OPEN STOMATA3 - an ABC transporter implicated in ABA signalling, drought and light response

Mutants sensitive to progressive water deficit are characterized by excessive transpiration due to the failure of stomatal closure and can therefore be detected as cold plants (Fig. 1 blue) by remote infrared imaging (Merlot et al., 2002). Among the signalling mutants, three are collectively named open stomata (ost). The corresponding OST1 and OST2 genes encode an ABA-activated kinase and a P-type H+-ATPase, respectively (Mustilli et al., 2002; Merlot et al., 2007). The current work deals with OST3 which encodes an ATP-binding cassette (ABC) transporter. There are over 120 members of the ABC protein in the superfamily of Arabidopsis thaliana. Most of them are membrane-bound proteins that transport a diverse range of substances across the phospholipid bilayer. Characterisation of the mutant phenotype confirmed that ost3 transpires excessively (Fig. 1, 2). We have also shown that the ost3 mutations reduce seed dormancy (Fig. 3) but seed sensitivity to exogenous ABA seems unaffected (data not shown). The guard cells of ost3 are impaired in responses to ABA and light (Fig. 4), but are normal with respect to low level of CO2 which stimulates stomatal opening (data not shown). OST3 is expressed mainly in leaves, particularly in guard cells (Fig. 5), but it is low in root tissues. Transgenic expression of the OST3 protein fused to GFP in the ost3 mutant can rescue the phenotype and moreover, the fusion protein is targeted exclusively to the plasma membrane (Fig. 6) suggesting that it has a role in intercellular transport required for ABA signal perception. We found that OST3 interacts with OST2 (Fig. 8) and OST1 (Fig. 8 + 9). The last observation is also consistent with the fact that OST3 can be phosphorylated by OST1 in vitro (Fig. 7). Therefore we suggest that the trio of proteins identified by our genetic screen may function in the same signalling complex in mediating stomatal response

A network of local and redundant gene regulation governs Arabidopsis seed maturation

In Arabidopsis thaliana, four major regulators (ABSCISIC ACID INSENSITIVE3 [ABI3], FUSCA3 [FUS3], LEAFY COTYLEDON1 [LEC1], and LEC2) control most aspects of seed maturation, such as accumulation of storage compounds, cotyledon identity, acquisition of desiccation tolerance, and dormancy. The molecular basis for complex genetic interactions among these regulators is poorly understood. By analyzing ABI3 and FUS3 expression in various single, double, and triple maturation mutants, we have identified multiple regulatory links among all four genes. We found that one of the major roles of LEC2 was to upregulate FUS3 and ABI3. The lec2 mutation is responsible for a dramatic decrease in ABI3 and FUS3 expression, and most lec2 phenotypes can be rescued by ABI3 or FUS3 constitutive expression. In addition, ABI3 and FUS3 positively regulate themselves and each other, thereby forming feedback loops essential for their sustained and uniform expression in the embryo. Finally, LEC1 also positively regulates ABI3 and FUS3 in the cotyledons. Most of the genetic controls discovered were found to be local and redundant, explaining why they had previously been overlooked. This works establishes a genetic framework for seed maturation, organizing the key regulators of this process into a hierarchical network. In addition, it offers a molecular explanation for the puzzling variable features of lec2 mutant embryos

Mécanisme moléculaire d’action de l’acide abscissique en réponse à la sécheresse chez les végétaux

La consommation d’eau douce dans les pays les plus développés est aux alentours de 200 à 700 litres par habitant et par jour, dont environ 70 % seraient destinés aux besoins agricoles. Contrairement à d’autres ressources naturelles (comme les différentes formes d’énergie), l’eau n’a pas de produit de substitution. Au cours des dernières années, un énorme chemin a été parcouru concernant notre compréhension de la perception de l’acide abscissique (ABA), une phytohormone qui régule la majorité des réponses adaptatives au déficit hydrique. Face à des conditions environnementales toujours plus contraignantes, notre état de connaissance actuel sur la signalisation de l’ABA est-il suffisant pour assurer le maintien de la productivité des plantes de grande culture tout en consommant moins d’eau ? Cette question suscite des réflexions autant scientifiques que politiques. Bien que l’ABA soit historiquement considéré comme une phytohormone depuis 1960, elle a été redécouverte dans les années 1980 chez de nombreux organismes (éponges de mer, certains parasites, hydres, etc.), dont l’Homme. De manière étonnante, l’ABA présente des propriétés anti-inflammatoires et antivirales. De plus, les gènes homologues codant les récepteurs et les principaux intermédiaires de la signalisation sont conservés, ce qui suggère que les connaissances issues des études utilisant la plante comme modèle seraient applicables à d’autres organismes. La teneur en ABA pourrait atteindre un niveau 10 à 30 fois supérieur à la normale chez des plantes soumises à un stress hydrique; l’ABA agit alors comme un déclencheur de diverses voies d’adaptation permettant à la plante de mieux résister au stress hydrique. Un modèle expérimental qui se prête particulièrement bien à l’étude de la complexité de l’action de l’ABA est la fermeture des stomates, une réponse physiologique mise en place par les végétaux supérieurs pour limiter la perte d’eau par transpiration. Les stomates sont de petits pores à la surface des feuilles. Chaque pore est entouré par une paire de cellules oblongues et légèrement courbées (en forme de rein), appelées cellules de garde, dont les mouvements contrôlent son degré d’ouverture. L’essor de la recherche sur les rôles physiologiques joués par l’ABA au cours du développement de la plante (notamment sur l’abscission des fruits et la dormance des bourgeons) a débuté dans les années 1960, et a abouti en 2009 à l’identification d’une famille de récepteurs cytosoliques de l’hormone. Cette découverte a été suivie très rapidement par la reconstitution de plusieurs cascades de transduction signalétiques ABA-dépendantes in vitro. De nombreuses études ont été réalisées sur les structures cristallines des protéines appartenant au complexe cœur de la signalisation par l’ABA (un récepteur, une phosphatase et une kinase), prises individuellement ou en combinaison, en complexe ou non avec l’ABA. Ces études laissent entrevoir la possibilité de concevoir des agonistes et antagonistes de l’hormone afin de permettre aux végétaux de mieux s’adapter au stress hydrique. Cette revue retracera le progrès extraordinaire qui a permis d’éclairer la façon dont l’ABA agit sur les transports à travers la membrane plasmique, aboutissant à la fermeture des stomates pour limiter la transpiration

Constitutive activation of a plasma membrane H+-ATPase prevents abscisic acid-mediated stomatal closure

Light activates proton (H+)-ATPases in guard cells, to drive hyperpolarization of the plasma membrane to initiate stomatal opening, allowing diffusion of ambient CO2 to photosynthetic tissues. Light to darkness transition, high CO2 levels and the stress hormone abscisic acid (ABA) promote stomatal closing. The overall H+-ATPase activity is diminished by ABA treatments, but the significance of this phenomenon in relationship to stomatal closure is still debated. We report two dominant mutations in the OPEN STOMATA2 (OST2) locus of Arabidopsis that completely abolish stomatal response to ABA, but importantly, to a much lesser extent the responses to CO2 and darkness. The OST2 gene encodes the major plasma membrane H+-ATPase AHA1, and both mutations cause constitutive activity of this pump, leading to necrotic lesions. H+-ATPases have been traditionally assumed to be general endpoints of all signaling pathways affecting membrane polarization and transport. Our results provide evidence that AHA1 is a distinct component of an ABA-directed signaling pathway, and that dynamic downregulation of this pump during drought is an essential step in membrane depolarization to initiate stomatal closure