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Lorsque l’eau est rare, les plantes peuvent fermer leurs pores pour éviter de perdre trop d’eau. Cela leur permet de survivre à des périodes de sécheresse encore plus longues, mais avec la plupart des pores fermés, l’absorption du dioxyde de carbone est également limitée, ce qui nuit au rendement photosynthétique, et donc à la croissance et au rendement des plantes.
Les plantes effectuent un acte d’équilibre, naviguant entre le séchage et la faim dans des conditions sèches, à travers un réseau complexe de capteurs. Une équipe internationale de plantes dirigée par Rainer Hedrich, biophysicien de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg en Bavière, en Allemagne, a identifié ces capteurs. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Plants.
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Les microvalves contrôlent la photosynthèse et l’approvisionnement en eau
Lorsque la lumière est abondante, les plantes ouvrent les pores de ses feuilles pour absorber le dioxyde de carbone (CO 2) qui se convertissent ensuite en glucides dans un processus appelé photosynthèse. En même temps, il échappe cent fois plus d’eau à travers les microvalves que le dioxyde de carbone.
Ce n’est pas un problème lorsqu’il y a suffisamment d’eau disponible, mais lorsque les sols se dessèchent au milieu de l’été, la plante doit passer au mode écologique pour économiser de l’eau. Ensuite, les plantes n’ouvriront leurs pores que pour effectuer la photosynthèse aussi longtemps qu’il est nécessaire de survivre. L’ouverture et la fermeture des pores sont réalisées grâce à des cellules protectrices spécialisées qui entourent chaque pore par paires. Les unités composées des pores et des cellules de garde sont appelées stomates.
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Les cellules de garde ont des capteurs pour CO 2 et ABA
Les cellules de protection doivent être capables de mesurer la photosynthèse et l’approvisionnement en eau afin de répondre adéquatement aux conditions environnementales changer. A cet effet, ils ont un récepteur pour mesurer la concentration de CO 2 à l’intérieur de la feuille. Lorsque la valeur de CO 2 augmente fortement, c’est un signal que la photosynthèse ne fonctionne pas idéalement. Ensuite, les pores sont fermés pour éviter l’évaporation inutile. Une fois que la concentration de CO 2 a diminué à nouveau, les pores rouvrent.
L’approvisionnement en eau est mesuré à travers une hormone. Lorsque l’eau est rare, les plantes produisent de l’acide abscisique (ABA), une hormone de stress clé, et définissent leur cycle de contrôle du CO 2 en mode économie d’eau. Ceci est réalisé grâce à des cellules protectrices équipées de récepteurs ABA. Lorsque la concentration d’hormones dans la feuille augmente, les pores sont fermés.
Analyse du réseau CO 2 -ABA
Incidence des récepteurs ABA dans la fermeture de la stomie induite par l’ABA et le CO2. En mode stress de sécheresse, la plante produit de grandes quantités de l’hormone ABA qui agit sur les cellules protectrices (gauche, cellule protectrice gauche) et se lie au joueur primaire, PYL2, et au joueur secondaire, PYR1. Des niveaux élevés de CO2 (cellules protectrices droite et gauche) font en sorte que les PYL4, 5 et, dans une certaine mesure, le PYR1 deviennent plus sensibles et se joignent à l’ABA à de faibles concentrations intracellulaires. Dans les deux cas, la phosphatase ABI1 est liée, ce qui permet à l’OST1 kinase de s’activer d’abord, puis au canal anionique SLAC1. L’écoulement anion résultant dépolarise le potentiel membranaire, ce qui à son tour active le canal de sortie potassique GORK. L’écoulement des sels osmotiquement actifs provoque l’écoulement de l’eau des cellules protectrices. Ils rétrécissent et la stomie se ferme (à droite).
L’équipe de recherche JMU souhaitait faire la lumière sur les composantes des cycles de contrôle des cellules de protection. Pour à cette fin, ont exposé les espèces d’Arabidopsis à des niveaux élevés de CO 2 ou d’ABA. Ils l’ont fait pendant plusieurs heures pour déclencher des réactions au niveau du gène. Par la suite, des stomates ont été isolés des feuilles pour analyser les profils d’expression génétique respectifs des cellules protectrices à l’aide de techniques de bioinformatique. Pour cette tâche, l’équipe a engagé Tobias Müller et Marcus Dietrich, deux experts en bioinformatique de l’Université de Wurtzbourg.
Les deux experts ont constaté que les patrons d’expression des gènes différaient significativement à des concentrations élevées de CO 2 ou d’ABA. De plus, ils ont noté que l’excès de CO 2 a également entraîné des changements dans l’expression de certains gènes ABA. Ces résultats ont amené les chercheurs à examiner de plus près la voie de signalisation ABA. Ils s’intéressaient particulièrement aux récepteurs ABA de la famille des PYR/PYL (récepteur de la pyrabactine et similaire à pirabactine). Arabidopsis a 14 de ces récepteurs, dont six dans les cellules de garde.
Récepteurs ABA au microscope
« Pourquoi une cellule de garde a-t-elle besoin de six récepteurs pour une seule hormone ? Pour répondre à cette question, nous avons collaboré avec le professeur Pedro Luis Rodríguez de l’Université de Madrid, expert en récepteurs ABA », explique Hedrich. L’équipe de Rodríguez a généré des mutants Arabidopsis dans lesquels ils pouvaient étudier les récepteurs ABA individuellement.
« Cela nous a permis d’assigner à chacun des six récepteurs ABA une tâche dans le réseau et d’identifier les récepteurs individuels responsables de la fermeture des stomates induite par l’ABA et le CO 2 », explique Peter Ache, un collègue de Hedrich.
Les cellules de garde utilisent ABA comme monnaie dans les calculs
« Nous concluons à partir des résultats que les cellules protectrices compensent les performances actuelles de fixation du carbone photosynthétique avec l’état du bilan hydrique utilisant l’ABA comme monnaie », explique Hedrich. « Lorsque l’approvisionnement en eau est bon, nos résultats indiquent que les récepteurs ABA évaluent l’équilibre hormonal de base comme quasi « sans stress » et maintiennent les stomates ouverts pour l’alimentation en CO 2. Lorsque l’eau est rare, les récepteurs du stress de sécheresse reconnaissent le niveau élevé d’ABA et font en sorte que les cellules protectrices ferment les stomates afin d’empêcher la plante de se dessécher.
Ensuite, les chercheurs JMU visent à étudier les caractéristiques particulières des récepteurs ABA et CO 2 pertinents, ainsi que leurs voies de désignalisation et leurs composants.
