l’équipe. Notamment, nous avons démontré l’inhibition de l’activité de ces enzymes est cruciale pour permettre la fermeture des stomates induite par l’ABA. De plus, l’isoforme la plus fortement exprimée dans les stomates, AHA1, joue un rôle prépondérant dans les mécanismes d’ouverture des stomates en réponse à la lumière bleue et pour la dégradation de l’amidon. Nous étudions aussi leur capacité à contrôler le potentiel membranaire et leur régulation en réponse à des changements des conditions environnementales telles que la transition lumière/obscurité, la sécheresse et le CO2. Les mécanismes de régulation post-traductionnelle de ces protéines, y compris la régulation par les protéines 14-3-3-3 et les événements de phosphorylation, sont aussi analysés.

 

Schéma d’une cellule de garde – © N. Léonhardt

 

Afin d’identifier de nouveaux régulateurs impliqués dans le contrôle des pompes à protons en cellule de garde, un crible génétique par imagerie thermique infrarouge est en cours de réalisation. L’ensemble de nos travaux a pour objectif d’améliorer nos connaissances sur l’importance de la diversité fonctionnelle de cette famille de pompes à protons dans les voies de signalisation des cellules de garde et leurs régulations.

 

Mutants d’Arabidopsis – Crédit : N. Léonhardt – S. Chiarenza /CEA BIAM

 

Rôle des pompes à protons dans les racines

Le rôle des pompes à protons dans le développement et l’architecture du système racinaire sont aussi étudiés ainsi que dans la nutrition et les mécanismes de détoxication de certains éléments toxiques.

L’équipe SAVE est impliquée dans le projet DEMETERRES, financé par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) dans le cadre de l’appel RSNR d’Investissements d’Avenir depuis 2013. Il a pour ambition de développer en France un ensemble de technologies innovantes de remédiation des sols et des effluents contaminés, sélectives des radionucléides (principalement sur le césium137), non intrusives et optimisées en matière de déchets secondaires, qui touchent conjointement au domaine des biotechnologies (bio-remédiation et phyto-extraction) et des technologies physico-chimiques dites éco-compatibles. Ce projet, coordonné par le CEA/DRF, est structuré autour d’une expertise scientifique sur les approches physico-chimiques et biologiques, et le savoir-faire industriel des acteurs. Il regroupe des équipes de recherche du CEA à la DRF (BIAM à Cadarache) et à la DEN (DPC, DTCD, DRCP et ICSM), de l’IRSN à Cadarache ainsi que de l’INRA et du CIRAD à Montpellier. Les partenaires industriels sont AREVA et VEOLIA.

L’absorption du césium par la plante dépend 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 ainsi admis que le césium pénètre dans les plantes principalement par les systèmes de transport du potassium, destinés à leur nutrition. Les paramètres rhizosphériques à l’interface sol/racine et leur modification par le système racinaire jouent des rôles essentiels pour l’absorption du Cs. En particulier, l’architecture racinaire, la plasticité et l’activité de transport sont capables de modifier le pH du sol et les conditions d’oxydo-réduction affectant la biodisponibilité du césium et son absorption par les plantes.  Parmi les transporteurs végétaux, les H+-ATPases de la membrane plasmique sont les principaux transporteurs actifs impliqués dans l’absorption des ions dans les racines via la régulation du potentiel membranaire et jouent un rôle important en affectant les propriétés physico-chimiques de la rhizosphère. Dans ce contexte, nous étudions l’impact de l’activité des H+-ATPases  afin  d’augmenter (phytoremédiation) ou de limiter (sécurité alimentaire) l’absorption du césium dans la plante en modulant la disponibilité du Cs dans la rhizosphère et/ou en régulant les systèmes de transport racinaire du potassium pour son absorption.

Observation de l’extrusion des protons par les racines © N. Léonhardt / CEA BIAM

Contact : Nathalie PRAT

Lien vers la conférence Cyclope du 30 avril 2019 sur le projet Démeterres

Chloroplastes de la mousse Plagiomnium affine – Crédit : Fabelfroh

 

Du chloroplaste au noyau : signalisation des espèces réactives de l’oxygène et du stress photo-oxydant dans les plantes.

Publié le 28 août 2019

Antioxydants chloroplastiques

En conditions naturelles, les végétaux sont souvent exposés à des contraintes du fait, par exemple, de variations de la température, de la lumière ou de la disponibilité en eau. Ces contraintes perturbent le métabolisme photosynthétique et conduisent à une production élevée d’espèces actives de l’oxygène, notamment d’oxygène singulet. A forte concentration, ces espèces sont toxiques et résultent en une situation de stress oxydant, associée à des dommages des macromolécules et une réduction de l’activité photosynthétique. Un de nos projets de recherche vise à caractériser les fonctions de systèmes antioxydants de détoxication et de réparation mis en œuvre par les plantes en réponse au stress photo-oxydant.

Le chloroplaste contient une large gamme de petites molécules antioxydantes liposolubles, comme les caroténoïdes,  les tocophérols et d’autres quinones prénylées, ou hydrosolubles, comme l’ascorbate et la pyrodoxine. La plupart de ces antioxydants sont des piégeurs de l’oxygène singulet qui fonctionnent comme vitamines chez l’Homme. Nous étudions les fonctions protectrices de ce réseau de molécules antioxydantes chloroplastiques, notamment en utilisant des mutants d’extinction ou de surexpression de la plante modèle Arabidopsis thaliana.

Imagerie d’autoluminescence du stress oxydant chez Arabidopsis.
© Michel Havaux / CEA

Fonction de signalisation des produits d’oxydation

Les espèces actives de l’oxygène (EAO) ont un double effet. Outre leur toxicité, les EAO peuvent fonctionner comme des signaux capables d’induire une modification de l’expression des gènes.

Ce double rôle a été reconnu récemment pour l’oxygène singulet formé dans le chloroplaste à partir des molécules de chlorophylle excitées. Les voies de signalisation de l’oxygène singulet peuvent conduire soit à la mort cellulaire, soit à l’acclimatation au stress oxydant.

Nous étudions la signalisation du stress photo-oxydant chez les plantes. En particulier, nous essayons de comprendre comment le signal ‘oxygène singulet’ est perçu dans le chloroplaste et transféré vers le noyau.

Dans ce contexte, nous nous intéressons à la fonction de signalisation des produits d’oxydation des cibles préférentielles de l’oxygène singulet dans le chloroplaste comme les caroténoïdes ou les lipides.

Plantes d’Arabidopsis soumises à des molécules « signal « volatiles dans des caissons hermétiques.
© Michel Havau x/ CEA

Contact : Michel Havaux