Indoor horticulture offers a promising solution for sustainable food production and is becoming increasingly widespread. However, it incurs high energy and cost due to the use of artificial lighting such as high-pressure sodium lamps, fluorescent light or increasingly, the light-emitting diodes (LEDs). The energy efficiency and light quality of currently available lighting is suboptimal, therefore less than ideal for sustainable and cost-effective large-scale plant production. Here, we demonstrate the use of high-powered single-wavelength lasers for indoor horticulture. Lasers are highly energy-efficient and can be remotely guided to the site of plant growth, thus reducing on-site heat accumulation. Besides, laser beams can be tailored to match the absorption profiles of different plants. We have developed a prototype laser growth chamber and demonstrate that laser-grown plants can complete a full growth cycle from seed to seed with phenotypes resembling those of plants grown under LEDs. Importantly, the plants have lower expression of proteins diagnostic for light and radiation stress. The phenotypical, biochemical and proteomic data show that the singlewavelength laser light is suitable for plant growth and therefore, potentially able to unlock the advantages of this next generation lighting technology for highly energy-efficient horticulture. Furthermore, stomatal movement partly determines the plant productivity and stress management. Abscisic acid (ABA) induces stomatal closure by promoting net K+-efflux from guard cells through outwardrectifying K+ (K+ out) channels to regulate plant water homeostasis. Here, we show that the Arabidopsis thaliana guard cell outward-rectifying K+ (ATGORK) channel is a direct target for ABA in the regulation of stomatal aperture and hence gas exchange and transpiration. Addition of (±)-ABA, but not the biologically inactive (−)-isomer, increases K+ out channel activity in Vicia faba guard cell protoplast. A similar ABA-modulated K+ channel conductance was observed when ATGORK was heterologously expressed in human embryonic kidney 293 (HEK-293) cells. Alignment of ATGORK with known PYR/PYL/RCARs ABA receptors revealed that ATGORK harbors amino acid residues that are similar to those at the latchlike region of the ABA-binding sites. In ATGORK, the double mutations K559A and Y562A at the predicted ABA-interacting site impaired ABA-dependent channel activation and reduced the affinity for ABA in vitro.

Chez les végétaux supérieurs, la régulation des mouvements stomatiques permet de contrôler les échanges de CO2 et la montée de la sève brute tout en limitant les pertes excessives d'eau par transpiration. Ce contrôle est assuré par des variations rapides de la turgescence des deux cellules de garde formant le stomate dues à l'activité de nombreux canaux et transporteurs ioniques. Nous avons identifié un nouveau membre de la famille des CLC chez A. thaliana, AtCLC-c exprimé dans la cellule de garde. L'étude de l'expression d'AtCLC-c et du phénotype de mutants invalidés ont permis de démontrer son rôle dans l'ouverture stomatique à la lumière et la fermeture en réponse à l'ABA. Les mutants clcc accumulent moins d'ions Cl- dans leurs cellules de garde par rapport aux plantes sauvages et sont hypersensibles à un stress salin. Enfin, nous avons confirmé par des études d'électrophysiologie la sélectivité d'AtCLC-c aux ions Cl-. L'ensemble de ce travail montre l'importance du transporteur vacuolaire d'ions Cl- AtCLC-c dans les mouvements stomatiques et la tolérance au stress salin. / In plants, the high turgor is assured by ion transport and involves the creation and maintenance of a large vacuolar volume. In recent years, various chloride channels and transporters have been identified to be involved in specific functions such as plant nutrition, stomatal movements or metal tolerance. We have characterized a new member of the CLC family in A. thaliana, AtCLC-c, highly expressed in guard cell and up-regulated by ABA and salt treatment in the whole plant. Knock-out mutants in AtCLC-c are impaired in light-induced stomatal opening and ABA-induced stomatal closing correlated to a large decrease in guard cell Cl- content. Furthermore, clcc mutants are hypersensitive to salt stress compared to wild-type. Finally, using electrophysiological studies, we demonstrated that AtCLC-c is selective to Cl-. Altogether, this work shows that AtCLC-c is a tonoplastic Cl- transporter involved in stomatal movements and salt tolerance.

Les mouvements stomatiques sont dus à des changements importants du volume des cellules de garde. Un rôle des canaux hydriques membranaires (aquaporines) dans ces processus a été proposé mais n'a jamais été démontré. Des analyses transcriptomiques indiquent que plusieurs aquaporines de la membrane plasmique (PIPs), dont AtPIP1;2 et AtPIP2;1, sont exprimées dans la cellule de garde. Dans ce travail, nous avons étudié la fonction de ces deux aquaporines dans les mouvements stomatiques. Les stomates des mutants d'insertion pip1;2 et pip2;1 montrent une ouverture normale à la lumière et aux faibles concentrations en CO2, une fermeture normale en réponse à l'obscurité et aux fortes concentrations en CO2, mais sont quasiment insensibles à la fermeture induite par l'ABA. Le rôle d'AtPIP1;2 et d'AtPIP2;1 dans le transport d'eau a été testé en mesurant la perméabilité hydrique de protoplastes (Pf) à l'obscurité, à la lumière ou à la lumière et en présence d'ABA. Le Pf des protoplastes de cellules de garde de pip2;1 est réduit de façon significative, spécifiquement en présence d'ABA. Comme la production extracellulaire de peroxyde d'hydrogène (H2O2) est essentielle pour la signalisation intracellulaire de l'ABA, nous avons également étudié la possibilité qu'AtPIP1;2 et AtPIP2;1 facilitent la diffusion de l'H2O2 à l'intérieur des cellules de garde en réponse à l'ABA. La cinétique d'accumulation d'espèces réactives de l'oxygène est abolie dans les cellules de garde chez pip2;1, mais pas chez pip1;2. Par ailleurs, dans d'autres types d'approches, nous avons étudié la régulation de ces deux aquaporines après production en levure Pichia pastoris et reconstitution fonctionnelle en protéoliposomes. Une analyse structure fonction a été réalisée avec succès pour AtPIP2;1. Elle montre que le résidu His199 est impliqué dans l'inhibition de l'activité de cette isoforme par les protons et les cations divalents. A l'inverse, le résidu Arg124 rend AtPIP2;1 complètement insensible au calcium, mais n'altère pas sa sensibilité aux protons. La surexpression de formes dérégulées d'AtPIP1;2 et d'AtPIP2;1 dans, respectivement, les mutants pip1;2 et pip2;1, indique que les régulations de l'activité intrinsèque de ces isoformes sont importantes pour leurs fonctions stomatiques. L'ensemble des résultats suggère qu'AtPIP1;2 et AtPIP2;1 ont des fonctions majeures et distinctes dans le transport d'eau et d'H2O2 lors de la fermeture stomatique induite par l'ABA chez Arabidopsis thaliana. / Stomatal movements are mediated by drastic changes in guard cell volume. A role in these processes for water channel proteins named aquaporins has been proposed but not demonstrated. Transcriptome analyses have indicated that several plasma membrane aquaporins (PIPs) including AtPIP1;2 and AtPIP2;1 are expressed in Arabidopsis thaliana guard cells. In the present work, we investigated the function of these two aquaporins in stomatal movements. The stomata of pip1;2 and pip2;1 knock-out mutants showed a normal opening response to light and low CO2, a normal closing response to darkness and high CO2, but were almost insensitive to abscisic acid (ABA)-induced stomatal closure. A direct role of AtPIP1;2 and AtPIP2;1 in water transport was investigated by measurement of guard cell protoplast water permeability (Pf) under darkness, light and light with ABA. The Pf of pip2;1 guard cell protoplasts was significantly reduced, specifically in the presence of ABA. As extracellular hydrogen peroxyde (H2O2) production is essential for intracellular ABA signalling, we also investigated the possibility that AtPIP1;2 and AtPIP2;1 facilitate the diffusion of H2O2 through the guard cell plasma membrane. Time-dependent accumulation of reactive oxygen species in response to ABA was abolished in pip2;1 but not pip1;2 guard cells. In another type of approach, the regulation of the two aquaporins was investigated after production in the yeast Pichia pastoris and functional reconstitution in proteoliposomes. Structure-function analysis was achieved in the case of AtPIP2;1, showing that cytoplasmic residue His199 is involved in both divalent-cation- and proton-mediated gating. In contrast, mutation of Arg124 rendered AtPIP2;1 largely insensitive to calcium while remaining fully sensitive to protons. Over-expression of deregulated forms of AtPIP1;2 and AtPIP2;1 in pip1;2 and pip2;1, respectively, indicated that the gating regulation of these proteins may play an important role in their guard cells functions. Altogether, our results suggest that AtPIP2;1, and to a lesser extent AtPIP1;2, play important and distinct roles in water and H2O2 fluxes during ABA-induced stomatal closure in Arabidopsis thaliana.

Sur l’épiderme des feuilles des végétaux supérieurs, se trouvent des pores appelés stomates et composés de deux cellules spécialisées, les cellules de garde. La régulation des mouvements stomatiques en réponse aux signaux de l’environnement permet le contrôle des échanges gazeux de la plante avec l’atmosphère. Ces mouvements sont dus à des variations rapides de la turgescence des cellules de garde. Les H+-ATPases sont des pompes à protons situées sur la membrane plasmique des cellules des végétaux. En excrétant les ions H+ dans l’apoplasme, ces protéines génèrent une force protomotrice capable de fournir l’énergie nécessaire à l’activation de canaux et transporteurs ioniques membranaires. Ce processus permet de contrôler la turgescence des cellules de garde. Des analyses d’expression nous ont permis d’identifier les trois isoformes d’H+-ATPases, AHA1, AHA2 et AHA5, exprimées dans la cellule de garde. Des études in silico nous ont révélé qu’en dépit d’une forte proximité génétique, ces trois protéines semblent être impliquées dans des voies de signalisation différentes. La caractérisation phénotypique d’une collection de mutants affectés dans l’expression de chacune des isoformes nous a permis de mettre en évidence qu’AHA1 est l’H+-ATPase spécifique de la réponse stomatique à la lumière bleue et que la perte d’expression de cette isoforme confère à la plante une croissance plus faible et une meilleure tolérance à la sécheresse que le sauvage. Enfin, nous avons confirmé par des études d’électrophysiologie et par l’élaboration de sondes fluorescentes pH-sensibles l’implication directe d’AHA1 dans la voie de signalisation de la lumière bleue dans la cellule de garde. / Stomata are pores laocated on high plant leaf epidermis and formed by two specialized guard cells. Stomatal movement regulation in response to environment allows the control plant-atmosphere gas exchanges. Stomatal movements are ruled by rapid turgor changes in guard cells. H+-ATPases are proton pomps expressed on plant cell plasma membrane. By extruding H+ in the apoplast, these proteins generate a protomotive force able to activate secondary ionic transporters and channels. This process leads to changes in ion homeostasy and in fine to turgor changes in the guard cell. Expression analyses allowed us to identify the three AHAs isoforms expressed in the guard cell : AHA1, AHA2 and AHA5. In silico study indicates that despite the high identity percentage between the three proteins, they seem involved in differents signalisation pathways. Phenotypic characterization of mutants impaired in the expression of each AHAs allowed us to conclude that AHA1 is specific for the blue light stomatal response. Furthermore, the lack of AHA1 leads to a lower growth and a better tolerance to drought stress of aha1 mutant compare to the wild type. Sugar metabolism studies in aha1 mutant gave us informations on the compensatory mecanism for stomatal opening in this mutant. Finally, we confirmed by electrophisiologcal studies and by fluorescent pH sensitive probes elaboration, the specific involvement of AHA1 in blue light signalisation pathway in the guard cell.

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