28 février 2010
LA JOLLA, CA — La première tâche de tout embryon végétal est de déterminer quelle extrémité produit la pousse et laquelle produit les racines. Des chercheurs du Salk Institute dévoilent aujourd'hui les conflits de pouvoir entre deux groupes de commutateurs génétiques antagonistes qui établissent l'axe polaire d'une plante, avec une racine à une extrémité et une pousse à l'autre.
« Ce qui est sans doute la décision la plus importante pour une plante, la mise en place de l'axe racine/pousse, se produit pendant les premiers stades embryonnaires », explique l'auteur principal de l'étude. Jeffrey A. Long, Ph.D., professeur adjoint au Laboratoire de biologie moléculaire et cellulaire végétale. « Un équilibre étroitement contrôlé entre deux groupes de facteurs de transcription garantit qu'ils restent à leur place et ne se gênent pas. »
Au cours de l'embryogenèse végétale, les microARN, marqués en vert, jouent un rôle important dans la chorégraphie minutieuse qui détermine ce qui monte et ce qui descend. Ils garantissent que les gènes HD-ZIP III ne s'expriment que dans le méristème de la pousse, qui donne naissance à toutes les parties aériennes de la plante.
Image : Avec l'aimable autorisation de Zachary R. Smith, Salk Institute for Biological Studies
L'embryogenèse végétale établit une structure très simple qui contient deux populations de cellules souches : le méristème de la pousse, qui donnera naissance à tous les organes « aériens » tels que la tige, les feuilles et les fleurs, et est le site de la photosynthèse ; et le méristème racinaire, qui donne naissance au système racinaire, qui se trouve sous le sol et fournit de l'eau et des nutriments à la plante.
« Étant donné que les cellules souches végétales donnent naissance à toutes les parties comestibles des plantes, comprendre comment leur destin et leur fonction sont régulés peut être directement appliqué pour modifier l’architecture des plantes et augmenter les rendements des cultures importantes pour l’agriculture », explique Long.
Les résultats des chercheurs de Salk sont publiés dans l'édition préliminaire en ligne de la revue du 28 février 2010. Nature.
« Ces travaux montrent comment les gènes interagissent de manière complexe pour former des organes le long de l'axe racine-pousse », a déclaré Susan Haynes, Ph. D., responsable des subventions de biologie du développement à l'Institut national des sciences médicales générales du NIH. « L'étude révèle d'importants parallèles avec les réseaux génétiques qui coordonnent la formation des organes chez les embryons animaux et nous aide à comprendre les mécanismes essentiels qui guident le développement normal. »
En cherchant à comprendre pourquoi un gène TOPLESS défectueux perturbe l'architecture de base d'une plante (les embryons mutants se développent en un plant surmonté d'une seconde racine au lieu d'une tige avec des feuilles), Long et son équipe ont découvert des codes TOPLESS fonctionnels pour une protéine répressive qui inactive les gènes qui, autrement, provoqueraient le développement des racines dans la zone des pousses de la plante.
Dans l'étude actuelle, Zachery R. Smith, un étudiant diplômé du laboratoire de Long, a découvert que ces gènes transformateurs du destin sont en fait deux caractères familiers : les gènes PLETHORA 1 et 2 sont connus pour agir comme régulateurs principaux qui déterminent l'identité du méristème racinaire.
« Cependant, sans TOPLESS pour les maintenir désactivés, ces deux facteurs de transcription sont libres d'imposer leur volonté à la moitié supérieure de l'embryon de la plante, provoquant le développement d'une deuxième racine au lieu d'une pousse », explique Smith.
Une fois la hiérarchie « souterraine » établie, la question de l'identité du méristème de la pousse restait sans réponse. Pour tenter de découvrir les régulateurs principaux manquants du développement de la pousse, Smith a étudié des dizaines de milliers de plantes mutantes, jusqu'à ce qu'il trouve un facteur de transcription HD-ZIP de CLASSE III, connu sous le nom de PHABULOSA, qui correspondait parfaitement à ses critères.
Lorsque les chercheurs de Salk ont exprimé avec force des membres de la famille HD-ZIP de CLASSE III sur le territoire traditionnel du duo PLETHORA, la racine s'est transformée en pousse, donnant naissance à une plantule feuillée aux deux extrémités. « Bien que l'on sache que les HD-ZIP interviennent dans de nombreux aspects de la polarité végétale, personne n'avait jamais démontré qu'ils pouvaient transformer un pôle racinaire en pôle pousse », explique Long. « Cette expérience, ainsi que d'autres, ont montré que les gènes HD-ZIP III sont des régulateurs majeurs du destin apical au début de l'embryogenèse. »
D'autres études ont révélé une relation antagoniste entre les gènes PLETHORA et HD-ZIP III, tous deux soumis à de multiples modes de régulation qui assurent une distribution spatiale appropriée et une structure apicale-basale.
Le travail a été soutenu en partie par la Fondation Ray Thomas Edwards et les National Institutes of Health, NIGMS.
À propos de l'Institut Salk d'études biologiques
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Les réalisations de ses professeurs ont été récompensées par de nombreuses distinctions, dont des prix Nobel et des adhésions à l'Académie nationale des sciences. Fondé en 1960 par le Dr Jonas Salk, pionnier du vaccin contre la polio, l'Institut est une organisation indépendante à but non lucratif et un monument architectural.
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