Contrôle de la transpiration foliaire chez le riz: Analyse moléculaire et fonctionnelle du transport de potassium dans le stomate

par Thanh Hao Nguyen

Thèse de doctorat en Agronomie

Sous la direction de Hervé Sentenac.

Thèses en préparation à Montpellier, SupAgro , dans le cadre de Biodiversité, Agriculture, Alimentation, Environnement, Terre, Eau (Montpellier ; École Doctorale ; 2015-...) , en partenariat avec BPMP - Biochimie et Physiologie Moléculaire des Plantes (laboratoire) .


  • Résumé

    Les stomates forment des pores à la surface le l'épiderme foliaire qui contrôlent l'absorption de CO2 et la perte d'eau par transpiration. Chez Arabidopsis, les canaux K+ Shaker jouent un rôle important dans le mouvement stomatique en permettant, par l'influx et l'efflux de K+, le contrôle de la turgescence des deux cellules de garde bordant le pore. Le fonctionnement du stomate du riz, qui a une structure différente de celle chez Arabidopsis est encore peu étudié. La production de lignées de riz exprimant le gène rapporteur GUS sous le contrôle du promoteur de gènes candidats a permis d'identifier, dans les stomates du riz, trois canaux Shaker entrants (OsK2.1, OsK2.2 et OsK2.3), deux canaux Shaker sortants (OsK5.1 et OsK5.2) et deux gènes HKT (OsHKT3 et OsHKT9), appartenant à la sous-famille de transporteurs perméables au potassium. La caractérisation d'OsK2.1, OsK2.2 et OsK2.3 dans le système d'expression ovocyte de xénope a montré que les trois gènes codent pour des canaux potassiques rectifiants entrants de faible affinité, qui diffèrent dans leur seuil d'activation par le voltage, leur sélectivité cationique et leur sensibilité au pH. Des expériences d'électrophysiologie effectuées in situ sur des cellules de garde de plantes intactes de génotypes sauvage ou mutant, a montré le rôle central du canal OsK5.2 dans l'efflux de potassium chez ces cellules. L'analyse comparée de la transpiration des plantes de génotypes sauvages ou mutants pertes de fonction a suggéré des rôles différents pour ces canaux et transporteurs dans le contrôle du mouvement stomatique. OsK5.2 jouerait un rôle important à la fois lors de l'ouverture et de la fermeture des stomates. Le mutant osk5.2 transpire davantage et montre une cinétique de mouvement stomatique fortement altérée. OsK2.2 et OsK2.3 pourraient fonctionner de façon redondante dans les stomates du riz, le phénotype des mutants pour chacun des 2 canaux étant peu différent de celui des plantes de génotype sauvage. OsK5.1 pourrait contribuer indirectement au contrôle du mouvement stomatique en transportant le potassium des racines vers les feuilles. Les deux transporteurs OsHKT3 et OsHKT9 pourraient fournir une voie supplémentaire de transport du potassium dans les cellules de garde pendant l'ouverture et la fermeture stomatique.

  • Titre traduit

    Control of leaf transpiration in rice: molecular and functional analysis of K+ transport in stomata


  • Résumé

    Stomata form pores on leaf surface which control the CO2 uptake and the water loss by transpiration. In Arabidopsis, Shaker channels have important roles in the stomatal movement by mediating influxes and effluxes of K+ across the guard cell plasma membrane. Rice has a different stomatal structure from that in Arabidopsis and the mechanism controlling the movement of this grass-type stoma is yet to be unraveled. In this study, the tissue specific expression analysis using GUS reporter gene under the control of candidate gene promoters identified the expression of three inward Shaker channels (OsK2.1, OsK2.2, and OsK2.3) and two outward Shaker channels (OsK5.1 and OsK5.2) in rice stomatal complexes. Among these genes, OsK2.2 and OsK5.2 showed the highest expression level in stomata. Apart from Shaker channels, two HKT transporter genes, OsHKT3 and OsHKT9, belonging to the subfamily of potassium-permeable members, were also identified in rice stomata. The electrophysiological characterization of OsK2.1, OsK2.2, and OsK2.3 in the Xenopus laevis oocyte system showed that they encoded inwardly-rectifying potassium channels with low affinities for potassium, which differed in voltage activation threshold, cation selectivity, and pH sensitivity. The electrophysiology experiments performed in intact plant guard cells of wild type and mutant genotypes evidenced the central role of OsK5.2 channel in the release of potassium from these cells. The analysis of plant transpiration suggested different roles for these channels and transporters in the regulation of stomatal movement. OsK5.2 was proved to participate in both stomatal opening and closure. osk5.2 knock-out mutant displayed higher levels of transpiration in darkness as in light conditions and was severely affected in the stomatal closure kinetics. OsK2.2 and OsK2.3 might redundantly function in rice stomata since individual knock-out mutants had weak transpiration phenotype. OsK5.1 could indirectly contribute to the control of stomatal movement by transporting the potassium from the roots to the leaves. OsHKT3 and OsHKT9 transporters could provide an additional pathway for potassium transport uptake during stomatal opening and closure.