The role of pectin metabolism in the control of cell wall pH and rheology
Le rôle du métabolisme des pectines dans le contrôle du pH et de la rhéologie de la paroi
Résumé
Pectin, a matrix component in the primary cell wall, plays a role in controlling cell wall porosity, cell elongation and cell adhesion and constitutes an important factor in plant development. The demethylesterification of homogalacturonan (HG), the most abundant pectic polymer, has vast consequences on the mechanical properties of the cell wall, and affects developmental processes such as stomata opening, organ initiation and anisotropic cell growth. HG is selectively demethylesterified in muro by pectin methylesterases (PME), which in turn can be inhibited by endogenous PME inhibitor proteins (PMEIs). Demethylesterified HG is thought to form Ca²⁺-pectate complexes, which contribute to wall stiffening, but recent evidence suggest that it can also promote cell wall loosening and expansion, through a so far unknown mechanism. In this study I addressed this paradox by investigating the link between pectin metabolism, cell wall pH and extensibility. To this end I developed and used genetic and pharmacological tools for the in vivo manipulation of PME activity. I generated inducible overexpression lines for two distinct PMEIs, which unfortunately were not functional. I also produced PMEI3 from Arabidopsis in a yeast and showed that the protein displayed an inhibiting activity on a broad range of PMEs. In addition, I developed and used tools to monitor the cell surface pH. In addition to using existing genetically-encoded ratiometric apoplastic pH sensors, I also tried to generate similar sensors targeted to the cell wall. Using these tools I then studied the impact of changes in pectin methylesterification on the cell wall pH and cell expansion. I discovered that a chemical inhibitor of PME, (-)-epigallocatechin gallate (EGCG), promoted an increase in apoplastic pH (pHApo) in root cells, independently from the inhibition of the H⁺-ATPase, and triggered root growth inhibition and abnormal cell shape. Exogenous PMEI3 application also inhibited root growth. In addition, PME application caused a decrease in pHApo and enhanced root growth. Interestingly, long-term induction of PMEI5 could reduce pHApo, consistent with the previously described activation of brassinosteroid signaling causing a compensatory increase in PME activity. Together, my study provides evidence that HG demethylesterification leads to a decrease in pHApo and an increase in cell growth in the Arabidopsis root. Our results support the view that the negatively charged pectate can sequester protons and thus may contribute to the activation of cell wall loosening proteins and cell growth.
La pectine, un composant de la matrice de la paroi primaire, joue un rôle dans le contrôle de la porosité de la paroi, l’élongation et l’adhésion cellulaire et est un facteur important dans le développement de la plante. Homogalacturonane (HG), le polymère pectique le plus abondant, est sécrété sous forme méthylestérifiée et ne porte donc peu ou pas de charges négatives. La déméthylestérification d’HG par des pectines méthylestérases (PMEs) expose ensuite des charges négatives et a des conséquences importantes sur les propriétés mécaniques de la paroi, affectant des processus physiologiques et développementaux comme l’ouverture des stomates, l’initiation d’organes et la croissance cellulaire anisotropique. De multiples PME existent (chez Arabidopsis thaliana) qui peuvent être inhibées par des « PME inhibitors » (PMEIs) endogènes. L’HG déméthylestérifiée peut former des liaisons Ca²⁺-pectate qui peuvent rigidifier la paroi, mais des études récentes montrent que la déméthylestérification de HG peut également promouvoir le relâchement de la paroi et l’expansion cellulaire à travers un mécanisme inconnu. Dans ma thèse j’ai adressé ce paradoxe en étudiant le lien entre le métabolisme des pectines, le pH et l’extensibilité de la paroi. À cette fin j’ai développé et utilisé des outils génétiques et pharmacologiques pour la manipulation in vivo de l’activité PME. J’ai généré des lignées permettant la surexpression inductible de deux PMEIs différents, mais qui malheureusement s’avéraient non fonctionnelles. J’ai produit PMEI3 dans une levure ce qui m’a permis de montrer que la protéine a une activité inhibitrice pH-dépendante sur un large éventail de PMEs. Par ailleurs, j’ai utilisé et développé des senseurs ratiométriques pour la mesure du pH à la surface de la cellule. En dehors des senseurs existants, j’ai aussi essayé d’adresser les mêmes biosenseurs à la paroi. À l’aide de ces outils, j’ai ensuite étudié l’impact de la modification de l’activité PME sur le pH et la croissance cellulaire. J’ai pu observer qu’un inhibiteur chimique de la PME, l’(-)-epigallocatechin gallate (EGCG) entraînait une augmentation du pH apoplastique (pHApo) dans la racine, et ceci indépendamment de la H⁺-ATPase ; une inhibition de la croissance et une perte de l’anisotropie des cellules. Par ailleurs, un traitement avec PMEI3 ralentissait la croissance et un apport de PME entraînait une réduction du pHApo et une augmentation de la croissance. Enfin, une induction de 24h de PMEI5 causait une réduction du pHApo, ce qui est en accord avec l’activation compensatoire d’autres PMEs suite à une signalisation liée eux brassinostéroide accrue décrit précédemment. En conclusion, nos résultats suggèrent que la démethylesterification des HG crée domaines anioniques qui peuvent séquestrer des protons ce qui pourrait activer localement des protéines qui stimulent le relâchement de la paroi avec un pH optimum acide entraînant une augmentation de la vitesse de croissance cellulaire.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
|---|