Intracellular aquaporins of Arabidopsis thaliana : dynamic expression in pollen and in roots under oxidative stress

par Michael Wudick

Thèse de doctorat en Biologie cellulaire

Sous la direction de Christophe Maurel.

Soutenue le 28-04-2010

à Montpellier, SupAgro , dans le cadre de Systèmes Intégrés en Biologie, Agronomie, Géosciences, Hydrosciences, Environnement (Montpellier ; École Doctorale ; 2009-2015) , en partenariat avec BPMP - Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes (laboratoire) .

Le jury était composé de Christophe Maurel, Gerhard Obermeyer, Alain Gojon.

Les rapporteurs étaient Hélène Barbier-Brygoo, Thierry Gaude, Doan-trung Luu.

  • Titre traduit

    Aquaporines intracellulaires d'Arabidopsis thaliana : dynamique d'expression dans le pollen et dans la racine sous stress oxydatif


  • Résumé

    Les aquaporines sont des canaux hydriques qui contrôlent la perméabilité à l'eau des membranes cellulaires, au cours du développement ou en réponse à des stress. La dynamique de l'expression des aquaporines de plantes et leur rôle physiologique ont été examinés dans deux organes modèles, le pollen et la racine d'Arabidopsis. Le pollen mature contient une cellule végétative et deux cellules de sperme. Des analyses transcriptomiques ont récemment identifié AtTIP1;3 et AtTIP5;1 comme deux aquaporines spécifiques du pollen. Dans ce travail, des protéines reportrices fluorescentes ont permis d'établir que AtTIP1;3 et AtTIP5;1 s'expriment spécifiquement dans la membrane vacuolaire de, respectivement, la cellule végétative et les cellules de sperme. Ces études révèlent aussi la grande plasticité dynamique des vacuoles, de la maturation du pollen jusqu'à la fécondation. Des approches de génétique inverse suggèrent un rôle des deux aquaporines dans la reproduction de la plante. La seconde partie de ce travail concerne les effets concomitants des stress oxydants, inhibant la conductivité hydraulique des racines et provoquant une accumulation intracellulaire des aquaporines initialement sur les membranes plasmiques. Le dernier processus a été disséqué par des approches de biochimie, pharmacologie et microscopie. La co-expression avec des marqueurs des endomembranes a révélé que l'isoforme AtPIP2;1 subit une accumulation dans les endosomes tardifs en réponse à l'H2O2. Ce processus peut être bloqué par l'auxine synthétique 1-NAA, mais non par l'inhibiteur d'endocytose tyrphostine A23. La grande stabilité des aquaporines internalisées suggère que l'H2O2 déclenche un mécanisme de séquestration réversible de celles-ci. Au-delà de données originales sur la régulation cellulaire des aquaporines, ce travail apporte un éclairage nouveau sur la dynamique des membranes intracellulaires des plantes, au cours du développement ou en réponse à des stress


  • Résumé

    Aquaporins are membrane water channel proteins that mediate the fine-tuning of cell membrane water permeability during development or in response to environmental stresses. The dynamic expression of aquaporins in planta, as well as their role in plant water relations, were investigated in two representative model organs, the pollen and roots of Arabidopsis. Mature pollen consists of a vegetative cell and two sperm cells. Transcriptomics recently identified AtTIP1;3 and AtTIP5;1 as two pollen exclusive aquaporins. Here, we investigated their in vivo temporal and spatial expression pattern. Fluorescently-tagged chimeras revealed that AtTIP1;3 and AtTIP5;1 have a distinct and specific localisation in the vacuolar membrane of the vegetative and sperm cells, respectively. The two aquaporins also revealed the dynamic plasticity of vacuoles from pollen maturation to embryo fecundation. Loss of function approaches suggest an implication of both proteins in plant reproduction. The second part of this work focused on the oxidative stress-induced internalisation of root plasma membrane aquaporins and its concomitant drop in root hydraulic conductivity. The former process was described in great detail by combined biochemical, pharmacological and microscopic approaches. Co-expression analyses of the AtPIP2;1 isoform with endomembrane markers revealed that H2O2 triggers AtPIP2;1 accumulation in late endosomal compartments. This process could be antagonized by the auxin analog 1-NAA, but not by the endocytosis blocker tyrphostin A23. Life-time analyses established the high stability of the internalised protein suggesting that H2O2 triggers a mechanism for intracellular and reversible sequestration of plasma membrane aquaporins. Besides information on cell regulation of aquaporins, the overall work gives novel and complementary insights into the dynamic remodelling of plant internal membranes during development and stress responses.

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