Signalisation calcium et immunité végétale

Thèmes de Recherche

Chez les plantes, l’une des premières réponses observée suite à la perception des stimuli est une modulation de la concentration en calcium libre dans la cellule. Ces variations de calcium peuvent prendre de nombreuses formes et font partie intégrante de la signalisation cellulaire qui conduit à des réponses spécifiques. Notre groupe vise à comprendre comment le calcium par ses variations spatio-temporelles contrôle la spécificité de la réponse des plantes aux stress biotiques. Pour cela, le groupe se concentre sur le signal calcique lui-même mais aussi sur son décodage et plus particulièrement sur la famille des protéines de type calmoduline. Nos modèles concernent les interactions plantes-microorganismes pathogènes en utilisant Arabidopsis et la tomate vs des bactéries phytopathogènes appartenant au genre Pseudomonas et Ralstonia. Depuis 2016, l’hépatique Marchantia polymorpha a été introduite dans le groupe en tant que nouveau modèle végétal pour analyser les complexes de signalisation associés à la signalisation calcium lors de stress biotiques.

Nos objectifs scientifiques sont :

 1) identifier les complexes protéiques membranaires générant les signaux calcium. Cette thématique scientifique émergente est dirigée par M. Mbengue.

 2) Décrypter la contribution des senseurs de calcium (protéines de type calmoduline et leurs cibles) dans la physiologie des plantes avec un focus sur les réponses immunitaires. Ce projet est soutenu par le projet ANR CaPPTure (2018-2022).

Imagerie calcique

Contacts : Sabine Grat-Simeone, Eugénie Robe, Malick Mbengue, Didier Aldon, Jean-Philippe Galaud

D’une manière générale, les cellules végétales répondent aux différents stimuli par une variation du taux de calcium dans le cytosol, longtemps considéré (à tort) comme le seul compartiment actif dans la cellule en termes de signalisation calcique. Les données récentes de la littérature indiquent que d’autres compartiments cellulaires comme le chloroplaste, la mitochondrie ou le noyau participent aussi à la génération d’une variation calcique spécifique en réponse à un stimulus perçu (Xiong et al. 2006). La compartimentation du signal calcique, en combinatoire avec les autres paramètres tels que la durée, intensité, origine, forme et fréquence des signaux calciques, permet de définir le concept de signature calcique qui attribue à un stimulus donné une variation calcique spécifique (McAinsh & Pittman 2009).

L’équipe s’est dotée d’un outil lui permettant de suivre en temps réel les variations calciques dans les compartiments cytosolique et nucléaire, en utilisant une sonde calcique naturelle issue de la méduse appelée aequorine et dont le fonctionnement est schématisé ci-dessous :

L’apo-aequorine est capable en présence du chromophore coelenterazine de lier 3 ions calcium. Cette liaison va entrainer un changement conformationnel entrainant une oxydation intramoléculaire et conduisant à l’émission de lumière dans le bleu (468nm) proportionnelle à la concentration en calcium et détectable avec un luminomètre ou une caméra intensifiée.

En utilisant cette approche le groupe a pu mettre en évidence :

  • la contribution du noyau à la définition d’une signature calcique cellulaire
  • l’autonomie, du noyau en matière de perception de signaux externes et de signalisation calcique
  • la possibilité que le noyau contrôle indépendamment, ou en concertation avec le cytosol, la mise en place des réponses impliquant le calcium

Les pistes de recherche qui sont maintenant explorées dans le groupe visent à développer en collaboration, des approches expérimentales et techniques d’imagerie bas niveaux de lumière visant à visualiser en temps réel les variations calciques au niveau de la plante entière ou d’un organe en réponse à divers stimuli. Il s’agit d’exploiter au mieux la grande dynamique de réponse de l’aequorine avec l’objectif d’atteindre une résolution au niveau d’une cellule unique.

Nous explorons aussi les possibilités offertes par la nouvelle sonde G5A basée sur le BRET (Bioluminescence Resonance Energy Transfert) dont le principe de fonctionnement est illustré ci-dessous et qui présente un rapport signal/bruit 3 à 5 fois plus élevé que celui de l’aequorine (Xiong et al. 2014).

Collaborations :

Barker D. , De Carvalho-Niebel F. : http://www6.toulouse.inra.fr/lipm_e…

Le Ru A. : http://www.fraib.fr/Ressources-tech…

Mithöfer A. : http://www.ice.mpg.de/ext/bioorgani…

Xiong T.C. : http://www1.montpellier.inra.fr/ibi…

Bibliographie afférente externe :

McAinsh MR, Pittman JK. (2009) Shaping the calcium signature. New Phytol. 181(2):275-94.

Alonso MT and Garcia-Sancho J. (2011) Nuclear Ca2+Signalling. Cell Calcium 49:280-289

Identifier les complexes protéiques membranaires générant les signaux calcium.

Contacts :  Malick Mbengue, Sabine Grat-Simeone, Eugénie Robe, et Jean-Philippe Galaud

La reconnaissance d’agents pathogènes via des récepteurs présents à la surface des cellules végétales – récepteurs kinases (RLK) – déclenche un influx de calcium à travers la membrane plasmique dans le cytosol et il est à présent bien établi que cette augmentation de calcium est à la base de nombreuses réponses de défense. Malgré son importance dans les mécanismes de signalisation cellulaire, les acteurs moléculaires qui génèrent et régulent cette augmentation de calcium restent encore mal connus. Nos hypothèses sont que la « machinerie calcique » ferait partie d’un complexe protéique incluant le récepteur comme le montre certaines descriptions de canaux calciques activés par des récepteurs dans les cellules animales. Nous cherchons à déterminer l’architecture d’un complexe de signalisation RLK pré- et post-activation puis à décrire le rôle des composants sélectionnés dans la génération de la signature calcique. Il s’agit d’un axe de recherche émergent dans notre groupe qui vise à mieux comprendre les événements de signalisation conduisant à l’activation des réponses de défense, tout en fournissant des informations mécanistiques sur la génération du signal calcique. À ce jour, Arabidopsis a été le modèle de choix pour de telles études, mais il devient de plus en plus évident qu’il souffre d’une redondance fonctionnelle qui peut freiner les études de génétique inverse. Aussi, nous utilisons l’hépatique Marchantia, un modèle récemment introduit dans notre laboratoire. Le génome de Marchantia montre une réduction du nombre de gènes liés à la signalisation cellulaire, ce qui renforce l’hypothèse selon laquelle cette espèce présente une redondance fonctionnelle réduite. Notre modèle de travail repose sur le récepteur de la chitine MpCERK1, l’homologue d’AtCERK1, un Lysin-Motif RLK (LysM-RLK) requis pour la perception de la chitine chez Arabidopsis. Des méthodes avec et sans a priori sont développées pour atteindre nos objectifs (ex. proximity-labelling et génétique inverse).

Senseurs calcium et stress environnementaux

Contacts : Didier Aldon, Sabine Grat-Simeone, Eugénie Robe, Jean-Philippe Galaud, Benoît Ranty

Le deuxième axe de recherche vise à mieux comprendre comment ces variations de calcium sont décodées, amplifiées et relayées à l’échelle cellulaire. Le décodage est effectué par des protéines relais, telles que la calmoduline (CaM) qui régulent l’activité des protéines cibles suite à la liaison au Ca2+. À l’aide d’approches moléculaires et génétiques, notre groupe a révélé l’importance des calmodulines et des protéines apparentées (calmodulines like ou CMLs) qui sont spécifiques aux plantes, dans les réponses au stress. Depuis plusieurs années, nous nous sommes principalement concentrés sur l’importance de la signalisation calcique en réponse aux stimuli biotiques. Récemment, grâce au projet ANR CaPPTure, nous étendons nos travaux à d’autres CMLs d’Arabidopsis et de Tomate pour évaluer leur contribution dans les processus de développement et de physiologie des plantes en relation avec des contraintes biotiques et abiotiques. Ces travaux s’inscrivent dans un objectif plus général qui est de mieux comprendre les réponses de défense des plantes aux pathogènes en fonction des changements des conditions environnementales telles que de légères variations de température. En effet, une légère augmentation de la température (3 à 5 ° C) affecte significativement la résistance des plantes aux bactéries, champignons, virus et insectes, mais les données restent fragmentaires. Bien que des travaux aient identifié des régulateurs de ces stress appliqués séparément, nos connaissances des mécanismes permettant aux plantes de répondre simultanément à de multiples attaques biotiques et abiotiques restent à explorer. Les CMLs et leurs cibles étant à la croisée des voies de signalisation biotiques et abiotiques, nos objectifs sont de déchiffrer et de comprendre leur contribution dans les réponses d’Arabidopsis et de la tomate aux bactéries phytopathogènes (R. solanacearum et P. syringae). Nous évaluons l’impact de la température sur les réponses induites par la signalisation calcique à ces pathogènes. Ces travaux bénéficieront de collaborations en cours avec R. Berthomé (LIPM, Toulouse), C. Lurin et A. Bendahmane, (IPS2, Paris) pour des études d’interactions plantes-bactéries, pour l’identification de cibles des CMLs (Arabidopsis-Yeast two-hybrid platform) et pour l’identification et la génération de mutants de tomate par les technologies Tilling et CrispR-Cas9. Ce projet répond également aux objectifs du Labex « TULIP » en révélant l’importance de la signalisation calcique et des effets de l’environnement sur les interactions plante-microorganisme.

Globalement, notre projet d’équipe vise à mieux caractériser les réseaux de régulation associés aux voies de signalisation du calcium chez les plantes. Le projet sera développé en utilisant différents modèles de plantes pour répondre à la fois (i) aux questions fondamentales soulevées et (ii) à transférer les résultats acquis aux plantes d’intérêt agronomique.

Collaborations :

Projet ANR CaPPTure* (2018-2021) en collaboration avec :

*Projet labellisé par le GIS BV et le Pôle de Compétitivité AGRI SUD-OUEST INNOVATION

Richard Berthomé, Toulouse, France : http://www6.toulouse.inra.fr/lipm/R…

Claire Lurin, Saclay, France : http://www.ips2.u-psud.fr

Abdel Bendhamane, Saclay, France : http://www.ips2.u-psud.fr

Autres : 

Xiaoyang Zhu, Guangzhou, South China Agricultural University, Chine

Wayne Snedden, Kingston, Canada. : https://sneddenlab.wordpress.com/research/

Axel Mithöfer, Iena, Allemagne : http://www.ice.mpg.de/ext/bioorgani…

Moez Hanin Sfax, Tunisie : http://www.cbs.rnrt.tn/

Participation au « réseau résistance des plantes » structuré par JB Morel et L Deslandes (Département SPE, INRA)

Membre du Groupement d’Intérêt Scientifique « Biotechnologies Vertes » (GIS BV)

Réseau Impact of ENvironment on plant immunity and pathogen VIrulencE (ENVIE)

Collaborations locales :

Projet FRAIB- Labex Tulip

Groupes de: S. Genin, L. Noel, et L. Deslandes.

Publications

2021

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2019

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Thèses

Thèses achevées

Ambroise Testard (2014-2017) Rôle de la glycéraldéhyde 3-phosphate déshydrogénase nucléaire lors de mise en place de la mort cellulaire induite par les sphingolipides chez les végétaux.

Manon Perez(2014-2017) Analyse de la contribution de PRR2, un facteur de transcription de type GARP, dans la physiologie des plantes.

Mélanie Ormancey (2016) Signalisation calcique et protéines 14-3-3s dans la mort cellulaire induite par les sphingolipides chez les végétaux.

Xiaoyang Zhu (2016) Contribution de CML8 et CML11, deux « Calmodulin-like proteins » d’Arabidopsis thaliana dans les réponses aux stress.

Mouna Ghorbel (2015) Signalisation calcique et tolérance du blé aux stress abiotiques : rôles des calmodulines dans la modulation d’une MAPK Phosphatase (TMKP1). Thèse en co-tutelle (JP Galaud et M Hanin, Sfax, Tunisie)

Cécilia Cheval (2013) Contribution d’une « Calmodulin-like protein » CML9, et de son partenaire, le facteur de transcription de type GARP PRR2, à la mise en place des réactions de défense chez Arabidopsis thaliana.

Elsa Prigent (2013) Les protéines 14-3-3 et leurs cibles dans la voie de signalisation conduisant à la mort cellulaire programmée en réponse aux sphingolipides : régulation par le calcium.

Louis-Jérôme Leba (2011) Contribution d’AtCML9 aux réactions de défense mises en place en réponse à des stress biotiques chez Arabidopsis thaliana.

Daniel Da Silva (2011) Rôle du compartiment nucléaire dans la signalisation conduisant à la mort cellulaire en réponse aux sphingolipides chez des cellules de tabac BY2.

Yann Aubert (2011) Analyse fonctionnelle de deux protéines de liaison au calcium (AtCML9 et RD20) dans les réponses aux contraintes hydriques chez Arabidopsis thaliana.

Nicolas Amelot (2010) Couplage entre signalisation calcique et modulation du transcriptome en réponse à la cryptogéine chez le tabac. (en co-direction avec l’équipe « Régulation transcriptionnelle »).

Christophe Lachaud (2010) Mort cellulaire induite par les sphingolipides et signalisation calcique chez les végétaux.

Alexandre Perochon (2010) Signalisation calcium chez les plantes : Identification et caractérisation de partenaires de CML9, une protéine réceptrice des signaux calciques, impliquée dans les réponses aux stress de l’environnement chez Arabidopsis thaliana.

Fabienne Magnan (2007) Analyse fonctionnelle d’une protéine de type calmoduline d’Arabidopsis thaliana (AtCML9). Rôle dans les réponses des plantes aux contraintes de l’environnement.

Tou-Cheu Xiong (2005) Le noyau de la cellule végétale est-il autonome en matière de signalisation calcique ?

Elian Perruc (2004) Signalisation calcium chez les végétaux : Caractérisation d’une protéine affine à la calmoduline impliquée dans les réponses aux contraintes de l’environnement.

Frédéric Masclaux (2004) Analyse fonctionnelle d’une famille de protéines membranaires (AtBP-80) chez Arabidopsis thaliana : Recherche, obtention et caractérisation de mutants.

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