Protection cellulaire : induction des gènes CORs

La diminution des températures entraîne la formation de cristaux de glace sur la surface de la feuille, mais aussi dans l’apoplaste, occasionnant des blessures (Pearce, 2001). A cause de la formation de ces cristaux, le gel conduit à un stress osmotique (déshydratation), à un stress mécanique (blessures sur la membrane), puis à un stress oxydatif.

En réponse au froid, les gènes sont donc impliqués dans la limitation de la formation de cristaux de glace, la protection des membranes et des protéines, la synthèse d’osmolytes et d’antioxydants.

Dans notre équipe, une banque d’ADNc issus de feuilles acclimatées d’Eucalyptus (plantules et arbres aux champs) a été réalisée (Keller, 2006; Keller et al., 2009). Les gènes

Tableau I-1 : Gènes CORs identifiés chez Eucalyptus gunnii à partir d’une banque d’ADNc construite à partir de feuilles d’arbres et de plantules acclimatés (Keller et al., 2009).

Catégories de gènes CORs Gènes identifiés chez Eucalyptus gunnii

Protection des membranes et des protéines

Class I endochitinase-antifreeze protein Chloroplast ω-6 fatty acid desaturase LEA

Dehydrin Pollen coat

Heat shock protein, HSP70 DNAJ heat shock protein

Synthèse d’osmolytes β-amylase Fructose-1.6-biphosphatase Sucrose synthetase Galactinol synthase α-galactosidase P5CS Détoxification Catalase Glutathion transferase Iron superoxide dismutase Thioredoxin family protein Metalothionein

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isolés, présentés dans le tableau I-1, appartiennent aux principales catégories fonctionnelles déjà décrites dans la littérature.

I.3.1. Protection des membranes et des protéines

Les protéines antigel ou AFP (Antifreeze protein) sont sécrétées dans l’apoplaste et possèdent des domaines hydrophiles qui leur permettent de se fixer sur les cristaux de glace limitant ainsi leur taille et inhibant la recristallisation (Griffith and Yaish, 2004). Elles sont induites en réponse au froid et ne semblent pas être régulées par l’ABA (Griffith and Yaish, 2004).

La déshydratation de la cellule au cours d’un stress froid est limitée par la fermeture des canaux à eau (les aquaporines) qui pourraient jouer un rôle dans la tolérance au froid en maintenant la turgescence. Chez l’Eucalyptus, le gène PiP2-1, codant une aquaporine située dans la membrane plasmique, a été isolé à partir de culture cellulaire exposée au froid (El Kayal, 2004).

Les membranes, une des premières cibles du froid, subissent une perte de fluidité liée au passage à un état semi-cristallin. Pour limiter cette altération des membranes, de nombreux végétaux accumulent des phospholipides insaturés et des stérols libres (Uemura et al., 2006; Upchurch, 2008). En effet, l’induction de gènes codant des désaturases a été corrélée avec l’acclimatation au froid et la tolérance au gel chez de nombreuses espèces herbacées et ligneuses comme le rhododendron ou le bouleau (Martz et al., 2006; Wei et al., 2006). Dans notre groupe, il a été montré que, grâce à une plus grande liberté de rotation des lipides, le plasmalemme et le tonoplaste d’un génotype d’E. gunnii tolérant au froid sont plus fluides que ceux d’un génotype sensible (Leborgne et al., 1992).

Les déhydrines appartiennent à la famille des LEAs (Late Embryogenesis-Abundant) qui constitue la plus grande classe des gènes CORs connus. Ce sont de petites protéines hydrophiles accumulées en réponse à différents stress abiotiques et à l’ABA qui serviraient à protéger la cellule contre les effets de la déshydratation. Beaucoup contiennent dans leur promoteur la séquence LTRE/CRT/DRE, ce qui suggère leur appartenance au régulon CBF.

Dans une banque d’ADNc construite à partir de feuilles de Rhododendron acclimatées au froid, les déhydrines et autres LEAs sont parmi les gènes les plus abondants alors qu’aucun

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d’eux n’est présent dans une banque construite à partir de feuilles non acclimatées (Wei et al., 2005). Elles sont également très abondantes dans la collection d’ESTs issue de feuilles d’Eucalyptus acclimatés au froid (Keller et al., 2009).

Si leur implication dans la tolérance au froid est établie, leur fonction n’est pas encore clairement définie. Il a été montré que les déhydrines pouvaient avoir un rôle de cryoprotection et d’antigel (Wisniewski et al., 1999; Hara et al., 2001). Le rôle des déhydrines a aussi été mentionné dans la stabilisation des membranes et du cytosquelette (Reyes et al., 2005; Abu-Abied et al., 2006). Récemment, un rôle de protéine chaperonne a été mis en évidence (Kovacs et al., 2008). L’ensemble de ces résultats suggère que les déhydrines sont capables d’interagir avec les protéines et les membranes pour les stabiliser lors d’un stress. Les déhydrines semblent aussi avoir la capacité de lier de l’eau et des ions pendant un stress de déshydratation (Tompa et al., 2006). Elles pourraient agir comme un tampon pour limiter la sortie d’eau de la cellule. Enfin, Hara et al. proposent l’interaction d’une déhydrine de Citrus avec les acides nucléiques dans le but de les stabiliser lors d’un stress froid (Masakazu Hara, 2009).

Enfin, les protéines de choc thermique ou HSP (Heat Shock Protein) sont des protéines chaperonnes qui aident au repliement, à l’assemblage et au transport des protéines. Souvent induites par la chaleur, certaines le sont aussi par le froid et protégeraient ainsi les protéines de la dénaturation et de l’agrégation (Sung et al., 2001).

I.3.2. Synthèse d’osmolytes

Les composés solubles peuvent jouer un rôle d’osmolytes ou de cryoprotection des membranes et des protéines. Les osmolytes les plus connus sont la proline, la glycine bétaïne et les sucres simples (Kamata and Uemura, 2004; Hincha, 2006).

Différents sucres simples sont synthétisés en réponse au froid et sont corrélés à la tolérance au gel des végétaux. La dégradation de l’amidon, le métabolisme du saccharose et les oligosaccharides de la famille du raffinose sont les 3 principaux éléments connus pour être impliqués dans la tolérance au froid (Klotke et al., 2004; Kaplan et al., 2006; Korn et al., 2008). Dans notre équipe, le contenu en sucres totaux a été corrélé au niveau de tolérance au gel de différents génotypes d’Eucalyptus (Leborgne et al., 1995a). En outre, il a été observé que des sucres solubles et plus particulièrement le fructose, le raffinose et le saccharose

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s’accumulent lors de l’exposition au froid d’arbres dans la nature, de plants en conditions contrôlées et de cultures cellulaires d’E. gunnii (Teulières et al., 1989; Leborgne et al., 1995a). Il a été montré que ces sucres agissaient plutôt par un effet cryoprotecteur et non osmoprotecteur (Leborgne et al., 1995a; Travert et al., 1997).

Les acides aminés comme la proline, sont impliqués dans la tolérance au froid. Dans notre équipe, le contenu en proline a, en effet, été corrélé à la tolérance au froid chez l’Eucalyptus (Teulières, 1990). D’autre part, lorsque le gène de la P5CS (intervenant de la voie de biosynthèse de la proline) est surexprimé chez le tabac, le taux de proline élevé observé est corrélé à une augmentation de la tolérance au gel (Konstantinova et al., 2002). Chez l’Eucalyptus le gène codant une P5CS a été isolé à partir d’une culture cellulaire exposée au froid (El Kayal, 2004).

I.3.3. Détoxification

L’action antioxydante fait intervenir les enzymes comme la catalase, superoxide dismutase (SOD), ascorbate peroxidase (APX) et la glutathione reductase, mais aussi des molécules sans activité enzymatique comme l’ascorbate, le glutathion, les caroténoïdes et les anthocyanes (Wang et al., 2003).

L’ensemble de ces mécanismes de protection contribuerait à la fois à la tolérance de base (en l’absence de stress) et à la tolérance induite (acclimatation). Ils sont induits par l’ensemble des voies décrites plus haut. La part de ces gènes induits par les CBFs, c'est-à-dire appartenant au régulon CBF, est estimée à une trentaine de gènes chez Arabidopsis thaliana répartis dans toutes les classes présentées ici.

Chez l’Eucalyptus, l’analyse de la banque d’ADNc a mis en évidence plusieurs gènes appartenant aux catégories décrites ci-dessus (Tab.I-1) et a révélé une expression particulièrement forte en réponse au froid des gènes codant des métallothionéïnes, des pollen coat (qui font parties des LEAs) et des déhydrines (Keller et al., 2009).

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