Etude des transporteurs vacuolaires contrôlant le stockage des nutriments et la détoxification des ions chez Arabidopsis thaliana – VACTION

Les rendements chez les végétaux dépendent de leur capacité à surmonter les fluctuations nutritionnelles environnementales. L’azote (N) est quantitativement le nutriment le plus important pour les plantes, le nitrate (NO3-) étant la forme majeure d’azote assimilée en sols aérobies. Pour améliorer les productions, des engrais azotés ont été appliqués intensément depuis la seconde guerre mondiale. Cependant 45 à 60% sont perdus dans l’environnement conduisant à de sévères pollutions de l’air et de l’eau. La croissance des plantes est aussi affectée par d’autres facteurs environnementaux tels que la sécheresse et la présence de sels dans les sols. Ces stress abiotiques sont les majeurs facteurs limitants des rendements en agriculture. Chaque stress diminue la disponibilité en eau, les sels provoquant en plus une cytotoxicité ionique. Dans ce contexte général, le développement de nouvelles variétés d’intérêt agronomique avec une efficacité accrue pour l'utilisation de l'azote et la tolérance à la sécheresse et au stress salin sont des stratégies importantes pour répondre à la demande alimentaire mondiale. Ainsi, la compréhension des mécanismes impliqués dans l’accumulation des ions et de l’eau est devenue une priorité.
La vacuole et le TGN (‘Trans-Golgi Network’) sont deux compartiments intracellulaires essentiels pour l’accumulation de nutriments et la détoxification ioniques du cytosol par compartimentation des composés cellulaires. Leurs rôles multiples sont étroitement liés à l’activité des transporteurs dans leur membrane. Il est souvent supposé que tous les transporteurs actifs utilisent l’énergie du gradient électrochimique généré par les pompes à protons telles que les V-ATPases. Néanmoins les études portant sur celles-ci suggèrent une spécificité d’action de ces protéines sur certains transporteurs : le double mutant chez Arabidopsis, vha-a2 vha-a3, déficient dans l’activité V-ATPase vacuolaire, présente une diminution de ces teneurs en nitrate en non en chlorure (Cl-), alors que la sensibilité au stress NaCl augmente seulement dans vha-a1, un mutant nul pour les V-ATPase du TGN. Le projet a alors pour but de comprendre les bases moléculaires de cette divergence grâce à l’analyse de l’interaction entre les V-ATPases and les transporteurs anioniques de type CLC chez Arabidopsis. CLCs présentent des particularités intéressantes : 1) ils peuvent être des transporteurs passifs (canaux) ou transporteurs actifs (échangeurs anions/protons) bien que tous les CLCs soient structurellement très proches, 2) les CLCs peuvent plus sélectifs pour Cl- ou NO3- selon la présence d’une proline ou d’une sérine dans leur motif de sélectivité et, 3) des membres sont présents sur les membranes vacuolaires ou du TGN. Le projet sera donc divisé en trois tâches : la première permettra de mieux comprendre les spécificités/redondances de fonction entre les différents AtCLC de la vacuole et du TGN, les deux autres se concentreront sur la caractérisation de la co-régulation entre les V-ATPases et les AtCLCs de la vacuole (tâche 2) et du TGN (tâche 3).
Le projet bénéficiera de l’expertise de deux partenaires sur l’étude des protéines membranaires chez les plantes, physiologie moléculaire et électrophysiologie pour le partenaire français, physiologie moléculaire, approches ‘omics’ par le partenaire allemand. La coopération entre les deux laboratoires permettra l’étude de l’interaction entre les V-ATPases and AtCLC non seulement au niveau moléculaire mais aussi aux niveaux cellulaires et de la plante entière en réponse à différentes concentrations externes en nitrate, à la sécheresse et au stress NaCl. Dans l’ensemble, ce projet permettra de mieux comprendre en détail la régulation des transporteurs primaires et secondaires sur la vacuole et le TGN. Il fournira des données importantes qui pourront être utilisées par la suite dans l’amélioration des plantes pour l’assimilation des nutriments et la tolérance aux stress abiotiques.