Rôle des transporteurs d'excrétion de nitrate NAXT dans le contrôle de l'ouverture stomatique et la tolérance des plantes à la salinité et la sècheresse. – NAXTRESS

Le projet a démarré par la sélection des membres de la famille NAXT spécifiquement exprimés dans les stomates, susceptibles d’avoir un rôle dans le contrôle de la transpiration foliaire sous condition de stress (salin en particulier). Cette localisation a été confirmée par microscopie confocale sur des lignées d’Arabidopsis transgéniques exprimant des fusions transcriptionnelles et traductionnelles avec une protéine fluorescente verte. La caractérisation fonctionnelle de ces membres NAXT a été entreprise à un niveau intégré dans la plante entière à l’aide de mutants knock-out, dans différentes conditions de culture pour identifier les contextes où le(s) membre(s) NAXT confère(nt) un avantage adaptatif. L’expression de ces membres en système hétérologue (Lactococcus lactis) est venue préciser leur rôle au niveau cellulaire.

Le membre NAXT2 a été identifié comme un transporteur d'efflux de NO3- localisé dans les racines et impliqué dans la translocation du NO3- vers les feuilles. Contrairement au cas de NRT1.5 (translocateur majeur de la stèle racinaire en condition standard), l’expression de NAXT2 n’est pas diminuée sous stress salin. NAXT2 contribue à limiter la baisse des teneurs foliaires en nitrate induite par la présence de Na+ dans le milieu et atténue l’impact négatif du stress salin sur la croissance. NAXT2 permet également de limiter les pertes en eau par la plante lorsqu’elle est soumise à une contrainte saline. La protéine agit cette fois directement au niveau des cellules de garde qui contrôlent l’ouverture des stomates par lesquels s’échappe l’eau. Dans la même famille de protéines, NAXT1 et NAXT3 sont probablement aussi impliqués dans la fermeture stomatique sous stress salin. Des résultats originaux inattendus ont également été obtenus sur l’acquisition de la sensibilité des stomates aux stimuli environnementaux au cours de l’ontogenèse foliaire.

Les résultats fondamentaux obtenus dans le cadre de ce projet étendent les possibilités de sélection de plantes plus tolérantes aux conditions salines. Ils permettent également d’envisager de piloter l’alimentation azotée pour améliorer la tolérance des plantes aux stress abiotiques.
Au-delà des résultats fondamentaux sur certains membres de la famille NAXT, ce programme a renforcé les liens entre les équipes participantes (avec 1 co-encadrement de post-doc financé par l’ANR et 2 co-encadrements de thèses financées par ailleurs). Les approches disciplinaires de chaque partenaire ont été combinées de manière concertée pour aboutir à la mise en évidence de nouveaux mécanismes de tolérance des plantes au stress salin en soutenant ainsi les positions de leaders des 3 partenaires dans le domaine de l’identification des mécanismes de tolérance des plantes aux stress abiotiques. La dynamique engagée dépasse le cadre thématique du projet NAXTRESS. Deux des partenaires engagés dans le projet NAXTRESS poursuivent leur collaboration dans le cadre d’un nouveau projet ANR récemment accepté, pour analyser les flux de potassium, toujours dans des conditions de stress abiotique, mais dans un nouveau contexte biologique (la baie de raisin). Une autre collaboration avec le troisième partenaire a été initiée en utilisant des techniques similaires à celle mobilisées dans le projet NAXTRESS. Elle devrait déboucher également sur une publication majeure sur la tolérance des plantes aux élévations de température.

Deux publications majeures dans des revues de premier rang international sont issues de ce projet de nature fondamentale. Les résultats concernant NAXT2 et la translocation de NO3- sous stress salin sont en cours de publication (Taochy et al., manuscrit en révision pour Plant Cell). Les résultats sur l’évolution du contrôle génétique de la transpiration par les stomates au cours de l’ontogenèse foliaire ont été publiés (Pantin et al., 2013 Curr. Biol.) Les résultats concernant NAXT2 et la fermeture des stomates sous stress salin nécessitent quelques expérimentations complémentaires (répétitions) pour être publiés.

Le nitrate est l’anion minéral majeur des plantes cultivées, essentiel pour leur nutrition azotée. Bien qu'énergétiquement coûteux à prélever dans le milieu, de nombreux stress abiotiques (chocs mécaniques, salinité ou acidité du milieu…) induisent une excrétion nette racinaire de NO3- dans le milieu. La signification physiologique de cette excrétion reste obscure. Il est cependant reconnu que, chez les plantes, l'excrétion anionique est un déterminant majeur du contrôle de la polarisation électrique (et des chaînes de signalisation qui en dépendent) et du potentiel osmotique des cellules. Ainsi, chez les cellules de garde, l’excrétion d’anions aboutit in fine à la fermeture des stomates.
Les transporteurs/canaux responsables de l'efflux cellulaire de NO3- chez les plantes restent mal connus au niveau moléculaire. L'un des 3 partenaires du projet a identifié NAXT1 (NitrAte eXcretion Transporter 1), le premier transporteur d’efflux de NO3- de la membrane plasmique de plantes (Segonzac et al., 2007, Plant Cell). NAXT1 est responsable de l’excrétion racinaire massive de NO3- dans le milieu extérieur, déclenchée par des stress d'acidification. Chez Arabidopsis, la famille NAXT compte 7 gènes dont l’expression est détectée à différents niveaux dans la racine. En condition de stress salin, un autre membre, NAXT2, s’est révélé être impliqué dans l’excrétion de NO3- dans la stèle racinaire et sa translocation vers les parties aériennes.
Récemment, il a été observé par l’un des partenaires que NAXT1 et NAXT2 sont également exprimés dans les feuilles au niveau des cellules de garde constituant le stomate. Un premier phénotype stomatique vient d’être mis en évidence sous stress salin chez un mutant KO naxt2 (transpiration foliaire exacerbée par rapport aux plantes sauvages). Enfin, l'expression de ces deux gènes est régulée par l'hormone de stress ABA et le stress salin. Ces premières observations sont importantes car les stomates constituent un point de contrôle essentiel pour la tolérance des plantes à des stress agronomiquement importants tels la salinité et la sècheresse. Pour ces raisons, le présent projet propose d’étudier le rôle des NAXT dans l'activité stomatique chez Arabidopsis, dans la perspective de mettre à jour de nouveaux facteurs de tolérance des plantes à ces stress.
En cohérence avec ce projet, la composition du consortium permet d'associer les expertises requises dans (1) l'analyse electrophysiologique des systèmes de transport (Montpellier, BPMP); (2) les canaux anioniques et l'activité stomatique (Cadarache, IBEB-LEMSE), et (3) la biologie intégrée des plantes sous stress environnementaux (Montpellier, LEPSE).
Tout d'abord, l’expression des gènes de la famille NAXT sera recherchée dans les ARN extraits de cellules de garde isolées à partir de plantes soumises aux stress d’intérêt (hydrique, salin, ABA) ou non. Les propriétés de transport des NAXT sélectionnés (exprimés dans les stomates) seront ensuite caractérisées électrophysiologiquement après expression dans des ovocytes de Xénope, et leur profil d'expression dans les stomates sera documenté au niveau du gène et de la protéine (chez des plantes NAXT:GFP) en réponse aux stress et à l'ABA. Enfin, les mutants NAXT sous-expresseurs seront phénotypés en réponse aux stress sur leur activité stomatique (mesures d'ouverture des stomates, électrophysiologie in situ) et par une approche intégrative (tolérance aux stress en termes de croissance/dévelopement, transpiration foliaire) en utilisant une plateforme de phénotypage (Phenopsis) développée par l'un des partenaires.
Au delà d'une meilleure connaissance du rôle biologique de la famille NAXT, il est attendu que ce projet permette de mieux comprendre le rôle bénéfique observé au niveau agronomique d’un apport de nitrate à des plantes soumises à des stress abiotiques majeurs limitant la production et, par ce biais, de mettre à jour de nouveaux déterminants de leur tolérance.