Les plantes dans lesquelles un canal ionique de la vacuole est hyperactif sont extrêmement stressées et poussent mal. Mais les fèves constituent une exception, comme l’ont découvert les chercheurs de Würzburg. Leurs recherches sont publié dans la revue eLife.
Comme le corps humain, les plantes utilisent également des signaux électriques pour traiter et transmettre des informations. Outre la membrane cellulaire, la membrane de la vacuole centrale joue un rôle important dans ce processus. Les vacuoles sont typiques des cellules végétales. Ce sont des vessies remplies de liquide qui agissent comme un réservoir de minéraux et de déchets et peuvent occuper jusqu’à 90 % du volume cellulaire.
Les plantes stockent également des ions calcium dans ce réservoir. Ceux-ci maintiennent à leur tour sous contrôle le centre de commutation électrique de la vacuole, le canal ionique TPC1 dépendant de la tension. Le professeur Rainer Hedrich, directeur de la chaire de physiologie et biophysique moléculaire des plantes à l’université Julius-Maximilians (JMU) de Würzburg, a découvert ce canal ionique en 1987 en utilisant la technique du patch-clamp au cours de sa période postdoctorale avec le lauréat du prix Nobel Erwin Neher.
Bloquer le canal en liant le calcium
Des années de recherche intensive ont montré que les plantes porteuses d’un mutant hyperactif du canal ionique sont très stressées et poussent donc moins bien. Il est donc vital que les plantes régulent correctement l’activité du canal. Le cresson de Thale (Arabidopsis thaliana), plante modèle de la génétique, recouvre l’activité du canal avec des ions calcium vacuolaires : ceux-ci se lient au canal et rendent ainsi son ouverture plus difficile.
Au cours de la dernière décennie, les chercheurs du JMU sur les plantes ont apporté une contribution significative au décodage moléculaire des sites de liaison au calcium du canal Arabidopsis TPC1. Dans leur dernière publication dans la revue eLifeils abordent désormais la question de savoir s’il existe des variations spécifiques aux espèces végétales dans le gène TPC1 et comment ces changements affectent le fonctionnement du canal et donc l’excitabilité électrique de la vacuole.
La fève a une variante de canal hyperactif
« Grâce aux programmes mondiaux de séquençage, nous avons un aperçu des génomes d’un nombre croissant de plantes sauvages et cultivées », explique Irene Marten, professeur au JMU. « Pour la première fois, nous avons pu identifier des déviations spécifiques à l’espèce dans le site de liaison au calcium du canal TPC1. »
Dans la recherche de variantes, ce sont les représentants de la famille des légumineuses, par exemple la fève cultivée (Vicia faba), qui ont suscité le plus grand intérêt. Dans les études patch-clamp, le Dr Jinping Lu, le premier auteur du eLife étude, a prouvé que le canal TPC1 est beaucoup plus actif et donc plus ouvert chez la fève que chez le cresson thale. L’hyperactivité du canal fève déclenche à son tour une hyperexcitabilité électrique dans les vacuoles.
« Afin de rechercher la cause moléculaire du syndrome d’hyperactivité, nous avons transplanté des zones du pore du canal de la fève dans le canal d’Arabidopsis », explique Marten, expliquant l’approche expérimentale. Cette idée a été couronnée de succès : la chimère du canal Arabidopsis/fève était tout aussi hyperactive que le canal donneur de la fève. « Cela nous a permis d’attribuer l’hyperactivité du canal des fèves à l’insensibilité des pores aux ions calcium inhibiteurs », explique Hedrich.
Les biologistes structurels ont trouvé la raison de l’hyperactivité
Pour comprendre le mécanisme exact, l’équipe de Würzburg a de nouveau fait appel à la collaboration éprouvée des biologistes structuraux, le professeur Robert M. Stroud et le Dr Sasha Dickinson de l’Université de Californie à San Francisco (UCSF). Le duo d’experts a immédiatement créé un modèle 3D du canal des fèves et l’a comparé à la structure préalablement déterminée du canal d’Arabidopsis.
Il s’est avéré que chez la fève, les résidus d’acides aminés dans la zone d’entrée vacuolaire du pore du canal sont éloignés de la voie de transport des ions. En conséquence, les ions calcium ne peuvent plus se lier et supprimer l’ouverture du canal. Cependant, cela n’a aucune influence sur les cations que laisse passer le canal TPC1, comme l’ont montré les chercheurs du JMU, le Dr Ulrich Terpitz et le Dr Sabine Panzer de la chaire de biotechnologie et de biophysique.
Bien que le canal TPC1 des fèves soit ouvert plus longtemps, les fèves ne sont pas stressées et poussent normalement. « Quels mécanismes la fève utilise-t-elle pour réduire l’activité du canal TPC1 à un niveau tolérable et ainsi éviter les dommages ? Ou la fève bénéficie-t-elle même du canal TPC1 plus facilement activé, qui est insensible au calcium et peut donc mieux s’adapter à certains Conditions environnementales? » Avec ces questions, Marten décrit les prochaines étapes de recherche de l’équipe.
Plus d’information:
Jinping Lu et al, le canal Vicia faba SV VfTPC1 est une variante hyperexcitable de la vacuole végétale à deux canaux, eLife (2023). DOI : 10.7554/eLife.86384