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Microscopie confocale. Cotylédons d’Arabidopsis thaliana ou Arabette des dames (Brassicacées), mutant du cytosquelette : comparaison de l’organisation des plans de division. Coloration des parois des cellules à l’iodure de propidium.. © © INRA, BELCRAM Katia

Microscopie : jusqu’où voit-on ?

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.

Par Pascale Mollier
Mis à jour le 16/04/2015
Publié le 25/03/2015

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.

Contact(s)
Contact(s) scientifique(s) :

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Biologie et amélioration des plantes
Centre(s) associé(s) :
Occitanie-Montpellier

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.

Chaque molécule est pistée individuellement

Les protéines membranaires des cellules de l’épiderme de racine d’Arabidopsis (ici non pas une aquaporine mais une autre protéine plus mobile appelée LTi6a) sont marquées grâce à une protéine fluorescente de corail, la mEos. Ainsi marquées, les protéines émettent dans le rouge lorsqu’elles sont excitées au moyen d’un laser. L’astuce consiste à utiliser une très faible puissance de laser, qui permet de n’activer qu’une seule molécule à la fois, de manière aléatoire. On peut visualiser ainsi le trajet de chaque molécule individuellement, à l'aide de fausses couleurs. Cette technique s’appelle la sptPALM (single particle tracking PhotoActivated Localization Microscopy).

On a franchi le mur des 200nm !

Echelle des organismes, d'après le physicien allemand Ernst Abbe.. © Wikipedia
Echelle des organismes, d'après le physicien allemand Ernst Abbe. © Wikipedia

Jusqu’aux années 2000, il était impossible de distinguer deux structures distantes de moins de 200 nanomètres, en particulier à cause des phénomènes de diffraction de la lumière. L’association de plusieurs nouvelles techniques a permis d’atteindre une résolution de 40 nm, permettant de distinguer des molécules protéiques. Le microscope devient ainsi un "nanoscope". Cette avancée a valu le prix Nobel de Chimie 2014 à l’allemand Stefan W. Hell et aux deux américains Eric Betzig et William E. Moerner, qui travaillent respectivement sur les synapses entre les neurones, sur la division cellulaire au sein des embryons, et  sur les protéines liées à la chorée de Huntington.