Supplementary data: number of figures = 3 and number of tables = 7
Chapitre 3 Conductivité hydraulique et expression des aquaporines et expression des aquaporines
I- Introduction
Selon la théorie de cohésion-tension, le flux hydrique dans une plante des racines vers les feuilles se fait sous la forme d‘une chaine ininterrompue de molécules d‘eau soumises au gradient de potentiel entre les 2 extrémités du système (Tyermann et al., 2009). Le rapport entre le flux d‘eau (la transpiration) et le gradient de potentiel hydrique définit la conductance hydraulique du système. Les différentes parties de la plante disposent de propriétés hydrauliques variables et constituent un ensemble de résistances en série vis-à-vis du flux transpiratoire (Zimmerman, 1983). La résistance majeure au transfert de l‘eau se situe au niveau stomatique, mais le système racinaire peut présenter une résistance non négligeable à l‘échelle de la plante (Steudle, 2000). Afin de maintenir un état hydrique compatible avec la mise en œuvre des processus physiologiques dans un environnement variable, la plante ajuste en permanence ces résistances. La régulation stomatique fait partie de ces processus d‘ajustement. La conductance hydraulique racinaire varie également au cours du temps, spatialement et en fonction des paramètres de l‘environnement (Vandeleur et al., 2009 ;Gambetta et al., 2013). Des modifications anatomiques et l‘activité des aquaporines sont associées à ces changements (Barrios-Masias et al., 2015). Des processus d‘embolie y contribuent également (Domec et al., 2006), avec une sensibilité accrue pour les racines et les feuilles chez la vigne (Tramontini et Lovisolo, 2016)
En plus de la signalisation chimique entre les racines et les feuilles via l‘ABA, la signalisation hydraulique pourrait jouer un rôle non négligeable dans la régulation de l‘ouverture stomatique à l‘échelle de la plante entière (Christmann et al., 2007 ; 2013, Maurel et al., 2010). Il y aurait un effet direct des gradients de potentiel hydrique entre racines et feuilles sur la turgescence des cellules de garde. Des corrélations étroites entre la conductance totale de la plante et la conductance stomatique ont été rapportées (Hubbard et al., 2001, Tombesi et al., 2015 ; Martorell et al. 2015). Par ailleurs la conductance de la plante pourrait participer au contrôle génétique du caractère iso/anisohydrique chez la vigne (Coupel-Ledru et al., 2014). Une relation entre le flux transpiratoire ou la conductance stomatique et la conductivité hydraulique racinaire a été mise en évidence chez plusieurs espèces (Domec et al., 2006 ; Franks et al., 2007 ; Vandeleur et al., 2009 ; Parent et al., 2009, Sutka et al., 2011), ce qui n‘exclue pas un médiateur chimique entre les deux parties de la plante ou une interaction entre les deux types de signaux, comme cela a été démontré à l‘échelle de la feuille (Pantin et al., 2013).
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Le transport de l‘eau au travers des tissus de la plante, notamment les racines, peut s‘effectuer selon 3 voies : le transport apoplastique dans les espaces intercellulaires via les parois, le transport symplastique via les plasmodesmes et la voie transcellulaire à travers les membranes cellulaires (Steudle et Patterson, 1998). Les aquaporines sont des protéines membranaires qui contrôlent la voie transcellulaire de l‘eau et des petits solutés (Maurel et al., 2015). La contribution des aquaporines au contrôle du transport de l‘eau, notamment au niveau des racines peut varier de 20 à 90% selon les espèces (Javot et Maurel, 2002). Les aquaporines interviennent dans la régulation des flux hydriques au niveau des racines, des feuilles et dans les mécanismes de réparation des embolies des vaisseaux du xylème. Il existe une grande diversité d‘aquaporines chez les plantes supérieures. Chez la vigne, plus de 25 homologues codant des aquaporines ont été identifiés (Fouquet et al., 2008, Shelden et al., 2009). De manière générale, on observe des différences d‘expression des différentes formes d‘aquaporines entre cultivars ou accessions naturelles au sein d‘une même espèce (références citées par Maurel et al., 2015) qui pourraient expliquer les mécanismes distincts d‘adaptation au déficit hydrique. Pour une même espèce, les profils d‘expression sont cellule et tissu spécifiques, et peuvent varier le long de l‘axe racinaire par exemple (Gambetta et al., 2013). L‘activité des aquaporines est en général inhibée en conditions de contrainte hydrique, mais il existe une variabilité de réponse en fonction des espèces étudiées et des conditions de contrainte hydrique mises en œuvre (Tyerman et al., 2009 ; Maurel et al., 2015). L‘ABA participe au contrôle de l‘expression et de l‘activité des aquaporines (Finkelstein, 2013).
Il existe une variabilité génétique de la conductivité hydraulique aussi bien chez les espèces herbacées que les espèces pérennes (McElrone et al., 2004 ; références citées par Domec et al., 2006 et par Sutka et al., 2011 ; Lauri et al., 2011). Au niveau racinaire, cette variabilité a été étudiée dans le cas des plantes greffées afin de mieux comprendre les interactions entre le porte-greffe et le greffon, et les effets du porte-greffe sur le développement de la partie aérienne (Atkinson et al., 2003 ; Cohen et al., 2007 ; Solari et al., 2006 ; Clearwater et al., 2007 ; Rodriguez-Gamir et al., 2010 ; Gambetta et al., 2012). Chez la vigne, des différences de caractéristiques hydrauliques entre génotypes ont été mises en évidence au niveau du pétiole (Schultz et al., 2003), de la feuille entière (Pou et al., 2012) et du rameau (Alsina et al., 2007). Pour le compartiment racinaire, des différences sont rapportées entre génotypes au sein de l‘espèce Vitis vinifera (Vandeleur et al., 2009) et des porte-greffes (Peterlunger et al., 1990 ; de Herralde et al., 2006 ; Lovisolo et al.; 2008 ; Alsina et al., 2011 ; Peccoux, 2011 ; Gambetta et al., 2012 ; Tramontini et al. ; 2013 ;Barrios-Masias et al., 2015). Des réponses variables à la contrainte hydrique ont aussi été mises en évidence. Ces différences sont associées à une variabilité de l‘expression de certaines aquaporines, à la part de conductivité liée à l‘activité des aquaporines, et à des processus de subérisation des racines (Vandeleur et al., 2009 ; Barrios-Masias et al., 2015). Un lien avec la sensibilité à la formation d‘embolies dans les tissus xylémiens est envisagé (Knipfer et al., 2015).
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L‘expression d‘un certain nombre de gènes codant des aquaporines a été étudiée chez la vigne dans les racines, les pétioles et les feuilles, pour différents génotypes (Fouquet, 2005 ; Galmès et al., 2007, Vandeleur et al., 2009 ; Tyerman et al., 2009 ; Gambetta et al., 2012 ; 2013 ; Pou et al., 2012 ; Chittara et al., 2014 ; Zarrouk et al., 2015). Les modifications d‘expression au cours du temps, dans les différents tissus racinaires et sous l‘effet de différents régimes hydriques ont été rapportées. Les aquaporines de type PIP les plus exprimées dans les racines sont VviPIP1.1 et VviPIP2.2. L‘expression de certaines aquaporines est corrélée avec des modifications de la conductivité hydraulique au niveau racinaire et au niveau foliaire. Elles pourraient contribuer au déterminisme du caractère (an)isohydrique (Vandeleur et al., 2009). La sur-expression constitutive du gène VviPIP2.4
chez la vigne a permis de montrer que les aquaporines jouent un rôle important dans la régulation des flux hydriques en situation hydrique non limitante, et moindre en situation de contrainte hydrique (Perrone et al., 2012).
L‘objectif de l‘étude présentée ci-après est de déterminer les caractéristiques liées à l‘hydraulicité des différents compartiments de la bouture pour les 9 génotypes. Une première analyse a consisté à mesurer la conductance hydraulique racinaire et de la partie aérienne en situation non contraignante et à évaluer la part associée à l‘activité des aquaporines. Dans un second temps, l‘expression de 7 gènes codant des aquaporines de type PIP a été évaluée dans les racines et les feuilles des 9 génotypes au cours du cycle de dessèchement décrit au chapitre précédent. Les réponses en matière d‘expression des aquaporines et des gènes du métabolisme de l‘ABA ont été finalement comparées.
Figure 3.1- Experimental design for this experiment in the growth chamber. A : the rotating platform with plants. B : an example of one 41B cutting after leaf area normalisation. C : the growing system with the root system and substrate enclosed in a perforated plastic bag enabling the easy transfer of the root system to the pressure chamber for hydric potential measurements.