Les scientifiques pensent qu’il est probable que les deux gènes, PEN1 et SYP122, ont ouvert la voie à toute la vie végétale terrestre.
Des chercheurs apportent un nouvel éclairage sur la façon dont la vie végétale s’est établie à la surface de la Terre.
Des chercheurs de l’Université de Copenhague ont apporté un nouvel éclairage sur la façon dont la vie végétale s’est établie à la surface de notre planète. Ils ont notamment démontré que deux gènes sont essentiels pour que les plantes terrestres se protègent contre les attaques fongiques – un mécanisme de défense qui remonte à 470 millions d’années. Ces défenses ont très probablement ouvert la voie à toute la vie végétale terrestre.
Mads Eggert Nielsen, biologiste à l’Université de Copenhague.
Les plantes sont passées d’algues aquatiques à la capacité de survivre sur la terre ferme il y a environ un demi-milliard d’années, posant ainsi les bases de la vie sur terre. Les champignons ont été l’un des obstacles qui ont rendu cette transition dramatique si difficile :
“On estime que 100 millions d’années auparavant, les champignons ont rampé à la surface de la Terre à la recherche de nourriture et l’ont très probablement trouvée dans les algues mortes rejetées par la mer. Donc, si vous, en tant que nouvelle plante, deviez vous établir sur la terre et que la première chose que vous rencontriez était un champignon qui allait vous manger, il vous fallait une sorte de mécanisme de défense”, explique Mads Eggert Nielsen, biologiste au département des sciences végétales et environnementales de l’université de Copenhague.
Selon Mads Eggert Nielsen et ses collègues du Département des sciences végétales et environnementales et de l’Université Paris-Saclay, l’essence de ce mécanisme de défense peut être réduite à deux gènes, PEN1 et SYP122. Ensemble, ils contribuent à former une sorte de bouchon dans les plantes qui bloque l’invasion des champignons et des organismes de type fongique.
“Nous avons découvert que si nous détruisons ces deux gènes dans notre plante modèle, le thale cress (Arabidopsis), nous ouvrons la porte à la pénétration des champignons pathogènes. Nous avons découvert qu’ils sont essentiels pour former ce bouchon semblable à une paroi cellulaire qui se défend contre les champignons. Il est intéressant de noter qu’il semble s’agir d’un mécanisme de défense universel que l’on retrouve chez toutes les plantes terrestres”, explique Mads Eggert Nielsen, auteur principal de l’étude, qui est publiée dans le journal eLife.
Originaire d’une plante vieille de 470 millions d’années.
L’équipe de recherche a testé la même fonction dans l’hépatique, un descendant direct de l’une des toutes premières plantes terrestres de la Terre. En prenant les deux gènes correspondants dans l’hépatique et en les insérant dans le thale cress, les chercheurs ont examiné s’ils pouvaient identifier le même effet. La réponse a été positive.
Expériences sur la plante modèle qu’est le cresson de fontaine (Arabidopsis) Crédit : Mads Eggert Nielsen
“Même si les deux familles de plantes auxquelles appartiennent l’Arabidopsis et l’hépatique ont évolué dans des directions divergentes il y a 450 millions d’années, elles continuent à partager des fonctions génétiques. Nous pensons que cette famille de gènes est apparue dans le but unique de gérer ce mécanisme de défense et qu’elle a donc été l’un des fondements de l’établissement des plantes sur la terre ferme”, explique Mads Eggert Nielsen.
Une symbiose entre les plantes et les champignons
Si les champignons ont constitué un obstacle pour les plantes dans leur transition du stade d’algues marines à celui de plantes terrestres, ils ont également été une condition préalable. Dès que les plantes ont pu survivre aux attaques des champignons qui cherchaient à les dévorer sur terre, le problème suivant auquel elles ont été confrontées a été de trouver des nutriments, explique Mads Eggert Nielsen :
“Les nutriments dissous comme le phosphore et l’azote sont facilement accessibles aux plantes dans les environnements aquatiques. Mais il y a 500 millions d’années, le sol tel que nous le connaissons aujourd’hui n’existait pas – seulement les roches. Et les nutriments liés aux roches sont extrêmement difficiles à obtenir pour les plantes. Mais pas pour les champignons. D’autre part, les champignons ne peuvent pas produire de glucides – c’est pourquoi ils consomment des plantes. C’est là que serait apparue une relation symbiotique entre les plantes et les champignons, qui est ensuite devenue la base de l’explosion de la vie végétale terrestre au cours de cette période.”
Les structures de défense qui se forment dans une plante ne tuent ni la plante ni le champignon, elles empêchent simplement un champignon d’envahir la plante.
“Comme un champignon ne peut pénétrer que partiellement dans une plante, nous pensons qu’il existe un point de basculement où la plante et le champignon ont tous deux quelque chose à gagner. Par conséquent, il a été avantageux de maintenir la relation telle quelle. La théorie selon laquelle les plantes ont apprivoisé les champignons pour coloniser la terre n’est pas la nôtre, mais nous fournissons du fourrage qui soutient cette idée”, déclare Mads Eggert Nielsen.
Peut être appliqué en agriculture
Les nouveaux résultats ajoutentune pièce importante du puzzle de l’histoire de l’évolution des plantes. Plus important encore, elles pourraient être utilisées pour rendre les cultures plus résistantes aux attaques fongiques, ce qui constitue un problème majeur pour les agriculteurs.
“Si toutes les plantes se défendent de la même manière, cela doit signifier que les micro-organismes capables de provoquer des maladies – comme l’oïdium, la rouille jaune et la moisissure de la pomme de terre – ont trouvé un moyen de se faufiler, de désactiver ou d’échapper aux défenses de leurs plantes hôtes respectives. Nous voulons découvrir comment ils y parviennent. Nous essaierons ensuite de transférer les composants défensifs des plantes résistantes aux plantes malades et d’obtenir ainsi une résistance”, explique Mads Eggert Nielsen.
Mads Eggert Nielsen participe à un projet de recherche au département des sciences végétales et environnementales, dirigé par Hans Thordal-Christensen et soutenu par la Fondation Novo Nordisk, qui vise à rendre les cultures plus résistantes en identifiant les mécanismes de défense des plantes que les micro-organismes pathogènes tentent de neutraliser.
Faits supplémentaires
Les chercheurs ont longtemps supposé que les gènes PEN1 et SYP122 avaient une fonction particulière dans le passage des plantes de leur stade aquatique d’algues à celui de plantes terrestres, mais il n’y a pas eu de preuve concrète qu’ils étaient réellement une condition préalable aux capacités défensives des plantes.
Des études précédentes ont montré qu’en détruisant le gène PEN1, les plantes perdent leur capacité à se défendre contre les champignons de l’oïdium. En revanche, lorsqu’on détruit le gène SYP122, qui lui est étroitement lié, rien ne se passe. Les nouveaux résultats de la recherche démontrent qu’ensemble, les deux gènes constituent une clé importante dans le mécanisme de défense de la plante.
Référence : “Plant SYP12 syntaxins mediate an evolutionarily conserved general immunity to filamentous pathogens” par Hector M Rubiato, Mengqi Liu, Richard J O’Connell et Mads E Nielsen, 4 février 2022, eLife.
DOI : 10.7554/eLife.73487
