Le cuivre est un cofacteur essentiel dans la régulation des mécanismes d'oxydo-réduction, notamment au niveau du transfert des électrons de la chaîne photosynthétique (impliquant la plastocyanine) et la détoxification des radicaux superoxyde (via la Cu/Zn superoxyde dismutase). Cependant, lorsqu'il est présent en excès le cuivre peut devenir toxique. Aussi, des systèmes de transport permettent de réguler sa concentration dans les différents compartiments de la cellule.
Les connaissances actuelles sur les systèmes de transport impliqués dans les flux ioniques des chloroplastes sont très limitées.
Un transporteur de cuivre, appelé PAA1, a déjà été caractérisé dans l'enveloppe des chloroplastes et représente la voie principale d'import du cuivre nécessaire à la photosynthèse. C'est une ATPase de type P1B, appartenant à une famille de protéines impliquée dans le transport des métaux essentiels comme le cuivre, le zinc, le fer mais aussi dans le transport de métaux toxiques comme le plomb, le cadmium. Cependant, l'inactivation de ce transporteur n'empêche pas l'import du cuivre dans les chloroplastes. Il doit y avoir une autre voie d'entrée du cuivre dans le chloroplaste.
Des approches protéomiques développées sur l'enveloppe des chloroplastes d'Arabidopsis thaliana ont permis d'identifier un nouveau transporteur, il s'agit d'une autre ATPase de type P1B : HMA1. Son rôle effectif en tant que transporteur du cuivre a pu être confirmé par son expression dans la levure. Afin de mieux caractériser ses fonctions, des plantes dans lesquelles le gène codant pour HMA1 a été soit altéré soit surexprimé ont été réalisées. Les résultats ont montré que l'altération de cette ATPase réduit de moitié le contenu en cuivre des chloroplastes sans qu'aucune variation significative n'ait été trouvée pour les autres ions métalliques. De plus, la croissance de ces plantes est similaire à celle des plantes non modifiées. En revanche, ces mutants présentent une sensibilité à l'exposition lumineuse plus forte que les témoins se traduisant par un blanchiment partiel ou total des feuilles et ce phénotype n'est pas restauré pas l'ajout de cuivre dans le milieu.
Les deux systèmes utilisant le cuivre dans le chloroplaste ont alors été testé. Aucune variation de la plastocyanine n'a été observée, en revanche une forte diminution de l'activité superoxyde dismutase est mesurée en absence du transporteur HMA1.
Faible luminosité | |
Forte luminosité |
La forte intensité lumineuse conduit à une production excessive de radicaux libres non régulée par la superoxyde dismutase qui est diminuée dans les mutants dépourvus du transporteur HMA1, son activité devient alors limitante. Les pigments chlorophylliens sont alors détruits par cet excès de radicaux libres et conduisent alors à l'inhibition de la photosynthèse ce qui se traduit par un blanchiment total ou partiel des feuilles.
Ces résultats suggèrent que différents systèmes de transport du cuivre co-existent et permettent une régulation fine de ses voies d'import assurant ainsi le bon fonctionnement du chloroplaste et la réponse à certains stress oxydatifs. PAA1 serait la voie principale d'import du cuivre pour fournir notamment le cuivre nécessaire à la photosynthèse et HMA1 représenterait une voie alternative essentielle à la plante en condition de stress lumineux.