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Aquaporines

Nom du responsable : Christophe Maurel
Directeur de Recherche CNRS
Tél : 04 99 61 20 11
Mail : christophe.maurel@cnrs.fr

Mots clés

Aquaporine, Hydraulique, Phosphorylation, Racine, Stress hydrique, Transport d’eau

Présentation

L’équipe Aquaporines étudie les différents modes du transport de l’eau dans les tissus de plantes. L’objectif principal est de comprendre comment ces processus sont régulés et liés à la croissance des plantes et à leurs réponses aux stress environnementaux. Le groupe étudie principalement la plante modèle Arabidopsis thaliana, et plus récemment le riz et le maïs.

Les aquaporines, des protéines canal qui facilitent le passage de l’eau au travers des membranes cellulaires, jouent un rôle central dans le maintien du statut hydrique des plantes. Les bases moléculaires et cellulaires de ce processus sont abordées en étudiant les nombreuses facettes de la régulation des aquaporines. A ce titre, l’équipe combine des approches moléculaires, physiologiques et génétiques et caractérise le transport de l’eau au niveau d’aquaporines clonées, de membranes purifiées, de cellules, ou d’organes comme des racines ou des feuilles excisées. Les nombreuses régulations post-traductionnelles des aquaporines sont appréhendées par des approches de protéomique et d’interactomique.

Bien qu’identifiée par des mots-clefs focalisés (aquaporines, transport d’eau), l’équipe continue de diversifier ses approches et niveaux d’intégration. Un premier volet concerne les processus de signalisation cellulaire. Les mécanismes précoces de la réponse des plantes à un stress hydrique sont explorés par des approches de microscopie de fluorescence à haute-résolution. Les protéines kinases impliquées dans la régulation du transport d’eau sont utilisées pour appréhender les propriétés fondamentales des voies de réponses aux hormones ou aux stress. Un deuxième volet concerne l’architecture hydraulique des racines. La génétique quantitative, le phénotypage racinaire et la modélisation mathématique sont combinés pour décrire la dynamique de la croissance et de l’hydraulique des racines. Un des objectifs de l’équipe est de comprendre comment celles-ci s’adaptent aux contraintes de l’environnement, et au stress hydrique en particulier, en intégrant des signalisations locales et systémiques.

Membres de l’équipe

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Résultats marquants

Au cours de ces dernières années, l’équipe a découvert de nouvelles fonctions et régulations d’aquaporines de plantes. Par exemple, la phosphorylation d’une simple isoforme d’aquaporine joue un rôle central dans la régulation par la lumière du transport d’eau au niveau des nervures des feuilles (Prado et al., 2013). Un même type de mécanisme a été identifié lors de la fermeture des stomates induite par l’acide abscissique (Grondin et al., 2015). Dans ce dernier cas, l’aquaporine contribue à la signalisation de cette hormone de stress en facilitant l’entrée de peroxide d’hydrogène dans la cellule de garde. Dans la racine, l’auxine régule les aquaporines, permettant ainsi un contrôle précis, dans l’espace et dans le temps, des flux cellulaires d’eau afin de faciliter l’émergence des racines secondaires (Péret et al., 2012). Ce dernier travail indique les liens intimes qui existent entre l’architecture des racines et leurs propriétés hydrauliques.

Récemment, l’équipe a mis en œuvre des approches de génétique quantitative pour isoler un gène qui contrôle la perméabilité à l’eau des racines, sous l’influence conjointe des teneurs en oxygène et en potassium du sol (Shahzad et al., 2016). Ce travail identifie un nouveau mécanisme de réponse des plantes aux inondations et révèle une capacité unique des plantes à percevoir et à s’adapter à des contraintes multiples de l’environnement.

Publications significatives

Rodrigues O, Reshetnyak G, Grondin A, Saijo Y, Leonhardt N, Maurel C, Verdoucq L✉ (2017) Aquaporins facilitate hydrogen peroxide entry into guard cells to mediate ABA- and pathogen-triggered stomatal closure. P. Natl. Acad. Sci. USA, 114(34):9200-9205

Bellati J, Champeyroux C, Hem S, Rofidal V, Krouk G, Maurel C, Santoni V✉ (2016) Novel aquaporin regulatory mechanisms revealed by interactomics. Mol. Cell. Proteomics, 15(11):3473-3487

Shahzad Z, Canut M, Tournaire-Roux C, Martinière A, Boursiac Y, Loudet O, Maurel C✉ (2016) A potassium-dependent oxygen sensing pathway regulates plant root hydraulics.Cell, 167(1):87-98.e14

Maurel C✉, Boursiac Y, Luu D-T, Santoni V, Shahzad Z, Verdoucq L (2015) Aquaporins in plants. Physiol. Rev., 95(4):1321-1358

Wudick MM, Li X, Valentini V, Geldner N, Chory J, Lin J, Maurel C✉, Luu D-T✉ (2015) Sub-cellular redistribution of root aquaporins induced by hydrogen peroxide. Mol. Plant, 8(7):1103-1114

Grondin A, Rodrigues O, Verdoucq L, Merlot S, Leonhardt N, Maurel C✉ (2015) Aquaporins contribute to ABA-triggered stomatal closure through OST1-mediated phosphorylation. Plant Cell, 27(7):1945-1954

Wudick MM, Luu D-T, Tournaire-Roux C, Sakamoto W, Maurel C✉ (2014) Vegetative and sperm cell-specific aquaporins of highlight the vacuolar equipment of pollen and contribute to plant reproduction. Plant Physiol., 164(4):1697-1706

di Pietro M, Vialaret J, Li G, Hem S, Prado K, Rossignol M, Maurel C, Santoni V✉ (2013) Coordinated post-translational responses of aquaporins to abiotic and nutritional stimuli in Arabidopsis roots. Mol. Cell. Proteomics, 12(12):3886-3897

Prado K, Boursiac Y, Tournaire-Roux C, Monneuse J-M, Postaire O, Da Ines O, Schäffner AR, Hem S, Santoni V, Maurel C✉ (2013) Regulation of Arabidopsis leaf hydraulics involves light-dependent phosphorylation of aquaporins in veins. Plant Cell, 25(3):1029-1039

Péret B*, Li G*, Zhao J*, Band LR*, Voß U, Postaire O, Luu D-T, Da Ines O, Casimiro I, Lucas M, Wells DM, Lazzerini L, Nacry P, King JR, Jensen OE, Schäffner AR✉, Maurel C✉, Bennett MJ✉ (2012) Auxin regulates aquaporin function to facilitate lateral root emergence. Nat. Cell Biol., 14(10):991-998

Luu D-T✉*, Martinière A*, Sorieul M, Runions J, Maurel C (2012) Fluorescence recovery after photobleaching reveals high cycling dynamics of plasma membrane aquaporins inArabidopsis roots under salt stress. Plant J., 69(5):894-905

Collaborations

Sources de financement

DROUGHTROOT Marie SkŁodowska-Curie Individual Fellowship (2015-2018)
“Plants in search of water: physiological and molecular interplay between root hydraulics and architecture during drought stress”. Ce contrat européen assure notamment le financement post-doctoral du Dr Miguel Rosales.

MIRGA « Architecture et croissance du système racinaire de maïs » (2016-2019).
Contrat ANR impliquant, outre l’équipe Aquaporines, le laboratoire d’Agroécologie (INRA Dijon) et la société Biogemma.

APLIM “Advanced Plant Life Imaging and Metrology” (2016-2019).
Ce contrat, financé par la fondation Agropolis, vise à l’application de technologies de résonance magnétique (RMN, IRM, nanosondes) à la biologie intégrative de la réponse des plantes aux contraintes abiotiques et biotiques. Il associe divers laboratoires montpelliérains spécialisés en sciences végétales, physique ou chimie.

i-Rho-bot “Signal integration by Rho GTPases: monotoring Rho-Of-Plant signaling activity in response to multiple stimuli” (2017-2018)

Contrat du département Biologie et Amélioration des Plantes de l’INRA associant l’équipe Aquaporines au laboratoire de Reproduction et Developpement des Plantes (ENS/CNRS/INRA, Lyon)

Emplois / Stages

Anciens membres

Karine Prado , Université d’Edimbourg : Karine.Prado@ed.ac.uk

Alexandre Grondin, IRD, Montpellier : alexandre.grondin@ird.fr

Olivier Rodrigues, Université de Montpellier : olivier-rodrigues@laposte.net

Zaigham Shahzad, Université de Glasgow : Zaigham.Shahzad@glasgow.ac.uk

Jorge Bellati, Montpellier : jbellati@gmail.com