Ils révèlent le rôle clé du pH dans l’activation des mécanismes de résistance des plantes au manque de nutriments

Les plantes doivent maintenir des niveaux de potassium équilibrés pour assurer la stabilité de leurs cellules. Pour cela, ils absorbent ce nutriment du sol et le stockent à l’intérieur pour utiliser cette réserve en situation de stress hydrique ou nutritionnel. Aujourd’hui, une nouvelle étude montre le rôle essentiel du pH des plantes dans la détection des faibles niveaux de potassium et dans l’activation des protéines qui le récupèrent de la réserve intracellulaire.

Cette découverte permettra de réduire l’utilisation d’engrais et d’améliorer les performances des plantes en période de sécheresse.

La recherche a été réalisée par une équipe dirigée par Miguel Daniel-Mozo, de l’Institut Blas Cabrera de chimie physique (IQF), dépendant du Conseil supérieur de la recherche scientifique (CSIC) en Espagne.

Le potassium est un nutriment essentiel pour les plantes, car il régule leur statut hydrique et le fonctionnement des stomates (petits pores présents dans les tiges et les feuilles qui permettent l’échange de gaz et d’eau avec l’atmosphère). En fait, sa survie dépend de sa capacité à maintenir une concentration stable de potassium (K+) à l’intérieur. Cet équilibre est essentiel à la stabilité cellulaire, toute altération peut donc entraîner la mort cellulaire.

Les plantes absorbent avidement le potassium du sol et stockent l’excès dans un compartiment intracellulaire appelé vacuole. Il s’agit d’une sorte de sac géant que les cellules végétales contiennent à l’intérieur pour stocker de l’eau, des sels minéraux ou des substances de réserve, comme le potassium. « Lorsque le potassium dans le sol est faible, les plantes récupèrent ce qui est stocké dans la vacuole. Si ce processus n’apporte pas les niveaux de potassium nécessaires, les plantes ont besoin d’engrais », explique Armando Albert, chercheur à l’Institut de Chimie Physique Blas Cabrera.

Au sein de la plante, ce flux de potassium est régulé par des protéines de transport situées dans les membranes cellulaires et vacuolaires, qui sont activées ou désactivées selon leur disponibilité. « Notre objectif est de comprendre comment les cellules végétales détectent des niveaux suffisants de potassium pour réguler ces transporteurs dans la vacuole », précise Albert.

L’échange d’ions hydrogène (H+), dont la concentration détermine le pH de la plante, avec des ions potassium facilite le transport des nutriments à travers les membranes. Autrement dit, chaque ion potassium qui pénètre dans le cytosol (substance aqueuse qui entoure les organites et le noyau des cellules) libère un ion hydrogène à l’extérieur de la cellule. Dans le même temps, chaque ion potassium stocké dans la vacuole libère un ion hydrogène dans le cytosol. Lorsque les niveaux de potassium dans le sol sont faibles, le stockage vacuolaire s’arrête pour empêcher l’épuisement du potassium dans le cytosol et réduire l’accumulation d’ions hydrogène cytosoliques, c’est-à-dire le pH.

Le calcium, le deuxième messager ionique

Chez les plantes et les animaux, de nombreux processus d’équilibre ionique sont indirectement régulés par le calcium (Ca²⁺), qui agit comme un second messager. Cette fonction est due à des protéines spécifiques régulant l’activité des transporteurs dans les membranes cellulaires en détectant les changements dans les taux de calcium.

“Ce travail dévoile des aspects clés de la régulation de l’homéostasie du potassium chez les plantes et démontre que c’est le pH, et non le calcium, qui abrite l’information clé pour activer la réponse au manque de nutriments”, explique José Manuel Pardo, chercheur à l’Institut. de Biochimie Végétale et Photosynthèse (IBVF, centre commun du CSIC et de l’Université de Séville). Les résultats montrent la découverte d’une protéine liant le calcium, appelée CML18, qui, contrairement à la grande majorité de cette grande famille de protéines, sert de capteur moléculaire des niveaux d’ions hydrogène. “CML18 agit comme un interrupteur, lorsque le pH baisse (il y a plus d’ions H+ libres), CML18 interagit avec les ions hydrogène, et bloque alors la fonction des transporteurs de potassium, interrompant le courant de potassium vers la vacuole”, explique Albert. “Cela démontre pour la première fois que c’est le pH, et non le calcium comme on le pensait auparavant, qui relie la disponibilité du potassium aux actions du transporteur dans la membrane vacuolaire”, explique Pardo.

Les résultats de l’étude, ainsi que des recherches antérieures, montrent comment les niveaux de pH contrôlent le transport du potassium dans les plantes et fournissent des connaissances fondamentales pour développer de nouveaux outils biotechnologiques et améliorer les performances des plantes sous stress abiotique.

Les modifications des niveaux de potassium peuvent entraîner la mort des cellules végétales. (Photo : Incroyables/NCYT)

Recherche pour améliorer les rendements des cultures

Cette étude, fruit de la collaboration entre les chercheurs Pardo et Albert, jette des ponts entre la physiologie végétale et la biologie structurale pour offrir une vision complète du fonctionnement des transporteurs d’ions dans diverses conditions environnementales, ce qui est très prometteur pour l’innovation agricole.

Ces résultats sont liés à une ligne de recherche développée par Armando Albert, qui cherche à comprendre comment les plantes s’adaptent à des environnements difficiles. Preuve en est la méthode brevetée par le CSIC pour développer des médicaments permettant d’activer à volonté des mécanismes pour améliorer la résistance des plantes cultivées aux effets de la sécheresse.

Ces recherches sont complétées par les travaux de José Manuel Pardo, axés sur la compréhension des mécanismes qui régulent l’absorption et le transport des nutriments dans des conditions de stress. Ses recherches sur le potassium et d’autres ions essentiels influencent l’avancement des pratiques agricoles durables visant à améliorer la résilience des cultures.

« L’utilisation massive d’engrais entraîne la contamination de l’eau et des sols. De plus, lorsque le potassium s’infiltre dans les aquifères et les rivières qui se jettent dans les mers intérieures, comme la Mar Menor ou l’Albufera de Valencia, il contribue à l’eutrophisation, favorisant la croissance d’algues qui consomment de l’oxygène et nuisent à la vie des poissons qui y vivent. là-bas », explique Albert.

“Toutes ces connaissances biophysiques offrent aux sélectionneurs de plantes des outils précieux pour augmenter la résistance des plantes à la salinité et au stress hydrique, et ainsi minimiser la dépendance aux engrais”, concluent les chercheurs.

L’étude s’intitule « Les échangeurs vacuolaires K+/H+ et le CML18 de type calmoduline constituent un module de détection du pH qui régule le statut K+ chez Arabidopsis ». Et cela a été publié dans la revue académique Science Advances. (Source : SCCI)