Des conditions environnementales défavorables représentent un stress considérable pour les plantes. Une teneur élevée en sel (chlorure de sodium, NaCl) dans le sol est un tel facteur de stress qui a un impact négatif sur les plantes. La salinisation est un problème sérieux dans l’agriculture, en particulier dans les régions sèches du monde. Les biologistes de l’Université de Münster ont maintenant découvert, pour la première fois, que le stress salin déclenche des signaux de calcium dans un groupe spécial de cellules dans les racines des plantes, et que ces signaux forment une « niche de détection du sodium ». En outre, les chercheurs ont identifié une protéine de liaison au calcium (CBL8) qui contribue à la tolérance au sel spécifiquement dans des conditions de stress salin sévère. Les résultats de l’étude viennent d’être publiés dans la revue Cellule de développement.
Le stress salin est causé par l’accumulation de concentrations excessives de sel dans le sol. Cela inhibe la croissance des plantes et peut finalement conduire à la mort de la plante. Pour cette raison, les chercheurs en plantes sont intéressés à mieux comprendre le stress salin afin de sélectionner des plantes tolérantes au sel. Le professeur Jörg Kudla et son équipe de l’Institut de biologie et de biotechnologie des plantes de l’Université de Münster ont étudié la question de savoir comment les plantes mesurent l’intensité du stress salin et comment elles y réagissent. La plante modèle qu’ils ont utilisée pour leurs tests était l’arabette (Arabidopsis thaliana), qui fait partie du plus grand groupe de plantes à fleurs, les crucifères ou Brassicaceae. Il s’agit notamment de nombreuses plantes alimentaires et fourragères telles que les choux, la moutarde et les radis.
« Tout d’abord, » dit Jörg Kudla, « nous avons examiné les racines d’Arabidopsis pour voir si elles avaient un type de cellules qui réagiraient particulièrement au stress salin, ou si la racine entière montrerait une réaction uniforme. Nous avons également entrepris des recherches pour voir si l’intensité du stress salin se reflétait quantitativement dans l’intensité du signal calcique. »
Le résultat a surpris les experts : bien que tout le système racinaire de la plante ait été exposé au stress, seul un groupe spécifique de cellules a réagi et seul ce groupe a formé un signal calcique oligo-cellulaire. Ce groupe de cellules est situé dans la zone de différenciation de la racine de la plante et n’est formé que de quelques centaines de cellules. A titre de comparaison : une racine a plusieurs milliers de cellules. Les chercheurs appellent ce domaine la « niche de détection du sodium ».
« Ce groupe de cellules », explique Kudla, « n’est pas visible, et nous ne pouvons les distinguer fonctionnellement des autres cellules qu’au moyen de la technologie des biocapteurs à haute résolution. C’était une découverte fortuite extrêmement révélatrice et significative. » La raison en est que c’est dans ces cellules fonctionnellement spécialisées que se forme le signal calcique primaire. Au cours de ce processus, les biologistes des plantes ont découvert que plus le niveau de stress salin était élevé, plus le signal calcique était fort.
En d’autres termes, la plante est capable de fournir une information à l’organisme sur l’intensité du stress rencontré. Cela a conduit à la question de savoir comment les cellules végétales peuvent faire la distinction entre les signaux calciques faibles et forts afin de pouvoir réagir en conséquence. Généralement, les signaux calciques sont décodés par diverses protéines de liaison au calcium qui agissent comme des capteurs de calcium.
Protéines CBL importantes pour la tolérance au sel
Chez les plantes, cette tâche importante est souvent effectuée par les protéines dites CBL (calcineurine B-like). On sait depuis un certain temps que la protéine CBL4 est importante pour la tolérance au sel, et que les mutants correspondants sans aucune protéine CBL4 fonctionnelle sont extrêmement sensibles au stress salin. Dans leurs travaux, les chercheurs ont découvert que les mutants d’une autre protéine CBL, CBL8, ont également une tolérance réduite au sel. Cependant, les mutants cbl8, contrairement aux mutants cbl4, ont présenté une inhibition de la croissance uniquement en cas de stress salin sévère. Après avoir effectué des analyses biochimiques, les chercheurs ont découvert qu’une concentration élevée en calcium active la protéine CBL8, tandis que la protéine CBL4 est également active à des concentrations plus faibles en calcium. « Ce n’est que dans des conditions de stress salin élevé que CBL8 aide à pomper le sel hors de la plante », explique le Dr Leonie Steinhorst, qui a également participé à l’étude. « C’est une sorte de mécanisme de commutation contrôlé par la concentration de calcium. »
Un aspect intéressant que les biologistes ont découvert à cet égard est l’évolution des protéines CBL. La plupart des types de céréales, comme le maïs, le blé et l’orge, sont des monocotylédones. Ils n’ont que la protéine CBL4 – en d’autres termes, ils n’ont pas ce mécanisme de commutation pour s’adapter à un stress salin sévère. Il existe également des dicotylédones, comme le tabac et les tomates, et il a été possible de démontrer dans ce cas que la duplication des gènes a eu lieu tôt dans le processus évolutif et que CBL8 s’est développé à partir de cela. En conséquence, ces plantes ont eu une meilleure opportunité de réagir au stress salin.
« Donc, une approche intéressante », déclare Jörg Kudla, « serait d’introduire la protéine CBL8 dans les monocotylédones afin qu’elles aussi puissent mieux s’adapter au stress salin. Il s’agira probablement d’une mesure de plus en plus importante pour les sélectionneurs de plantes à l’avenir afin de mieux faire face à la sécheresse et au stress salin. »
La microscopie à haute résolution, utilisant la technologie des biocapteurs de calcium moléculaire chez les plantes, a permis de découvrir les signaux calciques oligo-cellulaires déjà décrits. Ces biocapteurs visualisent les changements de concentrations de substances bioactives comme le calcium dans les cellules et les tissus. Ces études impliquant la technologie des biocapteurs in vivo ont été combinées avec d’autres méthodes génétiques, biologiques cellulaires et biochimiques pour élucider en détail les mécanismes sous-jacents.
Leonie Steinhorst et al, Un commutateur de capteur Ca2 + pour la tolérance au stress salin élevé chez Arabidopsis, Cellule de développement (2022). DOI : 10.1016/j.devcel.2022.08.001
Fourni par Westfälische Wilhelms-Universität Münster