Les stomates sont des pores propres aux plantes et présents sur l'épiderme de la plupart des tissus aériens. Les stomates agissent comme des gardiens pour permettre l'entrée de dioxyde de carbone (CO₂) dans la feuille pour la photosynthèse au détriment de la perte de vapeur d'eau par transpiration. L'ouverture et la fermeture des stomates sont contrôlées par des cellules de garde, qui gonflent et rétrécissent au fur et à mesure que les ions entrent et sortent d'eux, respectivement (Figure 1).

Lors de l'ouverture des stomates, solutés osmotiquement actifs s'accumulent à l'intérieur des cellules de garde, ce qui augmente la concentration de soluté, entraînant une plus grande pression osmotique à l'intérieur de la cellule. Ce déséquilibre des solutés entre l'intérieur et l'extérieur de la membrane plasmique doit être équilibré par un flux d'eau dans la cellule qui provoque éventuellement des changements de pression de turgescence. Une augmentation de la pression de turgescence force la membrane plasmique contre la paroi cellulaire, ce qui entraîne l'élargissement des cellules de garde qui finissent par s'incliner vers l'extérieur, provoquant l'ouverture du pore stomatique. Lorsque les solutés sortent des cellules de garde, le volume cellulaire diminue, provoquant la fermeture du pore. La turgescence des cellules de garde et les changements de volume en réponse à diverses conditions environnementales telles que le CO atmosphérique₂ concentration, lumière et disponibilité en eau. Les cellules de garde sont d'excellents systèmes modèles pour étudier le transport des ions et pour disséquer les liens moléculaires entre la physiologie des plantes et l'environnement.

De nombreuses études étudient l'interaction entre les stomates et l'environnement, mais la plupart d'entre elles se concentrent sur un signal environnemental individuel qui est également souvent non variable tout au long de la journée, comme l'intensité lumineuse ou la température. Dans la nature, les plantes sont confrontées aux effets multiples et cumulatifs du changement climatique qui combinent souvent des signaux environnementaux contradictoires tels que des intensités lumineuses élevées et des sécheresses. Par conséquent, les plantes doivent coordonner la mécanique moléculaire des stomates pour assurer leur croissance et leurs performances dans un scénario environnemental donné. De même, les plantes doivent décoder les signaux complexes résultant des conditions environnementales qui fluctuent tout au long de la journée, comme lorsque les nuages ​​passent au-dessus de leur tête ou lorsqu'ils sont ombragés par les plantes voisines. Dans un tel cas, la machinerie photosynthétique s'adapte rapidement aux conditions d'éclairage tandis que les réponses stomatiques sont généralement à la traîne, ce qui rend la photosynthèse moins efficace ou permet une perte d'eau excessive. Une réponse plus lente des stomates aux fluctuations de la lumière a un impact sur la croissance et la productivité des plantes.

L'irrigation des cultures représente environ 70 % de l'utilisation de l'eau douce sur la planète, et son utilisation s'est développée à des taux insoutenables au cours des trois dernières décennies. Les scientifiques ont essayé de trouver des moyens de faire pousser les plantes avec moins d'eau en maximisant l'efficacité de l'utilisation de l'eau - en comprimant la quantité maximale de carbone fixée par unité d'eau utilisée. La réduction du nombre de stomates entraîne moins de perte d'eau. Pourtant, de telles tentatives peuvent se faire au détriment de la réduction du CO₂ l'absorption et donc l'efficacité réduite de l'utilisation de l'eau. D'un point de vue agronomique, cette approche impacte négativement les gains de rendement, la rendant non durable. De plus, cette approche ne sera bénéfique que dans certains scénarios environnementaux de durée prolongée, par exemple des périodes de sécheresse persistantes, qui ne sont pas nécessairement souvent à l'image de ce qui est rencontré sur le terrain.

Pour contourner ce couplage inhérent du CO₂ absorption et perte de vapeur d'eau, Papanatsiou et al. (2019) ont utilisé l'optogénétique pour introduire un K synthétique activé par la lumière bleue⁺ canal ionique, nommé BLINK, dans les cellules de garde de la petite plante de moutarde Arabidopsis. Optogénétique est une technique bien établie utilisée dans les neurosciences pour manipuler l'activité des canaux ioniques et moduler la transmission du signal nerveux en utilisant un stimulus lumineux. Les auteurs ont émis l'hypothèse qu'en utilisant l'optogénétique, ils pourraient moduler le transport des ions dans les cellules de garde des stomates afin de mieux synchroniser les mouvements stomatiques en réponse aux fluctuations des conditions d'éclairage et, par conséquent, d'améliorer les performances des plantes (Figure 2).

Les auteurs ont montré que l'expression de BLINK dans les cellules de garde d'Arabidopsis introduisait un K⁺ flux à travers la membrane des cellules de garde sous traitement à la lumière bleue. Le K supplémentaire⁺ le flux provoqué par la présence de BLINK a entraîné des changements plus rapides dans l'ouverture et la fermeture des stomates en réponse à la lumière. En effet, les stomates exprimant la protéine BLINK ont nécessité environ la moitié du temps pour atteindre une réponse à l'état d'équilibre sous le nouveau régime lumineux par rapport à celui des plantes témoins. En effet, BLINK agissait comme un interrupteur de lumière qui synchronisait les mouvements stomatiques avec la lumière incidente. Pour explorer davantage le potentiel de l'approche BLINK, les auteurs ont cultivé des plantes dans diverses conditions d'éclairage et ont noté la croissance des plantes et la production de biomasse. Les plantes exprimant la protéine BLINK ont montré de meilleures performances, en particulier dans des conditions fluctuantes qui nécessitent des ajustements rapides des mouvements stomatiques. En effet, les plantes exprimant BLINK avaient des rosettes significativement plus grandes et montraient un doublement de l'accumulation de biomasse sèche par rapport aux plantes témoins. Plus important encore, les mêmes effets étaient également apparents lorsque les plantes poussaient dans des conditions limitant l'eau.

L'étude de la Papanatsiou et al. (2019) préconise l'utilisation de l'optogénétique pour manipuler le transport des ions dans les cellules végétales. Le transport ionique est la force motrice des changements de pression de turgescence qui sous-tendent de nombreux processus végétaux tels que les mouvements stomatiques et la morphogenèse. Par conséquent, l'application d'outils optogénétiques similaires à BLINK a un grand potentiel pour améliorer les performances des plantes. Plus important encore, la recherche met en évidence l'influence du comportement stomatique sur la physiologie des plantes et son impact sur la productivité des plantes. La manipulation de la cinétique des réponses stomatiques a souvent été discutée comme une stratégie prometteuse pour faire correspondre le comportement stomatique avec l'efficacité de l'utilisation de l'eau. Cette étude valide ces propositions et met en évidence l'efficacité de la stratégie BLINK pour équilibrer le compromis entre la photosynthèse et la transpiration et pour améliorer les performances des plantes dans des conditions lumineuses, typiques de la croissance en extérieur. L'enjeu est maintenant de savoir si les résultats présentés dans l'étude de Papanatsiou et al. peut être traduit en cultures. Les stomates de la plupart des grandes cultures suivent les mêmes règles moléculaires que celles de l'organisme modèle végétal Arabidopsis. Les auteurs ont donc plaidé en faveur de BLINK ou d'outils optogénétiques similaires en tant que stratégie efficace pour améliorer la productivité des cultures dans des conditions d'éclairage fluctuantes, souvent rencontrées en milieu agricole.

À propos de Maria Papanatsiou

Mon intérêt pour la recherche biologique m'a conduit à l'Université de Glasgow, où j'ai terminé mes études de premier cycle en génétique. J'ai poursuivi mes études de troisième cycle en biologie moléculaire, cellulaire et des systèmes et j'ai obtenu mon doctorat à l'Université de Glasgow en 2014. Mon travail de doctorat s'est concentré sur l'interaction entre le comportement stomatique, la physiologie végétale et l'environnement. J'ai ensuite rejoint le groupe du professeur Nagy à l'Université d'Edimbourg, où j'ai élargi mes compétences dans le domaine de la photobiologie. Ce travail a étudié la base moléculaire de la transduction du signal via le récepteur de la lumière rouge, le phytochrome B. Par la suite, je suis retourné à Glasgow pour travailler avec Pr Blatt et en collaboration avec Professeur Christie, où j'ai utilisé des outils optogénétiques pour moduler le transport des ions dans les stomates afin d'optimiser la physiologie, la croissance et l'utilisation de l'eau des plantes. je suis en train de travailler comme chercheur post-doctoral au Professeur Amtmann visant à décoder les réponses physiologiques des plantes à des scénarios environnementaux complexes, à l'aide d'Arabidopsis et de plantes de soja. Tout au long de mon parcours universitaire, je me suis passionné pour communication scientifique et j'ai participé et organisé plusieurs activités de sensibilisation. J'ai contribué à des commentaires sur les derniers développements en phytologie et je suis l'éditeur des médias sociaux pour la revue scientifique Plante, cellule et environnement.