Gros plan sur la rouille des tiges, causée par un champignon pathogène, sur le blé. Crédit : Photo de Yue Jin, avec l’aimable autorisation de l’USDA
Les résultats pourraient inspirer des efforts pour améliorer les rendements des cultures et lutter contre la faim dans le monde.
De nouveaux travaux menés par Kangmei Zhao et Sue Rhee de Carnegie révèlent un nouveau mécanisme par lequel les plantes sont capables d’activer rapidement les défenses contre les infections bactériennes. Cette compréhension pourrait inspirer des efforts pour améliorer les rendements des cultures et lutter contre la faim dans le monde.
« Comprendre comment les plantes réagissent aux environnements stressants est essentiel pour développer des stratégies visant à protéger d’importantes cultures vivrières et de biocarburants contre le changement climatique », a expliqué Rhee.
Publié dans eLife, de nouveaux travaux de Zhao et Rhee, avec Benjamin Jin de Carnegie et Deze Kong et Christina Smolke de l’Université de Stanford, ont étudié comment la production d’un composé de défense des plantes appelé camalexine est activée au niveau génétique.
“Parce que les plantes poussent dans un endroit fixe, elles ne peuvent pas fuir les prédateurs ou les agents pathogènes”, a expliqué Zhao. “Au lieu de cela, ils ont évolué pour produire des composés qui les aident à combattre les envahisseurs, entre autres fonctions.”
La camalexine, comme d’autres métabolites végétaux, est synthétisée par des protéines ouvrières spécialisées appelées enzymes qui remplissent de nombreuses fonctions fonctionnelles de la cellule. Lorsque la plante est soumise à un stress environnemental, elle active les gènes codant pour ces enzymes. Les chercheurs ont tenté d’élucider comment une cellule végétale peut rapidement démarrer la chaîne de production et répondre aux conditions ou menaces externes au bon moment.
Le matériel génétique d’une cellule code les recettes pour fabriquer ces enzymes productrices de camalexine et toutes les protéines dont la cellule pourrait avoir besoin pour mener à bien ses fonctions nécessaires dans diverses conditions à chaque étape de sa vie. C’est beaucoup d’informations. C’est pourquoi l’organisation du code génétique dans la cellule est si cruciale.
“Imaginez que le génome d’une cellule est une bibliothèque massive et que chaque gène est un livre, et chaque chromosome est une étagère extrêmement grande”, a déclaré Rhee. “La cellule dispose de différents mécanismes pour trouver rapidement le gène dont elle a besoin dans cette vaste gamme d’informations, afin qu’il puisse être transcrit et traduit pour fabriquer la protéine codée et répondre aux conditions environnementales, y compris les menaces et le stress.”
Ces stratégies comprennent l’ajout ou la suppression d’étiquettes ou de marques dans l’emballage de tous les gènes et du matériel associé, collectivement appelés chromatine, qui peuvent améliorer ou inhiber l’expression de gènes particuliers. Parfois, des éléments activateurs et répressifs sont présents simultanément, un phénomène appelé chromatine bivalente.
Zhao, Rhee et leurs collègues ont pu élucider l’existence d’un type de chromatine bivalente jamais caractérisé auparavant – ils l’ont appelé un kairostat, du grec « kairos », signifiant au bon moment, et « stat », signifiant dispositif—qui maintient la voie de biosynthèse de la camalexine inactive jusqu’à ce qu’il y ait un signal pathogène. Leurs résultats indiquent que les deux éléments sont nécessaires pour contrôler le bon moment de la réponse de la plante au stress externe.
« La camalexine et d’autres composés de défense sont souvent très coûteux et toxiques pour les plantes à fabriquer. Il est donc désavantageux pour les plantes d’en fabriquer tout le temps », a déclaré Zhao. « Les phytologues savent depuis longtemps que ces composés de défense sont fabriqués juste à temps lorsqu’une plante est attaquée par des parasites et des agents pathogènes. Nous avons maintenant une nouvelle maîtrise d’un mécanisme moléculaire qui permet ce timing précis de la production de camalexine. Cette découverte pourrait éclairer les stratégies de lutte contre le changement climatique et la faim dans le monde, ou même la synthèse de médicaments dérivés des plantes. »
Pour l’avenir, le groupe souhaite caractériser toutes les protéines impliquées dans l’établissement et l’élimination des marques épigénétiques afin d’identifier davantage de kairostats et de mieux comprendre leur rôle dans les réponses environnementales et d’autres fonctions des plantes.
Référence : « Une nouvelle chromatine bivalente s’associe à une induction rapide des gènes de biosynthèse de la camalexine en réponse à un signal pathogène dans Arabidopsis» par Kangmei Zhao, This Kong, Benjamin Jin, Christina D Smolke et Seung Yon Rhee, 15 septembre 2021, eLife.
DOI : 10.7554 / eLife.69508
Ce travail a été soutenu en partie par la Carnegie Institution for Science Endowment et des subventions de la National Science Foundation (IOS-1546838, IOS-1026003), le US Department of Energy, Office of Science, Office of Biological and Environmental Research, Genomic Science Program Grant nos. DE-SC0018277, DE-SC0008769 et DE-SC0020366, et les National Institutes of Health (1U01GM110699-01A1).
