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Thèmes de recherche

Rôle physiologique des H+ -ATPases de la membrane plasmique


Caractérisation fonctionnelle des H+-ATPases de la membrane plasmique et impacts sur l'homéostasie ionique végétale.
Publié le 28 août 2019

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 - © N. Léonhardt

 

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
 

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

 
 
​Contact :
Nathalie Léonhardt