Un mécanocapteur moléculaire pour de vrai

Jul 31, 2023

Nature Microbiology volume 8, pages 1508-1519 (2023)Citer cet article

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Le champignon de la pyriculariose du riz, Magnaporthe oryzae, utilise une cellule infectieuse sous pression appelée appressorium pour enfoncer une cheville de pénétration rigide à travers la cuticule de la feuille. La vaste pression interne d’un apppressorium est très difficile à étudier, ce qui laisse incomplète notre compréhension de la mécanique cellulaire de l’infection des plantes. Ici, en utilisant l’imagerie par fluorescence à vie d’une mécanosonde moléculaire ciblant la membrane, nous quantifions les changements dans la tension membranaire chez M. oryzae. Nous montrons qu'une pression extrême dans l'apppressorium conduit à des hétérogénéités spatiales à grande échelle dans la mécanique des membranes, bien supérieures à celles observées auparavant dans n'importe quel type de cellule. En revanche, les mutants non pathogènes déficients en mélanine présentent une faible tension membranaire spatialement homogène. Le mutant capteur kinase ∆sln1 affiche une tension membranaire significativement plus élevée lors du gonflage de l'apppressorium, ce qui prouve que Sln1 contrôle la turgescence tout au long de l'infection de la plante. Cette technique non invasive d’imagerie de cellules vivantes fournit donc de nouvelles informations sur les énormes forces invasives déployées par les champignons pathogènes pour envahir leurs hôtes, offrant ainsi la possibilité de nouvelles stratégies d’intervention contre les maladies.

De nombreux pathogènes végétaux utilisent des cellules infectieuses spécialisées appelées apppressoria pour infecter leurs hôtes1,2,3. Les apppressoria facilitent l'entrée des agents pathogènes dans les tissus de l'hôte pour provoquer des maladies, et la célèbre expérience de la « feuille d'or » a démontré la capacité de certains apppressoria fongiques à perforer la surface de la feuille en utilisant la génération de force plutôt que l'activité enzymatique2,4. Apppressoria du champignon Magnaporthe oryzae (synonyme de Pyricularia oryzae)5—une menace majeure pour la sécurité alimentaire mondiale6,7,8—perce la surface dure des feuilles de riz et, fait remarquable, d'autres surfaces synthétiques dures en générant une turgescence allant jusqu'à 8,0 MPa (~40 fois la pression d'un pneu de voiture9). Cela génère une force à la base de l'apppressorium, mesurée chez un agent pathogène apparenté Colletotrichum graminicola à l'aide d'un guide d'onde optique, de 17 µN (réf. 10). En revanche, les pressions mesurées dans les hyphes fongiques ou oomycètes dépassent rarement 0,8 MPa (réf. 11). M. oryzae apppressoria possède une paroi cellulaire tapissée de mélanine, imperméable au glycérol, mais librement perméable à l'eau, qui pénètre rapidement dans la cellule, générant une pression hydrostatique. La mutation des gènes ALB1, RSY1 et BUF1 codant pour les enzymes biosynthétiques de la mélanine entraîne une perte de mélanisation de l'apppressorium, qui permet le mouvement des solutés et de l'eau à travers la paroi cellulaire de l'apppressorium, entraînant une perte de génération de turgescence et la capacité de provoquer des maladies12,13.

Mesurer directement la turgescence de l'appressorium s'est avéré difficile en raison de l'énorme pression générée, qui exclut l'utilisation de sondes de pression. Au lieu de cela, les chercheurs ont utilisé des méthodes indirectes telles que le test de cytorrhyse naissante, qui enregistre le taux d'effondrement cellulaire lorsque les apppressoria sont incubés dans des solutions hyperosmotiques9,14,15. Cependant, les mutants déficients en mélanine subissent une plasmolyse plutôt qu'un effondrement cellulaire lorsqu'ils sont exposés à des concentrations élevées de glycérol, limitant l'utilisation de ce test9,14. La sonde Flipper-TR, qui contient un fluorophore push-pull torsadé ciblé sur la membrane, est sensible aux forces mécaniques agissant sur la membrane plasmique. Des rapports antérieurs ont suggéré que la durée de vie de fluorescence de la sonde change de manière linéaire en fonction de la tension de la membrane plasmique dans les cellules de levure et de mammifères16. Chez M. oryzae, la sonde a été utilisée pour mesurer la tension de la membrane plasmique dans les hyphes de Guy11 et d'un mutant ∆vast1, qui affecte la signalisation TOR17 et est impliqué dans la réponse AMPc, l'intégrité cellulaire et le contrôle de l'autophagie. ,22. Mais, alors que la sonde suggère que le mutant ∆vast1 a augmenté la tension, les expériences ont été réalisées uniquement sur les hyphes23.

Ici, nous avons cherché à explorer si nous pouvions visualiser directement la génération de turgescence dans les apppressoria. Récemment, un ensemble de rotors moléculaires chimiquement modifiés a été développé pour produire des cartes complètes de microviscosité des cellules et des tissus du cytosol, de la vacuole, de la membrane plasmique et de la paroi des cellules végétales24. Ces rotors moléculaires à base de bore-dipyrrométhène sont rigidochromes, ce qui signifie que leur durée de vie en fluorescence dépend de la mécanique de leur environnement, comme la viscosité ou la tension de la membrane. La sonde membranaire plasmique N+-BDP a par exemple révélé des différences dans la mécanique membranaire entre la coiffe racinaire de la plante et le méristème. La microscopie d'imagerie par fluorescence à vie (FLIM) a révélé que le méristème végétal subit une croissance et une division cellulaire continues, entraînant une tension constante dans la membrane plasmique24. La tension augmente l'espacement entre les lipides, entraînant une réduction significative de la durée de vie du rotor membranaire par rapport aux membranes plasmiques détendues des cellules de la coiffe radiculaire . De plus, un examen plus approfondi de la membrane plasmique a révélé des microdomaines lipidiques distincts au sein d’une seule bicouche. De même, dans les poils absorbants, la durée de vie de la fluorescence était plus faible au niveau de la pointe en croissance (3,6 ± 0,8 ns), par rapport à la membrane plasmique des cellules épidermiques non en croissance (4,3 ± 0,6 ns). Le changement de durée de vie correspond à l’augmentation de la tension dans la pointe du poil absorbant en croissance, là où la courbure de la membrane est la plus grande. Les tests de plasmolyse sur les poils absorbants colorés au rotor ont confirmé la réactivité de la sonde aux changements de tension dans les tissus racinaires d'Arabidopsis, car la durée de vie de la fluorescence dans les pointes des poils absorbants a augmenté de manière significative lors de l'exposition à un stress hyperosmotique et à une baisse de la tension membranaire.