Des stomates fluorescents pour comprendre les échanges gazeux chez les plantes

Publié par Isabelle le 20/06/2020 à 13:00
Source: CNRS INSB
Chez les plantes, les échanges gazeux avec l'atmosphère sont contrôlés par des pores délimités par deux cellules de garde nommés stomates. Cette étude, publiée dans la revue PNAS, a employé des sondes fluorescentes intracellulaires pour mettre en lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est...) une nouvelle facette des mécanismes de transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de...) d'ions contrôlant l'ouverture les stomates. Ces données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction d'affaire, d'un événement, etc.) donnent un éclairage nouveau sur cette structure essentielle pour la résistance des plantes à la sècheresse et pour la fixation du CO2.


Images en lumière transmise obtenue par microscopie confocale d' un stomate (Un stomate est un orifice de petite taille présent dans l'épiderme des organes aériens des végétaux (sur la face inférieure des feuilles le plus souvent). Il permet les échanges gazeux entre la plante et l'air ambiant...) fermé (à gauche) et du même stomate ouvert (à droite). On distingue les deux cellules de garde, en forme de haricot (Le haricot, ou haricot commun (Phaseolus vulgaris), est une espèce de plante annuelle de la famille des Fabaceae (Papilionacées), du genre Phaseolus, couramment cultivée comme légume. On en consomme soit le fruit (la...) qui délimitent le pore stomatique. L'image de la fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle peut servir à...) émise par un biosenseur (en vert) illustre le changement de la structure subcellulaire lors du processus d'ouverture et fermeture (Le terme fermeture renvoie à :) du stomate.
© Alexis De Angeli

Les stomates sont des pores à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois...) des feuilles qui permettent les échanges gazeux entre la plante (Les plantes (Plantae Haeckel, 1866) sont des êtres pluricellulaires à la base de la chaîne alimentaire. Elles forment l'une des subdivisions (ou règne) des Eucaryotes. Elles sont, avec...) et l'atmosphère (Le mot atmosphère peut avoir plusieurs significations :), ce qui les rend essentiels à la vie (La vie est le nom donné :) des plantes terrestres. Le contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de l'ouverture du pore stomatique est fondamental pour limiter la perte d'eau (L’eau est un composé chimique ubiquitaire sur la Terre, essentiel pour tous les organismes vivants connus.) de la plante par transpiration et optimiser l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie...) de la CO2 pour la photosynthèse (La photosynthèse (grec φῶς phōs, lumière et σύνθεσις sýnthesis, composition) est le processus bioénergétique qui permet aux plantes et...). Une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) de cellules, appelées cellules de garde, délimite le pore stomatique et en module l'ouverture. Les cellules de garde sont capables de réguler l'ouverture du pore stomatique en réponse au stimuli environnementaux. Le mécanisme responsable de l'ouverture et de la fermeture des stomates repose sur le transport d'ions (H+, K+, Cl-, NO3- et malate2-) dans les cellules de garde pour en modifier la pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) de turgescence. Ce mécanisme fait l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans un espace à trois dimensions, qui a une fonction précise, et qui peut...) d'intenses études depuis des décennies, néanmoins de nombreux aspects restent obscurs et constituent une limite pour notre compréhension de la physiologie (La physiologie (du grec φύσις, phusis, la nature, et λόγος, logos, l'étude, la science) étudie le rôle, le fonctionnement et...) des stomates.

Cette étude utilise des approches de biologie (La biologie, appelée couramment la « bio », est la science du vivant. Prise au sens large de science du vivant, elle recouvre une partie...) cellulaire de pointe pour étudier le rôle des compartiments intracellulaires dans la physiologie des stomates. Les chercheurs ont mis au point (Graphie) une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui...) fluorescente ratiométrique pour visualiser simultanément la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il peut être employé comme :) du pH et du nitrate (Les nitrates (autrefois nommés nitre, souvent synonyme de salpêtre) sont les sels de l'acide nitrique. La formule chimique de l’ion nitrate est NO3−.) intracellulaire dans les cellules de garde de la plante modèle Arabidopsis thaliana. Cette approche a permis de mettre en lumière une nouvelle facette des mécanismes de transport d'ions opérant dans les stomates. Ils ont ainsi montré que AtCLCa, un échangeur d'ions localisé sur la vacuole, a une influence majeure sur les conditions ioniques du cytosol de la cellule de garde. Cette influence pourrait être à l'origine du rôle de AtCLCa dans le contrôle de l'ouverture et fermeture des stomates. Ce résultat met en évidence les connections existantes entre les conditions ioniques des différents compartiments intracellulaires des cellules de garde.

Des stomates fluorescents pour comprendre les échanges gazeux chez les plantes.
Séquences d'images ratiométriques en fausses couleurs d'un stomate exprimant un biosenseur fluorescent. Le changement de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s)...) dans le cytosol illustre la variation de concentration d'anion nitrate dans les cellules de garde du stomate.
© Alexis De Angeli

L'échangeur d'ions vacuolaire AtCLCa appartient à une classe de protéines, les CLC (Chloride Channel), qui est présente chez tous les organismes, de la bactérie aux humains en passant par les plantes. Dans les cellules de mammifère (Les Mammifères (classe des Mammalia) forment un taxon inclus dans les vertébrés, traditionnellement une classe, définie dès la classification de Linné. Ce...) les échangeurs CLC sont localisés dans des compartiments subcellulaires tels que les lysosomes. La découverte qu'un CLC eucaryote influence les conditions dans le cytosol suggère une nouvelle interprétation du rôle de cette classe de protéines qui, chez l'homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par...), sont souvent impliquées dans des maladies génétiques graves qui touchent les reins (e.g. la maladie (La maladie est une altération des fonctions ou de la santé d'un organisme vivant, animal ou végétal.) de Dents) ou les os (e.g. l'ostéopétrose).

Ces résultats permettent de mieux comprendre le fonctionnement du stomate, structure fondamentale (En musique, le mot fondamentale peut renvoyer à plusieurs sens.) pour la fixation du CO2 par la photosynthèse et pour la résistance des plantes à la sécheresse. Les connaissances sur la physiologie moléculaire des stomates sont essentielles pour permettre de sélectionner des variétés végétales alliant productivité et un besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les...) en eau réduit, un enjeu essentiel pour les années à venir.

Pour en savoir plus:

Dynamic measurement of cytosolic pH and [NO3-] uncovers the role of the vacuolar transporter AtCLCa in cytosolic pH homeostasis.
Demes E, Besse L, Cubero-Font P, Satiat-Jeunemaitre B, Thomine S, De Angeli A.
Proc Natl Acad Sci USA 16 juin 2020 https://doi.org/10.1073/pnas.2007580117

Laboratoires:

Biochimie & Physiologie Moléculaire de Plantes (BPMP) - (CNRS/Univ. de Montpellier/INRAE/AGRO)
2, place Viala 34060 Montpellier.

Institut de Biologie Intégrative de la Cellule (I2BC) - (CNRS/CEA/INRAE/Inserm/Univ. Paris-Saclay),
1, av de la Terrasse 91198 Gif sur Yvette.

Contacts:
Alexis De Angeli - Chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur...) CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).) à l' institut de Biochimie et physiologie moléculaire de plantes (BPMP)
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