Les différentes voies de réponse aux stress abiotiques chez les végétaux

Grâce aux progrès de la génomique, de nombreux gènes impliqués dans la réponse au froid sont isolés chez Arabidopsis thaliana et d’autres espèces végétales. Les travaux sur

Arabidopsis ont permis d’étudier les relations qui existent entre les principaux gènes mais le

schéma de régulation générale qui en est déduit reste relativement incomplet (Fig. 15).

1.1. Les différentes voies de réponse aux stress abiotiques chez les

végétaux

De nombreuses plantes augmentent leur tolérance au gel après exposition à des températures fraîches, mais non négatives. Ce phénomène complexe appelé acclimatation au froid entraîne la régulation de nombreux gènes chez les plantes (Thomashow, 1999). En particulier l’implication de l’ABA (Acide abscissique) permet de distinguer des voies dépendantes ou non de cette hormone de stress (Seki et al., 2002a). Une partie des gènes impliqués dans la réponse au froid est commune avec les gènes de réponse à d’autres stress abiotiques, notamment le stress salin et la sécheresse (Seki et al., 2002b ; Shinozaki et al., 2003) comme le montrent les connexions mises en évidence entre ces différentes voies.

1.1.1. Les voies de réponse à la sécheresse et au stress salin

Des mutants d’Arabidopsis déficients en ABA ont des capacités très faibles à s’acclimater au froid et sont plus sensibles au stress osmotique (Gilmour et Thomashow, 1991). Chez Arabidopsis, les niveaux d’hormone ABA endogène augmentent transitoirement en réponse au stress froid. De nombreux gènes inductibles par le stress froid et la sécheresse sont induits aussi par un apport exogène d’ABA. Ces gènes cibles contiennent des cis-éléments ABRE (ABA-responsive element) dans leur séquence promotrice (Thomashow, 1999). Chez

Arabidopsis il a été démontré qu’un minimum de deux cis-éléments ABRE (ABA responsive

element) sont nécessaires pour la régulation de l’expression du gène rd29b codant une protéine LEA-like (Late Embryogenesis Abundant) (Uno et al., 2000). Les facteurs de transcription ABF (ABRE-binding factor)/AREB (ABRE-binding protein) peuvent se lier sur l’élément ABRE et activer l’expression des gènes ABA-dépendants (Choi et al., 2000 ; Uno et al., 2000). Les protéines ABF doivent être phosphorylées pour être actives (Yoshida et al., 2002).

Figure 16 : Principales voies de régulation dans l’expression des gènes de la réponse au froid chez les végétaux (d’après Nakashima et Yamaguchi-Shinozaki, 2006)

Les boîtes rectangulaires indiquent les éléments cis, les boîtes ovales représentent les facteurs de transcription en réponse au stress, les petits cercles montrent les modifications comme la phosphorylation nécessaires pour l’activation des facteurs de transcription.

La réponse à la sécheresse ou à la salinité fait aussi intervenir des facteurs de transcription appelés CBF/DREB1 (C-repeat Binding Factor/Dehydration Responsive Element Binding factor 1) et DREB2 appartenant à la famille AP2 (APETALA2)/ERF (Ethylene- Responsive Element-Binding factor). Le motif de liaison des CBF/DREB1 et des DREB2 est appelé CRT/DRE (C-repeat /Dehydration Responsive Element) (Gilmour et al., 1998 ; Liu et al., 1998 ; Stockinger et al., 1997). La protéine AtCBF4 récemment identifiée chez Arabidopsis est inductible par l’ABA, la sécheresse et non par le froid, mais sa surexpression permet une meilleure tolérance à la sécheresse et au froid (Haake et al., 2002). L’ensemble de ces données permet de relier les différentes voies de signalisation (Nakashima et Yamaguchi-Shinozaki, 2006).

La surexpression des gènes CBF provoque une meilleure tolérance des plantes aux stress abiotiques, mais cette partie sera détaillée un peu plus loin (Partie 1.2.2.). Par contre, la surexpression des DREB2 dans des plantes transgéniques n’augmente pas la tolérance aux stress, un phénomène qui suggère que les protéines DREB2 nécessitent une activation post- traductionnelle (Liu et al., 1998).

1.1.2. La voie CBF dans la réponse au froid

Dans cette voie de régulation des gènes effecteurs de la réponse au froid, l’hormone ABA n’est pas impliquée (Fig. 16). Les gènes CBF d’abord découverts chez A. thaliana (Stockinger et

al., 1997) sont induits de manière très précoce et transitoire (15 min à 2 h) en réponse à une

diminution de température (choc au froid), ce qui entraîne l’expression des gènes cibles ou effecteurs dans les quelques heures qui suivent l’exposition au froid (Gilmour et al., 1998). Le « régulon CBF » correspond à l’ensemble des gènes régulés par les protéines CBF possédant dans leur promoteur un ou plusieurs éléments cis CRT/DRE (Yamaguchi-Shinozaki et Shinozaki, 1994). L’élément DRE (TACCGACAT) présent dans les promoteurs des gènes cibles et reconnu par les protéines DREB1/2 (Yamaguchi-Shinozaki et Shinozaki 1994 ; Stockinger et

al., 1997) est composé de la séquence cœur CCGAC qui est le motif minimum de liaison,

comprenant des nucléotides essentiels pour une interaction spécifique (C4, G5 et C7, respectivement en quatrième, cinquième et septième position) (Hao et al., 2002, Sakuma et al., 2002). Les séquences CRT et le LTRE (Low Temperature-Responsive Element) qui partagent le motif CCGAC avec l’élément DRE sont des variants de celui-ci (Baker et al., 1994 ; Jiang et al., 1996 ; Thomashow, 1999).

Figure 17 : Arbre phylogénétique et hypothèse de l’origine des facteurs de transcription à domaine AP2 chez les végétaux

(A) Arbre phylogénétique des principales protéines ERF/AP2 d’Arabidopsis, de Catharanthus

roseus (ORCA1, ORCA2 et ORCA3), de Brassica napus (BnDREB) et de Nicotiana tabacum

(TsiI) (d’après Sakuma et al., 2002)

(B) Modèle sur l’origine des protéines à domaine AP2 chez les plantes (d’après Magnani et al., 2004)

Les parenthèses indiquent le nombre de séquences des sous-familles chez Arabidopsis.

(A)

La voie CBF représente 5 à 15 % des changements de transcrits en réponse au froid chez

Arabidopsis (Hannah et al., 2006). Par ailleurs, il est montré chez Arabidopsis que le régulon CBF (>100 gènes ayant un CRT/DRE) correspond à 12 % des gènes répondant au froid, mais les

72 % des gènes régulés par le froid sont affectés directement ou non par l’expression des CBF (Cook et al., 2004). Les mêmes auteurs démontrent que le métabolome est largement (80 %) modifié dans les plantes d’Arabidopsis surexprimant le CBF comme dans les plantes acclimatées au froid. Ces éléments de la littérature mettent en évidence l’importance de la voie CBF dans la réponse au froid des plantes.

En amont du régulon CBF, le gène ICE1 (Inducer of CBF Expression) a été identifié chez

Arabidopsis à travers un clonage positionnel sur un mutant ice1 dont l’expression du CBF3/DREB1A est modifiée (Chinnusamy et al., 2003). ICE1 code un facteur de transcription de

type MYC/bHLH (basic helix-loop-helix) qui régule l’expression du CBF3/DREB1A en réponse au froid (Fig. 16). La surexpression de ICE1 dans des plantes transgéniques résulte en une augmentation de la tolérance au gel, suggérant un rôle activateur de ICE1 dans la réponse au stress froid. Un signal froid est nécessaire pour l’activation des protéines ICE par phosphorylation, mais le mécanisme de transduction du signal n’est pas encore connu (Chinnusamy et al., 2003). L’analyse moléculaire du promoteur du CBF2/DREB1C a mis en évidence de multiples éléments cis probablement impliqués dans l’expression de gènes induits par le froid (Shinwari et al., 1998 ; Zarka et al., 2003). D’autres éléments de cette voie ont été isolés comme par exemple HOS1 (Lee et al., 2001) et FRY2 (Xiong et al., 2002) identifiés comme protéines répresseurs de transcription des CBF alors que LOS4 est un régulateur positif (Gong et al., 2002).