L’auxine est l’hormone la plus importante des plantes. Il est principalement synthétisé dans les cotylédons, les jeunes feuilles et d’autres tissus en croissance, et est transporté vers des problèmes ciblés via le transport polaire pour réguler le développement et la croissance des plantes. Comment ce transport d’auxine polaire (PAT) est-il réalisé ?
Récemment, l’équipe conjointe de l’Université du Zhejiang et de l’Université du Hubei dirigée par le Dr Guo Jiangtao de l’École de médecine de l’Université du Zhejiang a élaboré sur les mécanismes moléculaires du transporteur d’auxine PIN-FORMED (PIN). Leur étude a été publiée en ligne dans la revue La nature le 2 août. En tant que percée majeure dans l’étude du PAT, leurs découvertes ont brisé un écrou dur concernant le phototropisme, jetant ainsi une base solide pour la poursuite de la réglementation du PAT.
À la fin du 19e siècle, Charles Darwin, un célèbre biologiste britannique qui a développé la théorie de l’évolution, a découvert que lorsque la pointe du coléoptile était exposée à une lumière unidirectionnelle, elle transmettait une certaine « influence » à la zone d’allongement en dessous, provoquant le côté ombragé de la zone d’élongation à croître plus vite que le côté ensoleillé. La plante a fini par se courber vers la lumière. En 1928, Frits Warmolt Went, un biologiste néerlandais, a confirmé que le phototropisme était déclenché par un type spécial de composé chimique et l’a appelé auxine. L’indol-3-acétique (IAA) n’a été isolé des plantes supérieures qu’en 1946.
Des études de suivi ont révélé que l’auxine était liée non seulement au phototropisme, mais également au gravitropisme et au chimiotropisme. La réponse ou l’orientation d’une plante à un stimulus qui agit avec une plus grande intensité dans une direction que dans une autre est appelée tropisme. Ce tropisme est principalement causé par la distribution polaire de l’auxine dans les plantes. Par conséquent, PAT joue un rôle central dans ce processus.
PAT dépend fortement de trois transporteurs d’auxine : PIN-FORMED (PIN), auxin transporter protein 1 (AUX1) et transporteurs de cassette de liaison à l’ATP (ABC), parmi lesquels les PIN constituent la partie la plus cruciale de ce système PAT. Le mutant pin est caractérisé par des défauts PAT, tels qu’un phototropisme et un gravitropisme altérés. Cependant, on sait peu de choses sur la façon dont les PIN interviennent dans l’efflux d’auxine.
Guo Jiangtao et al. déterminé les structures cryo-EM d’Arabidopsis thaliana PIN3 (AtPIN3) à l’état apo (AtPIN3apo) et à l’état lié à l’IAA (AtPIN3IAA). AtPIN3 existe sous forme d’homodimère. Dans chaque sous-unité, AtPIN3 contient 10 hélices transmembranaires (TM1-10) et TM1-5 et TM6-10 sont des répétitions structurelles inversées. AtPIN3apo et AtPIN3IAA sont similaires dans leur structure et dans une conformation tournée vers l’intérieur. AtPIN3 est composé du domaine d’échafaudage et du domaine de transport. Dans AtPIN3IAA, IAA se lie dans une poche tournée vers l’intérieur entre le domaine d’échafaudage et le domaine de transport et a des interactions de liaison hydrogène et hydrophobes avec plusieurs résidus d’acides aminés conservés.
Pour valider le mode de liaison de l’IAA et de l’AtPIN3, le Dr Guo et ses collègues ont établi un test de transport in vitro de l’IAA radioactif marqué au 3H. En comparaison avec AtPIN3 de type sauvage (WT), les mutants ont montré une activité d’efflux d’IAA marquée au 3H réduite. Les constantes de dissociation KD pour l’IAA lié à WT AtPIN3 et le mutant AtPIN3 ont été mesurés par la résonance plasmonique de surface. Les résultats ont montré que WT AtPIN3 présentait une affinité de liaison plus élevée pour l’IAA. De plus, Guo Jiangtao et al. ont également utilisé d’autres méthodes de vérification multiple, telles que la simulation de dynamique moléculaire et la comparaison structurelle.
L’acide N-1-naphtylphtalamique (NPA) a été utilisé comme inhibiteur des transporteurs d’auxine pour l’étude du mécanisme PAT. Les plantes traitées au NPA présentent un phénotype pratiquement identique à la souche mutante pin1-1. Les cibles et les mécanismes du NPA sont depuis longtemps sujets à controverse.
Les chercheurs ont analysé la structure complexe AtPIN3-NPA (AtPIN3NPA) et ont découvert que le NPA se liait au site de liaison au substrat dans AtPIN3, avec une affinité plus élevée que l’IAA. Par conséquent, le NPA a fonctionné comme un inhibiteur compétitif, a occupé le site de liaison du substrat auxine et a inhibé le changement conformationnel potentiel des PIN pendant le transport. Sur cette base, l’équipe du Dr Guo a proposé le mécanisme moléculaire de l’inhibition du NPA sur le transport de l’auxine médié par le PIN.
Non seulement cette étude offre une compréhension approfondie du mécanisme moléculaire tant attendu du transport de l’auxine médiée par le PIN, mais elle ouvre également une nouvelle voie pour le développement d’inhibiteurs de PIN. Ces inhibiteurs peuvent servir d’outil de recherche utile dans l’étude PAT ou d’herbicide efficace.
Nannan Su et al, Structures et mécanismes du transporteur d’auxine d’Arabidopsis PIN3, La nature (2022). DOI : 10.1038/s41586-022-05142-w
Fourni par l’Université du Zhejiang