Deeper into the darkness of cells
At the close of the nineteenth century, German physicist Ernst Abbe, a microscopy pioneer, theorised that it would be impossible to see objects smaller than 200 nm because of the diffraction of light. According to Abbe, we should never have been able to see viruses or proteins (see Box Text 3). Three animal science researchers were able to refute this theory by bringing together their respective techniques, and were awarded the Nobel Prize in Chemistry 2014 for their discovery.
Use in plants
Researchers at INRA Montpellier, working with their colleagues in Bordeaux, were able to apply this “super resolution” microscope technology to plants. In looking at the model plant species Arabidopsis thaliana, they were able to see how each protein molecule moves in the cellular membrane. “We were interested in aquaporins, which are proteins found on the epidermal membrane of Arabidopsis roots. These proteins act as channels allowing water exchange between a plant and its external environment. They therefore play an important role during periods of drought or increased salinity, which are referred to as osmotic stresses” says Doan Luu. When the soil is dry, or when the plant lacks water and is retaining salt, water moves from the plant to the external environment by way of osmosis (1), thereby exacerbating a plant’s water loss.
Tracking proteins
To see how the aquaporins behaved, researchers used the techniques developed by the three Nobel Prize winners that made it possible to track the movement of each aquaporin molecule in a membrane (see Box Text 2). “We noticed that these molecules move very little under a plant’s normal growing conditions, which somewhat contradicts the “fluid mosaic” model traditionally used to describe cellular membranes. Importantly, we demonstrated that aquaporin mobility increases during periods of osmotic stress, thereby allowing the internalisation of aquaporins through endocytosis. The removal of aquaporins from the membrane surface reduces the flow of water and, in all likelihood, allows the plant to combat drought and excess salt” says Luu.
Aiming to improving drought resistance
Researchers are currently trying to understand the mechanisms that modify aquaporin mobility during periods of osmotic stress. Research has shown that there is a network of actin cables directly below the membrane and that membrane proteins run up against this network when moving laterally. It could be that the actin network is disrupted during periods of osmotic stress, thereby facilitating protein movement. Another possible hypothesis involves the modification of membrane lipids. Researchers are studying the components of endocytosis, drawing inspiration from findings in the field of animal science and by using a variety of plants to study the individual components.
“Our ultimate aim is to develop mechanisms that would allow us to select plants that have better drought resistance because their membrane aquaporins are more mobile and act more quickly in endocytosis mechanisms. We will apply this research to major crop plants, rice in particular” says Luu.
(1) Water moves from a region of higher salt concentration to a region of lower concentration.
(2) In the “fluid mosaic” model, proteins “float” fairly freely in the lipids that constitute the membrane.
Hosy E, Martinière A, Choquet D, Maurel C, Luu DT. 2014. Super-resolved and dynamic imaging of membrane proteins in plant cells reveal contrasting kinetic profiles and multiple confinement mechanisms. Molecular Plant 8(2): 339-342.
De la microscopie super-résolutive à l’adaptation à la sécheresse
Grâce à de nouvelles techniques de microscopie super-résolutive, les chercheurs sont parvenus à mesurer les déplacements individuels de chaque molécule d’aquaporines, ces protéines membranaires impliquées dans le transport de l’eau chez les plantes. Cette mobilité des aquaporines jouerait un rôle important dans les mécanismes de tolérance à la sécheresse ou à l’excès de sel.
De plus en plus loin dans l’intimité des cellules…
A la fin du 19ième siècle, un des pionniers de la microscopie, le physicien allemand Ernst Abbe, soutenait qu’il était théoriquement impossible de voir des objets de moins de 200 nm, à cause de la diffraction de la lumière. D’après lui, on n’aurait jamais pu voir ni les virus ni les protéines (voir encadré 3). En associant leurs techniques respectives, trois chercheurs en biologie animale ont démontré le contraire, et obtenu le prix Nobel de Chimie 2014 pour cette découverte.
Application aux plantes
Des chercheurs basés à l’Inra de Montpellier, en collaboration avec leurs collègues du CNRS de Bordeaux, ont transposé cette microscopie dite « super-résolutive », dans le domaine des plantes, sur l’espèce modèle Arabidopsis thaliana. C’est ainsi qu’ils ont pu visionner comment chaque molécule de protéine se déplace dans une membrane cellulaire. « Nous nous intéressons aux aquaporines, des protéines présentes dans la membrane de l’épiderme des racines d’Arabidopsis. Ces protéines sont des canaux permettant les échanges d’eau entre la plante et le milieu extérieur. Elles ont donc une fonction importante en cas de sécheresse ou d’augmentation de la salinité, ce que l’on appelle le stress osmotique », explique Doan Luu. En effet, lorsque le sol est sec, où lorsque la plante manque d’eau et concentre des sels, il y a des mouvements d’eau de la plante vers l’extérieur, par le mécanisme d’osmose (1), ce qui accroît les pertes d’eau pour la plante.
Les protéines prises en filature
Pour voir comment ces aquaporines se comportent, les chercheurs ont utilisé les techniques mises au point par les trois prix Nobel, techniques qui permettent de pister le déplacement de chaque molécule d’aquaporine dans la membrane (voir encadré 2). « Nous nous sommes aperçus que ces molécules se déplacent peu dans les conditions normales de culture des plantes, ce qui contredit un peu l’image de « mosaïque fluide » (2) utilisée classiquement pour décrire les membranes cellulaires. Mais surtout, nous avons montré que la mobilité des aquaporines augmente en cas de stress osmotique, et que cette mobilité permet l’internalisation des aquaporines par endocytose. Cette disparition des aquaporines de la surface membranaire réduit les mouvements d’eau et permet vraisemblablement à la plante de lutter contre la sécheresse ou l’excès de sel » poursuit Doan Luu.
Objectif : une meilleure adaptation à la sécheresse
Actuellement, les recherches visent à décortiquer les mécanismes qui modifient la mobilité des aquaporines dans les conditions de stress osmotique. Il a été montré qu’il existe juste sous la membrane des câbles d’actine organisés en réseau, contre lesquels les protéines membranaires se heurtent lors de leurs mouvements latéraux. Il se pourrait que ce réseau d’actine soit perturbé en conditions de stress osmotique, ce qui favoriserait le mouvement des protéines. Autre hypothèse, une modification des lipides membranaires… Les chercheurs étudient aussi les composants de l’endocytose, en s’inspirant des connaissances acquises dans le domaine animal et en utilisant différentes plantes mutées pour ces composants.
« In fine, nous espérons mettre à jour des mécanismes qui nous permettront de sélectionner des plantes plus tolérantes à la sécheresse, parce qu’elles auront des aquaporines membranaires plus mobiles et seront plus rapides dans les mécanismes d’endocytose. Nous allons transposer ces recherches sur des plantes d’intérêt agronomique, en particulier le riz », conclut Doan Luu.
(1) L’eau passe du milieu le plus concentré en sels au milieu le moins concentré.
(2) Dans le modèle de « mosaïque fluide », la membrane est composée de lipides, dans lesquels les protéines « flottent » assez librement.
Référence
Hosy E, Martinière A, Choquet D, Maurel C, Luu DT. 2014. Super-resolved and dynamic imaging of membrane proteins in plant cells reveal contrasting kinetic profiles and multiple confinement mechanisms. Molecular Plant 8(2): 339-342.
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