Les canaux à deux pores (TPC) sont d’anciens canaux ioniques présents dans les cellules des animaux et des plantes. Chez les animaux, y compris les humains, ces canaux ioniques jouent un rôle important dans les activités biologiques de divers tissus, comme le cerveau et le système nerveux. Toutes les espèces de plantes terrestres contiennent des gènes TPC; dans de nombreuses plantes vasculaires supérieures telles que Arabidopsis thaliana (Arabidopsis) et Oryza sativa (riz), un seul gène TPC est impliqué dans l’activité des canaux vacuolaires lents (SV) (canaux cationiques dépendants du voltage) ainsi que dans la signalisation à longue distance, la défense et les réponses au stress environnemental. Cependant, on sait très peu de choses sur la fonction des protéines TPC dans les mousses et les hépatiques non florifères, certains des organismes les plus anciens de la Terre.
Dans une étude récente, une équipe de chercheurs dirigée par le professeur Kazuyuki Kuchitsu de l’Université des sciences de Tokyo, au Japon, a collaboré avec des chercheurs de l’Université Maria Curie-Sklodowska, en Pologne, pour explorer la signification évolutive et physiologique des canaux à deux pores dans le non -Bryophyte à fleurs Marchantia polymorpha. Leur article largement reconnu et apprécié, qui traite de cette étude en détail, a été publié pour la première fois en ligne en décembre 2021, puis imprimé dans le numéro de février de Physiologie végétale et cellulaire. L’article a également été choisi comme article « Editor’s Choice » et « Research Highlight » pour la revue, qui a publié un commentaire sur l’étude. Le financement de cette recherche a été obtenu grâce à une subvention de la Société japonaise pour la promotion de la science et du Centre national des sciences, Pologne.
M. polymorpha, ou hépatique commune, pousse sous forme de feuilles vertes minces et plates sur un sol ou un rocher humide, et est un descendant existant de l’une des premières plantes à coloniser la terre. M. polymorpha est un organisme modèle simple qui a été utilisé pour analyser les caractéristiques communes des plantes terrestres. « Nous avons réalisé que le génome de M. polymorpha possède trois homologues TPC : MpTPC1, 2 et 3, appartenant à deux groupes distincts, les gènes TPC de type 1 et de type 2. Nous voulions savoir ce que ces deux sous-groupes de protéines TPC font chez M. polymorpha », explique le professeur Kuchitsu.
Pour ce faire, les chercheurs ont d’abord effectué une analyse phylogénétique des gènes TPC dans la lignée des plantes vertes. Puis ils ont caractérisé les trois protéines TPC : MpTPC1 du gène TPC de type 1 et MpTPC2 et MpTPC3 du gène TPC de type 2. Marquant ces protéines avec un marqueur fluorescent, ils ont étudié leur localisation dans les cellules de M. polymorpha. Par l’édition du génome CRISPR-Cas9, les chercheurs ont développé des plantes mutantes qui ne contenaient pas de gènes TPC1, TPC2 ou TPC3 fonctionnels et des plantes doubles mutantes dépourvues des fonctions des gènes TPC2 et TPC3. Puis, par des analyses d’électrophysiologie patch-clamp, ils ont mesuré les courants ioniques dans des vacuoles isolées de cellules vivantes de plantes M. polymorpha.
Les résultats des analyses phylogénétiques ont fourni des informations intéressantes sur l’histoire évolutive de M. polymorpha. « Contrairement au gène TPC de type 1, qui est bien conservé dans toutes les plantes terrestres, des TPC de type 2 ont été trouvés dans des espèces d’algues. Cela suggère que bien que les TPC de type 2 aient émergé avant que les plantes ne colonisent la terre, elles n’ont pas réussi à se frayer un chemin dans le génome. des plantes vasculaires supérieures et des hornworts », nous dit le professeur Kuchitsu.
Les chercheurs ont également découvert que les trois protéines TPC étaient principalement localisées au niveau de la membrane vacuolaire de M. polymorpha. Le mutant qui n’avait pas de gène TPC1 fonctionnel n’a montré aucune activité de canal SV. Mais les mutants dépourvus de TPC2 fonctionnel, de TPC3 ou des deux présentaient une activité habituelle du canal SV. Des molécules telles que le phosphatidylinositol-3,5-bisphosphate et l’adénine dinucléotide phosphate d’acide nicotinique, qui activent les TPC des cellules de mammifères, n’ont pas réussi à affecter l’activité des canaux ioniques dans les vacuoles isolées des plantes mutantes. Le professeur Kuchitsu présume que « ces observations, lorsqu’elles sont liées ensemble, ont indiqué que les TPC de type 1 – qui sont omniprésents dans toutes les espèces de plantes terrestres – sont responsables des canaux SV dans leur membrane vacuolaire, mais les TPC de type 2 codent probablement des canaux ioniques qui sont différents du canal SV et des TPC animales. »
Les découvertes de l’équipe fournissent des informations fonctionnelles et évolutives indispensables sur la famille importante mais insaisissable des TPC dans les plantes et sur les canaux ioniques des plantes en général. Avec leur œil sur les recherches futures, ils visent également à utiliser les connaissances de l’histoire évolutive des plantes pour améliorer la croissance des plantes et les mécanismes de défense contre les stress biotiques et abiotiques. Cela pourrait profiter à des industries comme l’agriculture, entre autres.
Kenji Hashimoto et al, Analyses fonctionnelles des deux types distincts de canaux à deux pores et du canal vacuolaire lent chez Marchantia polymorpha, Physiologie végétale et cellulaire (2021). DOI : 10.1093/pcp/pcab176