Regulation of Arabidopsis Leaf Hydraulics Involves Light

Regulation of Arabidopsis Leaf Hydraulics Involves Light-Dependent
Phosphorylation of Aquaporins in Veins
Karine Prado, Yann Boursiac, Colette Tournaire-Roux, Jean-Marc Monneuse, Olivier Postaire, Olivier Da Ines, Anton
R. Schäffner, Sonia Hem, Véronique Santoni, and Christophe Maurel
Analysé par Mohamed El-Fayal et Cédric Ouvray (Etudiants en Master 2 Biologie des plantes, UM2 Montpellier)
L’état hydrique d’une plante est essentiel à la bonne compréhension des mécanismes d’expansion et de
croissance foliaire. Lors d’un dessèchement du sol, la croissance foliaire ainsi que les phénomènes d’échange tels
que la photosynthèse et l’ouverture stomatique sont affectés. Cela résulte de la diminution de la pression de
turgescence des cellules qui devient trop faible pour permettre la déformation de la paroi cellulaire. Cependant, la
plante est capable de réguler cet état hydrique. Le statut hydrique est déterminé par la balance entre l’absorption
d’eau par les racines et les pertes d’eau par transpiration. De nombreux mécanismes, sous contrôle de facteurs
hormonaux (ABA) ou de l’environnement, permettent de réguler l’activité des aquaporines et donc la perméabilité
à l’eau des cellules et tissus (conductivité hydraulique notée Kros dans le cas des rosettes d’Arabidopsis ). Les
aquaporines sont en effet des canaux facilitant le transport d’eau à travers les membranes cellulaires (Agre et al,
1992). Ce sont des protéines de 250 à 300 acides aminés s'insérant dans la bicouche lipidique et dont les domaines
membranaires sont reliés par des boucles d'acides aminés. En plus du transport de l’eau, les aquaporines peuvent
faciliter le transport de petites molécules neutres (urée, acide borique), de gaz (dioxyde de carbone, ammoniaque),
ou encore d’espèces réactives de l’oxygène comme le peroxyde d’hydrogène. Chez Arabidopsis thaliana, qui
compte 35 isoformes d’aquaporines, il a été démontré que la conductance hydrique des rosettes était plus élevée
la nuit, dût à l’amélioration du transport via ces aquaporines (Postaire et al., 2010). Dans ce nouvel article, nous
avons donc voulu comprendre plus précisément le rôle et le phénomène de régulation faisant des aquaporines un
meilleur transporteur hydrique à l’obscurité. Un criblage de différentes PIPs en condition de jour/nuit a permis
d’étendre les résultats obtenus par Postaire et son équipe, et a permis de déterminer à partir de quatre PIPs
identifiées comme étant fortement exprimées dans la rosette: PIP1;2, PIP2;1, PIP2;6, et PIP2;7, la contribution de
celle qui participe au Kros sous dépendance à la lumière. L’étude de plantes mutantes déficientes sur les quatre
PIPs identifiées révèlent que seule les trois premières citées contribuent au transport de l’eau dans la rosette et que
PIP2;1 est suffisante pour expliquer la dépendance à la lumière et la régulation de la Kros. À partir de constructions
GUS, la localisation tissulaire de l’expression de ces aquaporines a permis de révéler que PIP1;2 est exprimée sur
toute la feuille, tandis que PIP2;1 et PIP2;6 ont une expression spécifique des veines. Une corrélation positive a
été trouvée entre la Kros et la perméabilité à l’eau des protoplastes des veines mais pas du mésophylle suggérant
que ce sont les veines et non le mésophylle qui contribuent à la Kros. Des analyses protéomiques quantitatives ont
révélé des relations entre la dépendance à la lumière de Kros et la phosphorylation de PIP2;1. En effet, PIP2;1
possède deux sites de phosphorylation, Ser-280 et Ser-283, qui confèrent une augmentation de la conductance
hydrique à l’obscurité. La régulation d’une simple aquaporine permet donc de changer le statut hydrique de la
plante.
Figure 6. Effects of Light Regime on Kros of pip2;1-2
Plants Expressing Phosphorylation Mutants of PIP2;1.
Plants expressing the indicated PIP2;1 mutant forms
were grown under L (yellow bars) or D (gray bars)
conditions, and their Kros was compared with values in
the wild type (Col-0) and pip2;1-2. Averaged data (6SE)
are from the indicated number of plants and three
independent cultures. Letters indicate statistically
different values at P < 0.05. The figure shows Kros data
obtained in one individual clone representative of each
genotype, with corresponding immunoblot analysis of
PIP2 expression in the bottom panel. Complementary
analyses are shown in Supplemental Figure 8 online.
Ce travail a montré que la diphosphorylation de PIP2;1 sur les sites Ser280 et Ser283 est à
l’origine de l’augmentation de Kros nocturne. Cette dernière découverte apporte un éclairage nouveau sur
le contrôle des flux hydriques de la rosette en fonction du régime jour/nuit. Elle pourrait permettre de
comprendre un peu mieux la plasticité des plantes à se développer sous différentes latitudes. Cependant,
l’expérience génétique qui tente de déterminer le lien causal entre la diphosphorylation de PIP2;1 et la
Kros suggère que cette diphosphorylation sur les sites Ser-280 et Ser-283 n’est pas suffisante à
l’activation de PIP2;1. En effet, nous constatons un manque d’activité de la forme mutée PIP2;1-DD en
conditions de jour. En effet, la double mutation S280D/S283D portée par PIP2;1-DD mime une
phosphorylation constitutive devrait rendre cette aquaporine constamment active et permettrait donc une
augmentation du Kros durant les deux photopériodes. Nous pouvons donc penser en constatant cela qu’il
y a présence d’autres modifications post-traductionnelles ou d’activateurs spécifiques à la lumière et
essentiels à l’expression de l’aquaporine PIP2;1.
Cette découverte est vraiment l’originalité de cet article. En effet, après avoir constaté le besoin
de la diphosphorylation de PIP2;1 afin d’augmenter la conductivité hydrique à l’obscurité, les auteurs
ont réalisé des formes constitutives de cette aquaporine mimant une diphosphorylation, déficiente ou
non (PIP2;1-AA et PIP2;1-DD) dans le but de comprendre l’importance de cette modification posttraductionnel de PIP2;1.
Environ 300 protéines interagissent avec l’aquaporine racinaire majeure PIP2;1. Il serait donc
intéressant pour les futures expériences de caractériser les interactants de l’aquaporine PIP2;1 et de
connaître le réseau d’acteurs influant sur l’activité de celle-ci au niveau des feuilles. . On pourrait
ainsi décrypter la régulation du flux hydrique foliaire. Il a notamment été démontré que des
mécanismes de signalisation, dépendant en particulier du Ca2+ peuvent, par l’intermédiaire de la
phosphorylation des PIPs, moduler la fonction de ces aquaporines, et ainsi conduire à une régulation du
transport racinaire et foliaire d’eau (Boursiac et al., 2008; Prak et al., 2008 ; Prado et al., 2013). Il serait
intéressant, afin de comprendre la réponse des plantes à l’environnement, de caractériser des protéines
kinases dépendantes du Ca2+, agissant sur PIP2;1.