Mécanismes de régulation du transport d'eau dans la racine d'Arabidopsis thaliana : effets d'un traitement par le sel et le péroxyde d'hydrogène sur la fonction des aquaporines

Mechanics of root water transport in Arabidopsis : effects of salt and hydrogen peroxide treatments on the fonction of aquaporins

• Auteur / Autrice : Yann Boursiac
• Direction : Christophe Maurel
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Biologie
• Date : Soutenance en 2005
• Etablissement(s) : Montpellier 2

Mots clés

Mots clés contrôlés

Racines (botanique)

Effets de l'eau

Arabidopsis

Plantes -- Effets de l'eau

Résumé

L’absorption racinaire d’eau est un processus central pour le maintien du statut hydrique des plantes. La conductivité hydraulique racinaire (Lpr) traduit la facilité du passage de l’eau au travers des racines. Ce paramètre peut être modulé en réponse à des contraintes de l’environnement comme le stress hydrique ou la carence en nutriments. D’un point de vue moléculaire, la Lpr est déterminée en grande partie (plus de 70% chez Arabidopsis thaliana) par l’activité de canaux à eau nommés aquaporines. Alors que la structure atomique de ces canaux membranaires est très bien décrite chez les animaux, les mécanismes qui permettent leur régulation chez les plantes et leur rôle dans la modulation de la Lpr en réponse aux contraintes environnementales restent très mal connus. L’objectif de cette thèse a été d’intégrer, dans le contexte du transport d’eau dans la racine d’Arabidopsis, des mécanismes cellulaires et moléculaires de régulation des aquaporines. Pour cela, la régulation de la Lpr a été étudiée dans deux contextes physiologiques distincts, le stress salin et l’exposition à des espèces activées d’oxygène (ROS). D’une part, il a été montré qu’un traitement salin (100 mM NaCl) est capable de réduire la Lpr d’environ 35% après 40 min, et jusqu’à 70% après 3 h. En parallèle, il a été montré que l’expression des aquaporines est régulée à trois niveaux au moins : l’abondance des transcrits et des protéines, ainsi que la localisation sub-celllulaire de ces dernières. L’ensemble de ces mécanismes moléculaires n’intervient de manière marquée qu’après 2 h de traitement environ, ce qui suggère en particulier que des modifications de type post-traductionnel agissent rapidement sur les aquaporines et modulent leur activité de transport d’eau. Le peroxyde d’hydrogène et d’autres ROS sont des inhibiteurs puissants (jusqu’à 80% d’inhibition) et très rapides de la Lpr, avec un temps de demi-inhibition de 7 min environ. Au contraire de ce que nous pensions initialement, les ROS n’inhibent pas les aquaporines via une oxydation directe de leurs résidus, mais nécessitent plutôt l’activation de voies de signalisation dans lesquelles le calcium externe et des protéines kinases jouent un rôle prépondérant. Au vu de leur place centrale dans la réponse des plantes aux contraintes biotiques et abiotiques, les ROS, et H2O2 plus particulièrement, pourraient jouer un rôle important dans la régulation de la Lpr en réponse aux stress. Au final, ce travail de thèse a permis de mettre à jour des niveaux multiples de régulation de l’expression des aquaporines ainsi que l’implication de certaines voies de signalisation dans la suite d’évènements reliant la perception par la plante de contraintes environnementales à la régulation moléculaire du transport d’eau dans la racine

Water uptake by roots plays a central role in the regulation of plant water status. The root water permeability (root hydraulic conductivity; Lpr) is regulated by many environmental conditions such as drought or nutrient deficiency. At the molecular level, water channels named aquaporins contribute to a large part of the overall Lpr (> 70% in Arabidopsis thaliana). However, the mechanisms for aquaporin regulation in plants and their role in the modulation of Lpr by environmental stresses are still poorly understood. The aim of this thesis was to unravel novel molecular and cellular mechanisms of aquaporin regulation in the context of water transport modulation in the root of Arabidopsis. For this, Lpr regulation was studied in two distinct physiological situations, salt stress (NaCl) and exposure of roots to reactive oxygen species (ROS). Here we show that a salt treatment (100 mM NaCl) can inhibit Lpr by 35% in 40 min and by up to 70% after 3 h. Aquaporins expression was regulated in parallel to this at, at least, three levels : the abundance of transcripts and proteins and the subcellular localisation of the latter. Whereas these mechanisms may explain the long term (> 4 h) regulation of Lpr by salt, other types of regulation, by post-translational modifications for instance, might be involved in the early response (< 2 h) of the root. In another study, hydrogen peroxide (H2O2) and other ROS were identified as powerful inhibitors of Lpr by up to 80% in a few minutes. Unexpectedly, the action of ROS on the aquaporin activity was not mediated by a direct oxidation gating mechanism, but rather involved the activation of signalling pathways in which external calcium and protein kinases played an important role. From this and other works, we conclude that, as central molecules in the response of plants to environmental stresses, H2O2 and other ROS could be major regulators of Lpr. In conclusion, this work uncovered signalisation pathways and multiple levels for regulation of aquaporin expression which contribute to a chain of events from the perception of environmental stress to the molecular regulation of root water transport