La méthode de transfert d'ADN présentée consiste à utiliser une seringue pour injecter une espèce spécifique de bactérie dans le stigmate du pétunia afin d'activer les gènes ciblés, puis à isoler les protéines résultantes. Crédit : Purdue Agricultural Communications photo/Tom Campbell
Un marqueur visuel dans les fleurs de pétunia met en lumière un processus peu connu.
Une équipe de recherche dirigée par l'Université Purdue a commencé à traduire le langage moléculaire complexe des pétunias. La grammaire et le vocabulaire de cette langue sont profondément cachés dans les innombrables protéines et autres composés qui peuplent les cellules des fleurs.
Étant enracinées dans le sol, les plantes ne peuvent pas fuir les insectes, les agents pathogènes ou toute autre menace pesant sur leur survie. Mais les phytologues savent depuis longtemps qu’ils s’envoient des avertissements via des produits chimiques odorants appelés composés organiques volatils.
« Ils utilisent des substances volatiles parce qu'ils ne peuvent pas parler », a déclaré Natalia Dudareva, professeur émérite de biochimie, d'horticulture et d'architecture paysagère à Purdue. « Les plantes informent les plantes voisines des attaques d’agents pathogènes. Cela ressemble presque à une vaccination. Dans des conditions normales, vous ne constatez aucun changement dans l’usine réceptrice. Mais dès qu’une plante réceptrice est infectée, elle réagit beaucoup plus rapidement. Il est prêt pour une réponse.
Les phytologues connaissent depuis longtemps ce phénomène semblable à celui d’une immunisation, mais jusqu’à il y a quelques années, ils n’avaient aucun moyen d’étudier le processus. Il leur fallait un marqueur montrant que les plantes avaient détecté les composés volatils.
Nouvelles découvertes dans la signalisation des usines
Dudareva et 13 co-auteurs décrivent de nouveaux détails du processus de détection dans un article récemment publié dans la revue Science. L'équipe comprend des chercheurs de Purdue, de l'Université Jean Monnet Saint-Etienne en France et de l'Université de Californie-Davis.
La doctorante Shannon Stirling du laboratoire de Natalia Dudareva transfère l'ADN dans un pétunia en utilisant une seringue pour injecter une bactérie dans le stigmate afin d'activer les gènes ciblés, puis en isolant les protéines résultantes. Crédit : Purdue Agricultural Communications photo/Tom Campbell
Les scientifiques savent peu de choses sur les récepteurs végétaux des substances volatiles. Les mammifères et les insectes en possèdent également, mais la façon dont ils perçoivent les substances volatiles est trop différente pour aider les chercheurs à étudier le processus chez les plantes, a déclaré Dudareva.
Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques de l'Université Purdue a documenté de nouveaux détails sur la façon dont les pétunias utilisent des composés organiques volatils pour communiquer.
Le rôle des substances volatiles dans la protection des végétaux
En 2019, dans la revue Nature Chimique Biologie, Dudareva et ses associés ont publié leur découverte d'un nouveau processus physiologique, « La fumigation naturelle comme mécanisme de transport des substances volatiles entre les organes floraux ». L'étude décrit comment les tubes floraux d'une plante produisent des composés volatils pour stériliser leur stigmate, la partie du pistil qui collecte le pollen, afin de se protéger contre les attaques d'agents pathogènes.
« Il y a beaucoup de sucres sur les stigmates, notamment chez les pétunias. Cela signifie que les bactéries se développeront très bien sans la présence de ces substances volatiles », a déclaré Dudareva. « Mais si le stigmate ne reçoit pas les substances volatiles produites par le tube, il est également plus petit. C'était une communication interorganique. Nous disposions désormais d’un bon marqueur – la taille de la stigmatisation – pour étudier ce processus de communication.
Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques de l'Université Purdue a documenté de nouveaux détails sur la façon dont les fleurs de pétunia utilisent des composés organiques volatils pour communiquer. Crédit : Purdue Agricultural Communications photo/Tom Campbell
Les mesures effectuées à partir de photographies ont montré des différences statistiques dans la taille du stigmate lors de l'exposition à des substances volatiles, a déclaré l'auteur principal de l'étude scientifique, Shannon Stirling, titulaire d'un doctorat. étudiant en horticulture et architecture paysagère à Purdue. « Vous pouvez voir qu’il s’agit d’une tendance constante », a-t-elle déclaré. « Une fois que vous avez examiné suffisamment de stigmates, vous pouvez voir à l'oeil nu qu'il y a une légère différence de taille. »
Une avancée dans la compréhension des réponses des plantes
Combinés à la manipulation génétique des protéines potentielles impliquées, les travaux ont révélé de manière surprenante qu'une voie de signalisation de type karrikine jouait un rôle clé dans la signalisation cellulaire du pétunia.
« Les Karrikins ne sont pas produits par les plantes », a déclaré Stirling. « Ils sont produits lorsque les plantes brûlent, et nos plantes n'ont jamais été exposées à la fumée ou au feu. »
L'équipe a également documenté l'importance de la voie de type karrikin dans la détection des sesquiterpènes volatils. De nombreuses plantes utilisent des sesquiterpènes pour communiquer avec d’autres plantes, entre autres fonctions.
Étonnamment, le récepteur karrikin identifié a montré la capacité de percevoir sélectivement la signalisation d’un type de composé sesquiterpénique mais pas son image miroir, un trait appelé « stéréospécificité ». Le récepteur semble être très sélectif du composé, a déclaré le co-auteur de l'étude Matthew Bergman, chercheur postdoctoral en biochimie à Purdue.
« La plante produit de nombreux composés volatils différents et est exposée à de nombreux autres composés », a déclaré Bergman. « Il est tout à fait remarquable de voir à quel point ce récepteur est sélectif et spécifique exclusivement pour le signal envoyé par les tubes. Une telle spécificité garantit qu’aucun autre signal volatil ne passe. Il n’y a pas de faux signal.
Défis méthodologiques et innovations
Pour Stirling, l’étude nécessitait de maîtriser une méthode minutieuse permettant de modifier temporairement les niveaux de protéines des pistils du pétunia afin d’identifier les interactions protéine-récepteur signal. « Les pistils et les stigmates sont petits. Il est un peu difficile de travailler avec eux en raison de leur taille », a-t-elle déclaré. « Même la quantité de stigmates dont vous avez besoin pour obtenir suffisamment d'échantillons pour quoi que ce soit est assez importante car ils ne pèsent pas beaucoup. »
Cette méthode consistait à injecter un certain espèces de bactérie dans le stigmate pour introduire des gènes ciblés, puis isoler les protéines résultantes.
« Ce n'est pas facile de manipuler un si petit orgue », a noté Bergman. «Mais Shannon a pu piquer doucement le stigmate avec une seringue et l'infiltrer si délicatement avec cette bactérie. Elle est plutôt experte dans ce domaine.
Les pétunias sont souvent de couleurs vives et sentent bon, mais les scientifiques de Purdue les apprécient également car ils constituent un système modèle fertile pour leurs recherches.
« Ils se sont révélés très fructueux jusqu'à présent », a déclaré Bergman.
