Des stomates fluorescents pour comprendre les échanges gazeux chez les plantes

Les stomates sont des pores à la surface des feuilles qui permettent les échanges gazeux entre la plante et l’atmosphère, ce qui les rend essentiels à la vie des plantes terrestres.  Le contrôle de l’ouverture du pore stomatique est fondamental pour limiter la perte d’eau de la plante par transpiration et optimiser l’absorption de la CO₂ pour la photosynthèse. Une paire de cellules, appelées cellules de garde, délimite le pore stomatique et en module l’ouverture. Les cellules de garde sont capables de réguler l’ouverture du pore stomatique en réponse au stimuli environnementaux.  Le mécanisme responsable de l’ouverture et de la fermeture des stomates repose sur le transport d’ions (H⁺, K⁺, Cl^-, NO₃^- et malate^2-) dans les cellules de garde pour en modifier la pression de turgescence. Ce mécanisme fait l’objet d’intenses études depuis des décennies, néanmoins de nombreux aspects restent obscurs et constituent une limite pour notre compréhension de la physiologie des stomates.

Cette étude utilise des approches de biologie cellulaire de pointe pour étudier le rôle des compartiments intracellulaires dans la physiologie des stomates. Les chercheurs ont mis au point une sonde fluorescente ratiométrique pour visualiser simultanément la dynamique du pH et du nitrate intracellulaire dans les cellules de garde de la plante modèle Arabidopsis thaliana. Cette approche a permis de mettre en lumière une nouvelle facette des mécanismes de transport d’ions opérant dans les stomates. Ils ont ainsi montré que AtCLCa, un échangeur d’ions localisé sur la vacuole, a une influence majeure sur les conditions ioniques du cytosol de la cellule de garde. Cette influence pourrait être à l’origine du rôle de AtCLCa dans le contrôle de l’ouverture et fermeture des stomates. Ce résultat met en évidence les connections existantes entre les conditions ioniques des différents compartiments intracellulaires des cellules de garde.

L’échangeur d’ions vacuolaire AtCLCa appartient à une classe de protéines, les CLC (Chloride Channel), qui est présente chez tous les organismes, de la bactérie aux humains en passant par les plantes. Dans les cellules de mammifère les échangeurs CLC sont localisés dans des compartiments subcellulaires tels que les lysosomes. La découverte qu’un CLC eucaryote influence les conditions dans le cytosol suggère une nouvelle interprétation du rôle de cette classe de protéines qui, chez l’homme, sont souvent impliquées dans des maladies génétiques graves qui touchent les reins (e.g. la maladie de Dents) ou les os (e.g. l’ostéopétrose).

Ces résultats permettent de mieux comprendre le fonctionnement du stomate, structure fondamentale pour la fixation du CO₂ par la photosynthèse et pour la résistance des plantes à la sécheresse. Les connaissances sur la physiologie moléculaire des stomates sont essentielles pour permettre de sélectionner des variétés végétales alliant productivité et un besoin en eau réduit, un enjeu essentiel pour les années à venir.  

Pour en savoir plus :

Dynamic measurement of cytosolic pH and [NO₃^-] uncovers the role of the vacuolar transporter AtCLCa in cytosolic pH homeostasis.
Demes E, Besse L, Cubero-Font P, Satiat-Jeunemaitre B, Thomine S, De Angeli A
Proc Natl Acad Sci USA 16 juin 2020 https://doi.org/10.1073/pnas.2007580117