Les plantes adaptent leur consommation d’eau aux conditions environnementales en comptant et en calculant les stimuli environnementaux avec leurs cellules de garde. C'est ce que rapportent les chercheurs en plantes de l'Université Julius-Maximilian de Munich (JMU).
Les plantes régulent leur consommation d'eau grâce à des pores ajustables (stomates), formés de paires de cellules de garde. Lorsque l'eau et la lumière sont suffisantes pour la fixation du dioxyde de carbone par photosynthèse, elles ouvrent leurs stomates. En revanche, à l'obscurité et en cas de manque d'eau, elles initient leur fermeture.
Les canaux anioniques de type SLAC/SLAH dans les cellules de garde sont d'une importance capitale pour la régulation de l'activité stomatique. C'est ce qu'a démontré le groupe dirigé par le professeur Rainer Hedrich, biophysicien à l'Université Julius-Maximilians (JMU) de Würzburg.
Les canaux anioniques sont activés par des signaux calciques, eux-mêmes induits par des stimuli environnementaux tels que des carences en eau et en nutriments, la salinisation des sols ou une infection par des agents pathogènes. Ces signaux calciques se présentent sous différentes formes selon le stimulus. En science, on parle alors de signature calcique. Une signature courante est le pic calcique, une augmentation rapide et transitoire de la concentration de calcium intracellulaire.
Quelle quantité d'informations contient un signal calcique transitoire ? Pour répondre à cette question, l'équipe de Hedrich a appliqué une méthode optogénétique à de nouvelles plantes modèles dotées de canaux calciques photoactivables : des impulsions lumineuses peuvent générer des signaux calciques dans les cellules de garde de ces plantes, et la réponse cellulaire peut être analysée.
« Nous avons été assez surpris de constater que des impulsions lumineuses d'une durée de 0,1, une et dix secondes produisaient des transitoires de calcium presque identiques », explique Shouguang Huang, premier auteur de l'étude publiée dans la revue Current Biology : Dans les cellules de garde, la concentration de calcium a augmenté pendant 30 secondes après les stimuli lumineux, pour ensuite diminuer à nouveau après 30 secondes supplémentaires.
« Nous soupçonnions que ce phénomène du tout ou rien se produit parce que la quantité de calcium provenant de l’extérieur libère davantage de calcium des réserves à l’intérieur de la cellule, ce qui amplifie le signal de manière optimale », explique Rainer Hedrich. Les scientifiques de Würzburg avaient raison : lorsqu'ils inhibaient le stockage du calcium dans le réticulum endoplasmique de la cellule, le calcium transitoire et la réaction qui en résultait ne se produisaient pas.
« Nous avons été étonnés une deuxième fois lorsque nous avons observé non seulement le signal calcique mais aussi la réaction ultérieure dans les cellules de garde, le gonflement du courant anionique », explique Shouguang Huang. Comme précédemment avec les transitoires calciques, des impulsions lumineuses de différentes longueurs ont déclenché des courants anioniques de forme et de force similaires. Les courants suivaient le signal calcique avec un retard : ils n'augmentaient qu'après que la concentration de calcium dans le cytosol avait dépassé un seuil.
Après la disparition du pic de calcium, le courant anionique est resté mesurable pendant 30 secondes supplémentaires. Ce délai du signal électrique est lié à la biologie des enzymes qui traitent le signal calcique et activent ou désactivent les canaux anioniques en conséquence, explique Rainer Hedrich. Ceci a permis de comprendre que l'afflux de calcium de 0,1 seconde est amplifié dans la cellule à un point tel qu'une réaction ultérieure, d'une durée plus de cent fois supérieure, est déclenchée. Combien de pics de calcium sont nécessaires pour que les plantes ferment leurs stomates ? Pour répondre à cette question, l'équipe de recherche a exposé des cellules de garde à une impulsion lumineuse de 0,1 seconde toutes les 30 secondes et a observé les stomates. La taille des pores a diminué de 10 % après la première impulsion, de 12 % après trois stimuli, de 80 % après six stimuli et de 100 % après douze stimuli ou plus.
« Cela nous indique que les cellules de garde peuvent résoudre six transitoires calciques consécutifs et les convertir en mouvement stomatique. Les cellules de garde peuvent donc compter jusqu'à six », explique Rainer Hedrich. « Lorsque nous avons doublé la fréquence de stimulation, la fermeture de la stomie n'a pas été forcée. Lorsque nous l'avons divisée par deux, le mouvement de la stomie a été retardé. »
publication originale
Les cellules de garde comptent le nombre de signaux unitaires de Ca2+ cytosolique pour réguler la dynamique des stomates. Shouguang Huang, M. Rob G. Roelfsema, Matthew Gilliham, Alistair M. Hetherington, Rainer Hedrich. Current Biology, 21 octobre 2024, https://doi.org/10.1016/j.cub.2024.07.086
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