Introduction générale
Chapitre 1 : Etude bibliographique
V- 2.1. Régulation transcriptionnelle
La régulation transcriptionelle des différentes isoformes d'aquaporine, en particulier les TIPs et les PIPs, a été étudiée dans différents organes et en réponse à différentes conditions expérimentales. Leur rôle dans le transport radial de l'eau mais aussi dans la régulation osmotique cellulaire a largement été décrit et revu (Maurel et al., 2008 et 2015; Bienert et Chaumont, 2014; Chaumont et Tyerman, 2014). Dans cette partie, nous nous intéresserons aux généralités puis à leur rôle dans la régulation de la transpiration. Il est important de noter que l‘abondance des transcrits est rarement corrélée à la quantité de protéines (Suga et al., 2002; Lopez et al., 2003; Hachez et al., 2012).
D'une manière générale, l‘abondance des transcrits des PIPs et TIPs est plus important dans les racines que dans les feuilles (Alexandersson et al., 2005; Heinen et al., 2009; Besse et al., 2011), mais il existe des aquaporines qui sont fortement ou exclusivement exprimées au niveau des feuilles (Sakurai et al., 2005; Azad et al., 2008). La localisation de l'expression des aquaporines est aussi fortement associée à la présence de barrières apoplastiques. Un haut niveau d'expression est retrouvé au niveau racinaire dans les cellules de l'exoderme et de l'endoderme, et au niveau foliaire dans les cellules périvasculaires (Vandeleur et al., 2009; Shatil-Cohen et al., 2011; Hachez et al., 2012; Prado et al., 2013), ce qui suggère un rôle important dans la régulation des flux hydriques au sein de la plante (Chaumont et Tyerman, 2014). Cependant chez la vigne, la récente étude de Gambetta et al. (2013) montre un niveau variable d'expression des aquaporines en fonction de l'âge des racines. La diminution du niveau d'expression de la plupart des aquaporines PIPs au niveau de la zone racinaire mature remet en cause le rôle des aquaporines dans le transfert d'eau au niveau des tissus subérisés.
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A l‘échelle journalière, la conductance de la plante et de ses différents compartiments est corrélée à sa transpiration dans de nombreuses espèces végétales (Tsuda et Tyree, 2000; Passioura et Munns, 1984; Henzler et al., 1999; Beaudette et al., 2007; McElrone et al., 2007; Vandeleur et al., 2009). La transpiration des plantes est aussi fortement corrélée à l'expression et/ou à l‘activité de certaines aquaporines de la famille des PIPs et TIPs (Henzler et al., 1999; Cochard et al., 2007; Vandeleur et al., 2009; Hachez et al., 2012). A cette échelle de temps, la réorganisation des tissus conducteurs ne peut être impliquée dans la régulation de la conductance hydraulique, et l'importance des aquaporines est alors soulevée.
En situation de déficit hydrique, la régulation transcriptionnelle des aquaporines est variable selon les isoformes dont l‘expression peut être à la fois sur- et sous-exprimées au niveau foliaire et racinaire (Suga et al., 2002; Jang et al., 2004; Alexandersson et al., 2005).
L'ABA est aussi capable d'altérer l'expression des aquaporines. Chez Arabidopsis, 6 et 5 isoformes sont sur-exprimées au niveau racinaire et aérien en présence d'ABA dans le milieu (Jang et al., 2004). Chez le maïs et la tomate, la génération de lignées sur-exprimant le gène NCED, conduit à une augmentation de la teneur hormonale, augmentant la conductivité hydraulique racinaire (Tompson et al., 2007, Parent et al., 2009) et le niveau de transcrits et de protéines de différentes isoformes d'aquaporines de la famille des PIPs (Parent et al., 2009). Au niveau foliaire l'ABA semble avoir un effet contraire sur la conductance de la feuille et l'expression des aquaporines notamment dans les cellules périvasculaires (Shatil-Cohen et al., 2011).
V-2.2. Régulation post-traductionnelle
Deux grands types de mécanismes sont impliqués dans la régulation du transport d'eau par les aquaporines : la fermeture du pore et la conformation spatiale cellulaire. L'analyse fonctionnelle en ovocyte de xénope couplée à des altérations pharmacologiques sur des protéines phosphatases et kinases a montré l'importance du processus de phosphorylation sur la régulation de l'ouverture du pore de nombreuses aquaporines des différentes familles (Maurel et al., 1995; Johansson et al., 1998; Guenther et al., 2003). Ces études montrent une réduction de la perméabilité membranaire en l'absence de phosphorylation sur certains résidus des aquaporines. Le rôle de OST1, une kinase de type SnRK2 étroitement associée à la transduction du signal ABA, a été récemment mis en évidence pour la phosphorylation d‘une aquaporine de type PIP2.1 au niveau du plasmalemme des cellules de garde des stomates de Arabidopsis. Dans ce cas, la phosphorylation augmente la perméabilité membranaire à l‘eau, ce qui suggère qu‘en fonction du type de cellules, l‘ABA peut conduire à des effets opposés selon les sites de phosphorylation concernés (Grondin et al., 2015).
Figure 1.11- Schematic representation of aquaporin function and regulation in plant plasma
membrane. Hetero-tetramerization of PIP1s (white) with PIP2s (gray) is thought to be crucial for
proper sorting of the former to the plasma membrane. The figure shows that multiple stimuli (hormones, light and stresses) can act on several facets of PIP functionality: their post-translational modification profile, their lateral diffusion at the plasma membrane and their rate of cycling/endocytosis. The latter phenomenon is thought to be crucial for regulating PIP density at the plasma membrane and thereby cell water permeability. Note that, depending on modified site, phosphorylation of PIPs can affect their intrinsic activity or subcellular localization (From Verdoucq et al., 2014).
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Chez différentes espèces, l'inhibition du transport d'eau par les aquaporines est également associé au pH alcalin, à la présence d'ions divalent (Ca2+) et de radicaux d'hydroxyle (Gerbeau et al., 2002; Henzler et al., 2004; Alleva et al., 2006; Boursiac et al., 2008). Dans le cas des radicaux d'hydroxyles, la diminution du transport d'eau provient de l'internalisation des aquaporines dans des vésicules membranaires réduisant la densité des aquaporines à la surface des membranes plasmiques (Boursiac et al., 2008).
De plus, les aquaporines de la famille des PIPs sont subdivisées en deux groupes les PIP1s et les PIP2s. Il a été montré que l'interaction physique entre PIP1s et PIP2s est nécessaire au processus de transport d'eau par certaines aquaporines de type PIP1 dans des ovocytes de xénope (Fetter et al., 2004) et dans des protoplastes de maïs (Zelazny et al., 2007). Le mécanisme sous-jacent implique la formation d'hétérotétramère PIP1/PIP2 au niveau du réticulum endoplasmique permettant l'adressage du complexe au niveau la membrane plasmique. Ce processus d'adressage protéique peut lui même être contrôlé par phosphorylation (Temmei et al., 2005) (Figure 1.11).
Du fait de leur rôle dans le transport de l'eau, de CO2 et d'éléments nutritifs (bore, ammonium...), les aquaporines sont impliquées dans de nombreux processus biologiques (croissance, allocation de nutriments, reproduction, germination...) et dans les interactions biotiques (symbioses mycorhizienne et rhizobiummale) qui ne seront pas détaillés dans ce manuscrit (revu en détail par Maurel et al., 2015).