Homéostasie des protons dans la baie de raisin en lien avec le changement climatique

Proton homeostasis in grape berry in relation to climate change

• Auteur / Autrice : Hortense Moreau
• Direction : Nadine Paris
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : BIDAP - Biologie, Interactions, Diversité Adaptative des Plantes
• Date : Soutenance le 14/12/2021
• Etablissement(s) : Montpellier, SupAgro
• Ecole(s) doctorale(s) : École Doctorale GAIA Biodiversité, agriculture, alimentation, environnement, terre, eau (Montpellier ; 2015-...)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : BPMP - Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes
• Jury : Président / Présidente : Jean-Luc Verdeil
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Nadine Paris, Jean-Luc Verdeil, Stéphanie Robert, Herman Höfte, Maïté Vicré-Gibouin, Alexis De Angeli
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Stéphanie Robert, Herman Höfte

Mots clés

Mots clés libres

Homéostasie des protons

Plante

Biosenseurs de pH

Proton homeostasis

Plants

PH biosensors

Résumé

La vigne est une des espèces à fruits charnus ayant le plus fort impact socio-économique dans le monde. Ses fruits, les raisins, servent majoritairement à l'élaboration de vin. Au cours du développement, les raisins accumulent eau, sucres, acides organiques, composés phénoliques et précurseurs aromatiques qui déterminent la qualité au moment du vendage. Un des marqueurs de qualité des raisins est l'acidité de la baie qui augmente de pH2,5 à pH3,5 au cours de son développement. Cette acidité résulte essentiellement d'un équilibre entre les acides organiques vacuolaires et leur contre ion majoritaire, le potassium. Le pH de l'apoplasme qui joue un rôle fondamental dans la croissance cellulaire, influence aussi les systèmes de transport membranaire qui contrôlent le chargement de la baie. Dans le contexte actuel de changement climatique, la qualité des vins est menacée. En effet, l'augmentation des températures conduit à une chute de l'acidité et à une accumulation excessive de potassium qui, à terme, impactent fortement et négativement la qualité des vins. Dans ces conditions, l'étude du pH des baies de raisin au niveau cellulaire au cours du développement est primordiale et participerait à apporter des connaissances sur les mécanismes qui gouvernent l'acidité des raisins. L'objectif principal de ma thèse était d'analyser la distribution des protons à l'échelle cellulaire dans la vacuole et l'apoplasme où le pH est très acide. Mon travail s'est donc concentré sur l'exploration des sondes chimiques disponibles et sur le développement de senseurs de pH génétiquement encodés qui sont adaptés au pH acide : les Acidines. Ces approches ont permis de mesurer le pH dans la vacuole des baies de raisin au cours de son développement. De plus, grâce à des signaux d'adressage spécifiques, les Acidines ont été adressées à différents domaines de l'apoplasme, soit par ancrage à la membrane plasmique, soit par sécrétion. En épiderme de tabac et en Arabidopsis, ces fusions apoplasmiques ont permis de mettre en évidence la présence de sous domaines de pH. Pour étendre la couverture de l'apoplasme explorée par ces senseurs de pH, nous les avons fusionnés à deux protéines pariétales dont la pectine methylestérase de lin LuPME1. Les résultats préliminaires de caractérisation de l'ensemble de ces fusions ont permis de suggérer un lien entre l'état de méthylation des pectines et le pH apoplasmique. Ces nouveaux senseurs apoplasmiques ouvrent des perspectives intéressantes pour étudier l'élongation cellulaire en relation avec des variations de pH à l'échelle subcellulaire autant que la régulation par le pH des échanges ioniques à la membrane plasmique.

Grapevine is one of the fleshy fruit species with the greatest socio-economic impact in the world. Its fruits, the grape berries, are mainly used for wine production. During development, grape berries accumulate water, sugars, organic acids, phenolic compounds and aromatic precursors which determine the quality at the harvest time. One of the quality markers of grapes is the acidity of the berry, which increases from pH2.5 to pH3.5 during development. This acidity results essentially from a balance between the vacuolar organic acids and their major counterion, potassium. The pH of the apoplast which plays a fundamental role in cell growth, also influences the membrane transport systems which control the loading of the berry. In the current context of climate change, the quality of wines is threatened. Indeed, the increase in temperatures leads to a drop in acidity and an excessive accumulation of potassium which at the end, strongly and negatively impacts the quality of the wines. Under these conditions, the study of the grape berries pH at the cellular level during development is essential and would help to provide knowledge on the mechanisms governing the acidity of grape berries. The main objective of my thesis was to analyze the distribution of protons at the cellular level in the vacuole and the apoplast where the pH is very acidic. My work therefore focused on the exploration of available chemical probes and on the development of genetically encoded pH sensors that are adapted to acidic pH: the Acidins. These approaches made it possible to measure the pH in the grape berry vacuole during its development. In addition, thanks to specific targeting signals, the Acidins were adressed to different apoplastic subdomains, either by anchoring to the plasma membrane or by secretion. In tobacco epidermis and in Arabidopsis, these apoplastic fusions made it possible to highlight the presence of pH subdomains. To extend the coverage of the apoplast explored by these pH sensors, we fused them to two cell wall proteins, including the flax pectin methylesterase LuPME1. Our preliminary results for these fusions suggested a link between the methylation degree of pectins and the apoplastic pH. These new apoplastic sensors open interesting perspectives for studying cell elongation in relation with pH variations at the subcellular scale as well as for the role of pH in regulating ionic exchanges at the plasma membrane.