Function of plasma membrane aquaporins in stomatal movements in Arabidopsis thaliana
Fonction des aquaporines de la membrane plasmique dans les mouvements stomatiques chez Arabidopsis thaliana
Résumé
Stomatal movements are mediated by drastic changes in guard cell volume. A role in these processes for water channel proteins named aquaporins has been proposed but not demonstrated. Transcriptome analyses have indicated that several plasma membrane aquaporins (PIPs) including AtPIP1;2 and AtPIP2;1 are expressed in Arabidopsis thaliana guard cells. In the present work, we investigated the function of these two aquaporins in stomatal movements. The stomata of pip1;2 and pip2;1 knock-out mutants showed a normal opening response to light and low CO2, a normal closing response to darkness and high CO2, but were almost insensitive to abscisic acid (ABA)-induced stomatal closure. A direct role of AtPIP1;2 and AtPIP2;1 in water transport was investigated by measurement of guard cell protoplast water permeability (Pf) under darkness, light and light with ABA. The Pf of pip2;1 guard cell protoplasts was significantly reduced, specifically in the presence of ABA. As extracellular hydrogen peroxyde (H2O2) production is essential for intracellular ABA signalling, we also investigated the possibility that AtPIP1;2 and AtPIP2;1 facilitate the diffusion of H2O2 through the guard cell plasma membrane. Time-dependent accumulation of reactive oxygen species in response to ABA was abolished in pip2;1 but not pip1;2 guard cells. In another type of approach, the regulation of the two aquaporins was investigated after production in the yeast Pichia pastoris and functional reconstitution in proteoliposomes. Structure-function analysis was achieved in the case of AtPIP2;1, showing that cytoplasmic residue His199 is involved in both divalent-cation- and proton-mediated gating. In contrast, mutation of Arg124 rendered AtPIP2;1 largely insensitive to calcium while remaining fully sensitive to protons. Over-expression of deregulated forms of AtPIP1;2 and AtPIP2;1 in pip1;2 and pip2;1, respectively, indicated that the gating regulation of these proteins may play an important role in their guard cells functions. Altogether, our results suggest that AtPIP2;1, and to a lesser extent AtPIP1;2, play important and distinct roles in water and H2O2 fluxes during ABA-induced stomatal closure in Arabidopsis thaliana.
Les mouvements stomatiques sont dus à des changements importants du volume des cellules de garde. Un rôle des canaux hydriques membranaires (aquaporines) dans ces processus a été proposé mais n'a jamais été démontré. Des analyses transcriptomiques indiquent que plusieurs aquaporines de la membrane plasmique (PIPs), dont AtPIP1;2 et AtPIP2;1, sont exprimées dans la cellule de garde. Dans ce travail, nous avons étudié la fonction de ces deux aquaporines dans les mouvements stomatiques. Les stomates des mutants d'insertion pip1;2 et pip2;1 montrent une ouverture normale à la lumière et aux faibles concentrations en CO2, une fermeture normale en réponse à l'obscurité et aux fortes concentrations en CO2, mais sont quasiment insensibles à la fermeture induite par l'ABA. Le rôle d'AtPIP1;2 et d'AtPIP2;1 dans le transport d'eau a été testé en mesurant la perméabilité hydrique de protoplastes (Pf) à l'obscurité, à la lumière ou à la lumière et en présence d'ABA. Le Pf des protoplastes de cellules de garde de pip2;1 est réduit de façon significative, spécifiquement en présence d'ABA. Comme la production extracellulaire de peroxyde d'hydrogène (H2O2) est essentielle pour la signalisation intracellulaire de l'ABA, nous avons également étudié la possibilité qu'AtPIP1;2 et AtPIP2;1 facilitent la diffusion de l'H2O2 à l'intérieur des cellules de garde en réponse à l'ABA. La cinétique d'accumulation d'espèces réactives de l'oxygène est abolie dans les cellules de garde chez pip2;1, mais pas chez pip1;2. Par ailleurs, dans d'autres types d'approches, nous avons étudié la régulation de ces deux aquaporines après production en levure Pichia pastoris et reconstitution fonctionnelle en protéoliposomes. Une analyse structure fonction a été réalisée avec succès pour AtPIP2;1. Elle montre que le résidu His199 est impliqué dans l'inhibition de l'activité de cette isoforme par les protons et les cations divalents. A l'inverse, le résidu Arg124 rend AtPIP2;1 complètement insensible au calcium, mais n'altère pas sa sensibilité aux protons. La surexpression de formes dérégulées d'AtPIP1;2 et d'AtPIP2;1 dans, respectivement, les mutants pip1;2 et pip2;1, indique que les régulations de l'activité intrinsèque de ces isoformes sont importantes pour leurs fonctions stomatiques. L'ensemble des résultats suggère qu'AtPIP1;2 et AtPIP2;1 ont des fonctions majeures et distinctes dans le transport d'eau et d'H2O2 lors de la fermeture stomatique induite par l'ABA chez Arabidopsis thaliana.