FolEau (EcoGénomique fonctionnelle du transport de l'eau dans la feuille en régime hydrique fluctuant)
Responsable : Jean Stéphane VENISSE
Personnel FolEau
Nos motivations
Nous voulons contribuer à la résolution de problèmes posés par le changement climatique aux productions végétales forestières. Il faut savoir que la production ligno-cellulosique est le principal revenu économique de l'exploitation forestière. C’est aussi le cas pour le peuplier qui est notre arbre modèle et pour lesquels la sélection des variétés inscrites repose sur des critères qui n'intègrent pas, pour l'instant, l'économie de l'eau dans l'arbre. En outre, la sélection précoce, dont l'objectif principal est d'identifier les génotypes les plus prometteurs à un stade juvénile, est demandeuse d'informations précises sur des familles de gènes clés. Notre travail sur l'étude des gènes impliqués dans les mouvements d'eau dans la feuille contribue à répondre à cette demande.
Quelques bases pour comprendre
Dans l’écosystème, la photosynthèse, consommatrice de CO2 et d’eau, produit les sucres indispensables à toute la vie sur Terre. Dans ce système, l'arbre constitue une remarquable interface hydraulique entre sol et atmosphère : il utilise notamment l'énergie libérée par le passage entre eau-liquide et eau-vapeur (la transpiration) pour entretenir le flux d'eau. Par exemple, un peuplier de 15 ans a besoin d’évaporer 250 litre d’eau par jour en été pour sa croissance. La maximisation des flux d'eau, qui serait un trait adaptatif naturel, nécessiterait un compromis de réponses physiologiques entre, au moins, trois paramètres clés : la sensibilité stomatique, la vulnérabilité xylémienne à la cavitation et le ratio des surfaces d'échange racines-feuilles. A court-terme, le niveau de régulation serait la transpiration, alors que sur un plus long-terme, ontogénique, le paramètre clé serait notamment la surface foliaire.
A l’échelle d’une population, les arbres, espèces non domestiquées, possèdent un potentiel adaptatif et évolutif élevé du fait de leur importante diversité génétique, de la taille de chaque population et des flux de gènes élevés entre populations. D’une part, la plasticité phénotypique des traits (i.e. adaptation à des conditions environnementales hétérogènes) permet une réponse rapide des arbres face aux conditions fluctuantes. Et d’autre part, elle se combine à l’adaptation génétique (i.e. changements génétiques d’une population en réponse à la sélection) qui est plus lente et nécessite plusieurs générations.
Dans l’arbre entier, il semble que les organes les plus distants de la source d'eau du sol soient les premiers sacrifiés en cas de sécheresse. La contrainte hydrique que nous appliquons vise à rester dans une plage de réponse réversible, par exemple en s'approchant du point d’abscission des feuilles sans l'atteindre afin de préserver la fonction et d’aborder les mécanismes de régulation. Parmi les résistances qui s'opposent au transport de l'eau, on peut distinguer six interfaces lorsque l'eau monte dans l’arbre : le passage du sol vers la racine (symplastique, transmembranaire et apoplastique) ; de la racine vers la tige (apoplastique) ; de la tige vers le pétiole (apoplastique) ; du pétiole vers la nervure foliaire (apoplastique) ; de la nervure vers le mésophylle foliaire (symplastique et transmembranaire) et du mésophylle vers l'atmosphère (symplastique et apoplastique). Globalement, en conditions de sécheresse modérée, la résistance au flux d'eau est faible dans la tige et se répartit en parts du même ordre de grandeur entre les racines et les feuilles et influence le métabolisme général, la photosynthèse et la transpiration.
A l’échelle cellulaire, les bases moléculaires de la tolérance à la sécheresse reposent sur une grande quantité de gènes candidats. Parmi les classes de protéines impliquées dans la réponse à la sécheresse, les aquaporines (AQP) se placent comme d'excellents candidats dans la régulation de l'homéostasie hydrique. En effet, l'eau peut passer d'une cellule à l'autre de façon bidirectionnelle notamment via les AQP membranaires. L'existence d'AQP métaboliquement régulables est formulée clairement dans les modèles de réponse des stomates foliaires. Chez le peuplier, nous avons remarqué les modulations d'expression de gènes d'AQP plasmalemmiques (PIP). Implication fonctionnelle prouvée, par exemple chez le bananier, avec un gène d'aquaporine plasmalemmique (PIP1;2) construit sous le contrôle du promoteur d'une déhydrine (DHN-1) conférant une plus forte capacité de récupération à une carence hydrique. Chez Populus trichocarpa, les AQP tonoplastiques (TIP) contribueraient aux échanges d’eau entre les vaisseaux du xylème et les cellules de la gaine péri-vasculaire (Bundle Sheath Extension, BSE), permettant une récupération de la conductance hydraulique foliaire après un stress hydrique. Chez le peuplier, nous avons montré des patrons d’expression AQP opposés en situation de sécheresse.
Comment aborder le problème
L’hypothèse centrale que nous formulons est que certains génotypes porteraient une association de gènes ou de variants alléliques pour le transport de l’eau plus propices à une réponse adaptée, mais cet avantage ne se manifesterait que sous certaines contraintes environnementales données. Dans ce but, nous cherchons à comprendre les mécanismes moléculaires du transport de l’eau dans la feuille afin d’identifier leurs signatures géniques (familles de gènes, profils de régulation). Ces signatures seraient propices à une identification des individus dans une population accueillant les idéotypes recherchés. La famille des aquaporines (AQP) constitue le socle initial de nos recherches. Dans cette perspective, on peut s'attendre à ce que des différences de réponses écophysiologiques et moléculaires apparaissent en fonction de l’aisance des individus à exploiter l’eau disponible. Par exemple, la plasticité du recyclage constitutif des AQP PIP serait le moyen pour les plantes de répondre à des variations rapides de la disponibilité en eau ; sachant que la plasticité conduit à l'acclimatation, elle-même conduisant à l'adaptation. Pour avancer, trois actions de recherches sont en place.
1- Les réseaux de régulation des aquaporines
Sujet complexe qui mobilise plusieurs modèles biologiques. Nous cherchons à décrire les réseaux de régulation géniques mis en œuvre en relation avec la famille des aquaporines en mobilisant trois systèmes expérimentaux : Le premier s’appuie d’une part des échantillons de nervures disséquées de 6 génotypes de peuplier noir soumis à une sécheresse contrôlée et réversible et d’autre part sur une étude en cinétique sur les mêmes génotypes au cours de l’installation de la même sécheresse. Nous disposons des données complètes de transcriptomique dont la fouille est en cours (A Gousset-Dupont, B Fumanal, M Garavillon-Tournayre, M Vandame & C Savel). Le deuxième repose sur l’étude de l’interaction Trichoderma-Fusarium, où ce qui nous intéresse est que Trichoderma détourne à son profit les ressources en eau de sa proie, dans une interaction mycoparasitaire, par dérégulation des aquaporines (JS Venisse, C Savel, G Pétel & P Rockel-Drevet), ce qui nous amène aussi à regarder de plus près le microbiote endophyte dans la réponse globale du peuplier noir à la sécheresse (B Fumanal). Le troisième repose sur des travaux menés sur la brûlure de l’épi par la Fusariose chez le blé (collaboration L Bonhomme & F Rocher). Cette fois-ci une interaction plante-pathogène a montré que la principale composante de la réponse concernait la ré-allocation des ressources du blé (sucre et eau) en faveur du pathogène. S’agit-il d’une reprogrammation de l’utilisation de l’eau analogue à celle que nous étudions entre Trichoderma et Fusarium ?
2- La diversité fonctionnelle des gènes d’aquaporine chez le peuplier
Lorsqu’elles sont observées dans plus de 1 % des individus d’une population, les mutations particulièrement intéressantes sont les SNV (single nucleotide variation, aussi appelées SNP). La plupart sont neutres, i.e. sans effet phénotypique détectable. Pour les autres, les études d’association visent à identifier les corrélations entre SNV et phénotype, mais la preuve de causalité reste un défi en regard de la complexité biologique des individus. Il demeure que les variants génétiques impactent la séquence et altèrent le phénotype par des changement qui affectent : le niveau d’expression des gènes (promoteurs & UTR), l’épissage alternatif (jonctions intron-exons), les ARN non codants (miRNA & lnc-RNA) et la forme 3D ou les propriétés de liaison d’une protéine donnée (structure atomique 3D). Dans ce contexte, nous envisageons de décrire la variabilité naturelle de composition de séquence, ciblant des SNV à impact fonctionnel, dans les aquaporines de peuplier (B. Fumanal, P. Rockel-Drevet & P Label). Il se trouve que la variabilité naturelle des AQP est grande chez les plantes en général et plus particulièrement dans les espèces non-domestiquées telles que les arbres forestiers. Par exemple, Populus trichocarpa 54 gènes et Brassica napus 121 gènes, par comparaison avec Homo sapiens 13 gènes ou Escherichia coli 2 gènes. La diversité des AQP porte aussi sur la spécificité relative de la molécule transportée qui peut être de petits solutés autres que la molécule d’eau. Elle porte aussi sur les mécanismes de sélectivité du pore où de la redondance est évidente particulièrement chez les AQP de plantes (collaboration D Auguin, JS Venisse & R Mom).
3- La relation structure-fonction chez les aquaporines
Nous posons l’hypothèse que, sous des différences de séquence, reposerait des propriétés physiques de sélectivité différentes du pore lorsque aucune particularité n’est détectée dans la structure des promoteurs des gènes. Ces propriétés de sélectivité différentielle sont suspectées à partir de différences de séquence primaire dans les motifs caractérisant la structure atomique du pore. Nous proposons d’explorer deux facettes de la relation structure-fonction chez les aquaporines. D’une part, en étudiant les différences structurales sur six AQP (quatre végétales, et deux contrôles positifs humain et bactérien) en modélisant des structures atomiques des six pores insérés dans leur contexte protéique respectif et en évaluant le mécanisme de sélectivité du pore des AQP d’arbre sous l’angle du rôle du potentiel de membrane (P Label, R Mom, & collaboration D Auguin). Ce potentiel de membrane est notamment dépendant de la concentration en ions de part et d’autre du plasmalemme. D’autre part en approfondissant le rôle de l’environnement ionique. En effet, les stress hydriques sont reliés notamment aux concentrations des ions dans les solutés cellulaires. Les AQP sont sensibles aux concentrations ioniques fortes qui perturbent à la fois la balance électrostatique membranaire et les forces hydrophobes garantissant la structure globulaire. Des études de dynamique moléculaire rapportent un lien entre l’environnement électrostatique et le fonctionnement des AQP. Les chaînes latérales des acides aminés impliqués dans le pore sélectif agiraient comme des sélecteurs dépendant du voltage et basculeraient entre deux états structuraux : haut ou bas, le second correspondant à un pore AQP fermé. Une ligne de recherche ciblera l’étude des conséquences structurales de l’état de phosphorylation des isoformes de la PIP2 où la première boucle cytosolique (boucle B) et l’extrémité C-terminale de la protéine portent plusieurs sites de phosphorylation dont l’état est impacté par une carence hydrique (R Mom).
