Comment les plantes s'adaptent rapidement aux conditions environnementales changeantes

Comment les plantes s'adaptent rapidement aux conditions environnementales changeantes

Les scientifiques de Salk découvrent que l'ombre de la canopée provenant de plantes concurrentes déclenche des changements cellulaires en seulement cinq minutes.

LA JOLLA — Les scientifiques et les jardiniers savent depuis longtemps que les plantes poussent plus haut et fleurissent plus tôt lorsqu'elles sont à l'ombre de leurs voisines. Aujourd'hui, pour la première fois, des chercheurs du Salk Institute ont démontré en détail le fonctionnement interne de ce processus.

L'étude, publiée le 17 juin 2021 dans Nature Genetics, offre une nouvelle compréhension de la façon dont l'activité génétique dirige la croissance des plantes et de la rapidité avec laquelle elles réagissent à leur environnement – les variations de luminosité déclenchant des changements moléculaires en seulement cinq minutes. Ces résultats permettent d'améliorer les rendements et de préserver la production alimentaire mondiale, alors que le changement climatique réduit les terres arables de la planète.

« Cet article montre, en haute résolution, comment les plantes réagissent aux changements environnementaux subtils au niveau cellulaire », explique l'auteur co-correspondant. Joanne chory, directeur du Laboratoire de biologie moléculaire et cellulaire végétale de Salk, chercheur à l'Institut médical Howard Hughes et titulaire de la chaire Howard H. et Maryam R. Newman en biologie végétale. « Les travaux révélant comment les plantes peuvent s'adapter à des stress environnementaux plus importants seront essentiels à mesure que les effets du changement climatique s'intensifient. »

Les plantes à l'ombre poussent plus vite et plus haut pour percer la canopée et atteindre plus de lumière. Parallèlement, ces conditions de croissance ombragées les incitent à fleurir et à produire des graines plus tôt que d'habitude, afin de supplanter les autres plantes. Ces réactions peuvent être bénéfiques pour les fleurs sauvages poussant dans une prairie, mais dans les exploitations agricoles, elles peuvent réduire la production et donner des récoltes amères et de mauvaise qualité – comme le sait tout jardinier dont la laitue est montée en graines.

Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont examiné le rôle de facteurs de transcription spécifiques dans l'activation de cette réponse de croissance. Les facteurs de transcription sont des protéines qui activent ou désactivent les gènes en se liant à l'ADN.

L'équipe a travaillé sur des semis mutants dépourvus de facteurs de transcription appelés PIF (PHYTOCHROME-INTERACTING FACTORs). Cultivés dans un environnement simulant l'ombre, les plants dépourvus de certains PIF ne se sont pas allongés ni n'ont accéléré leur croissance, mais ont continué à pousser normalement, comme en plein soleil. Le laboratoire Chory avait précédemment démontré que le PIF7 joue le rôle le plus important dans la régulation de la croissance induite par l'ombre.

Les chercheurs ont ensuite examiné de plus près le rôle des histones dans ce processus, en particulier la variante d'histone H2A.Z. Les histones sont des protéines qui agissent comme des bobines pour les brins d'ADN. Lorsque les histones sont échangées ou modifiées, elles peuvent activer ou inhiber certains gènes.

Les scientifiques ont découvert que l'ombre de la canopée entraînait l'élimination de l'histone H2A.Z au niveau des gènes régulateurs de croissance grâce à la liaison à l'ADN de PIF7, ce qui activait à son tour leur expression.

En utilisant des intervalles de temps très courts pour leurs expériences, les chercheurs ont découvert que PIF7 s'active, lie ses gènes cibles et initie l'élimination de H2A.Z, le tout dans les 5 premières minutes où la plante subit l'ombre de la canopée.

« Notre étude décrit une nouvelle étape vers une compréhension mécaniste de la façon dont les plantes modifient leur expression génétique en réponse à un environnement changeant », déclare l'auteur co-correspondant. Joseph Ecker, chercheur au Howard Hughes Medical Institute et professeur au laboratoire d'analyse génomique de Salk.

Des études antérieures avaient identifié les PIF et H2A.Z comme jouant un rôle important dans les réponses des plantes exposées à des températures élevées ; cependant, le moment des événements n'était pas connu, note le co-auteur Björn Willige, spécialiste de recherche au Howard Hughes Medical Institute dans le laboratoire Chory.

« Notre étude révèle le mécanisme en détail et démontre également la rapidité de la réponse. Nous avons constaté que lorsque PIF7 est actif, il se lie à l'ADN. Nos données indiquent que cela entraîne l'élimination de H2A.Z de l'ADN. Ensuite, les gènes sont activés, ce qui induit une croissance qui surpasse les plantes voisines », explique Willige.

La rapidité du processus était inattendue, explique le co-auteur Mark Zander, professeur adjoint à l'Institut Waksman de microbiologie de l'Université Rutgers. Il a constaté qu'en plus de déclencher la réponse au stress en cinq minutes, le paysage histonique se rétablissait rapidement une fois l'ombre retirée.

« Lorsque nous avons retiré l'ombre, les niveaux de H2A.Z au niveau des gènes cibles de PIF7 sont revenus à la normale en 30 minutes », explique-t-il. « J'ai été surpris par le dynamisme du processus, qui est à la base de l'élégance de notre étude. »

Les PIF jouent un rôle important dans la croissance, le développement et la défense des plantes contre les ravageurs. L'équipe espère donc que ses résultats pourront être transposés à d'autres réponses végétales importantes pour les agriculteurs, notamment pour renforcer la résilience des plantes face au changement climatique. Initiative Exploiter les plantes cherche à contribuer à résoudre le changement climatique en optimisant la capacité naturelle des plantes à capturer et à stocker le carbone.

Les autres auteurs de l'étude étaient Chan Yul Yoo de l'Université d'État de l'Oklahoma ; Amy Phan, Renee M. Garza, Shelly A. Trigg, Yupeng He, Joseph Nery et Huaming Chen de Salk ; et Meng Chen de l'Université de Californie à Riverside.

La recherche a été soutenue par la National Science Foundation, le Département américain de l'énergie, la Fondation Gordon et Betty Moore, les National Institutes of Health, le Howard Hughes Medical Institute, l'Organisation européenne de biologie moléculaire, le Human Frontier Science Program et la Deutsche Forschungsgemeinschaft.

DOI: 10.1038/s41588-021-00882-3