Génétique de la tomate : un voyage inattendu dans un « univers parallèle »

Dans une nouvelle étude récemment publiée par Avancées scientifiquesdes chercheurs de la Michigan State University révèlent une révélation génétique inattendue sur les sucres présents dans le « goudron de tomate », mettant en lumière les mécanismes de défense des plantes et leurs applications potentielles dans la lutte antiparasitaire.

Le goudron de tomate, une nuisance familière des jardiniers passionnés, est la substance collante et noire d'or qui s'accroche aux mains après avoir touché la plante. Il s’avère que le caractère collant caractéristique de la substance joue un rôle important. Il est composé d'un type de sucre appelé sucre acylique qui agit comme un papier anti-mouches naturel pour les parasites potentiels. « Les plantes ont évolué pour produire de nombreux poisons étonnants et d'autres composés biologiquement actifs », a déclaré Robert Last, chercheur dans l'État du Michigan et responsable de l'étude. Le laboratoire Last est spécialisé dans les sucres acylés et les minuscules structures ressemblant à des cheveux où ils sont produits et stockés, appelées trichomes.

Dans une découverte surprenante, des chercheurs ont découvert des sucres acylés, autrefois considérés comme exclusivement présents dans les trichomes, également dans les racines de tomates. Cette découverte constitue une énigme génétique qui soulève autant de questions que d’idées.

L’objectif de l’étude MSU était de connaître les origines et la fonction de ces sucres acylés de racine. Ils ont découvert que non seulement les plants de tomates synthétisent des sucres acyles chimiquement uniques dans leurs racines et leurs trichomes, mais que ces sucres acyles sont produits par deux voies métaboliques parallèles. C’est l’équivalent de chaînes de montage dans une usine automobile fabriquant deux modèles différents de la même voiture, mais sans jamais interagir.

Dans le département de biochimie et de biologie moléculaire de l'État du Michigan, des plants de tomates sont cultivés pour les recherches du laboratoire Last sur la famille des plantes Solanaceae, également connues sous le nom de morelle. Les chercheurs ont analysé les différences chimiques uniques entre les racines et les pousses, qui contenaient toutes deux des sucres acylés. Crédit : Connor Yeck/MSU

Ces découvertes aident les scientifiques à mieux comprendre la résilience et l’histoire évolutive des solanacées, ou morelles, une famille tentaculaire de plantes qui comprend les tomates, les aubergines, les pommes de terre, les poivrons, le tabac et les pétunias.

Ils pourraient également fournir des informations précieuses aux chercheurs cherchant à transformer des molécules fabriquées par les plantes en composés utiles à l’humanité. « Des produits pharmaceutiques aux pesticides en passant par les crèmes solaires, de nombreuses petites molécules que les humains ont adaptées à différents usages proviennent de la course aux armements entre les plantes, les microbes et les insectes », a déclaré Last.

Racines et pousses

Au-delà des substances chimiques essentielles à la croissance, les plantes produisent également un trésor de composés qui jouent un rôle crucial dans les interactions environnementales. Ceux-ci peuvent attirer des pollinisateurs utiles et constituent la première ligne de défense contre les organismes nuisibles.

« Ce qui est remarquable à propos de ces métabolites spécialisés, c'est qu'ils sont généralement synthétisés dans des cellules et des tissus très précis », a déclaré Rachel Kerwin, chercheuse postdoctorale à MSU et première auteure du dernier article.

« Prenons par exemple les sucres acylés. Vous ne les trouverez pas produits dans les feuilles ou les tiges d’un plant de tomate. Ces métabolites de défense physiquement collants sont fabriqués directement à la pointe des trichomes.

Lorsqu'il a été rapporté que des sucres acylés pouvaient également être trouvés dans les racines de tomates, Kerwin a pris cela comme un appel à un travail de détective génétique à l'ancienne.

De gauche à droite : Jaynee Hart, Rachel Kerwin et Robert Last posent devant un équipement analytique du centre de spectrométrie de masse et de métabolomique de la Michigan State University. L’équipe de chercheurs a dévoilé un mystère évolutif et génétique chez les plants de tomates. Crédit : Connor Yeck/MSU

« La présence de ces sucres acyliques dans les racines était fascinante et suscitait de nombreuses questions. Comment est-ce arrivé, comment sont-ils fabriqués et sont-ils différents des sucres acyles de trichomes que nous avons étudiés ? »

Pour commencer à résoudre l'énigme de l'évolution, les membres du laboratoire ont collaboré avec des spécialistes du noyau de spectrométrie de masse et de métabolomique de MSU et avec le personnel de l'installation de résonance magnétique nucléaire Max T. Rogers.

En comparant les métabolites des racines et des pousses des plants de tomates, diverses différences sont apparues. La composition chimique de base des sucres acyles aériens et souterrains était sensiblement différente, à tel point qu’ils pouvaient être définis comme des classes entièrement différentes de sucres acyles.

Casser la voiture

Enfin, un professeur émérite de l'Université du Département de biochimie et de biologie moléculaire et du Département de biologie végétale du Collège des sciences naturelles de MSU, propose une analogie utile pour expliquer comment un généticien aborde la biologie. « Imaginez essayer de comprendre comment fonctionne une voiture en cassant un composant à la fois », a-t-il déclaré. « Si vous crevez les pneus d'une voiture et remarquez que le moteur tourne toujours, vous avez découvert un fait critique même si vous ne savez pas exactement ce que font les pneus. »

Remplacez les pièces automobiles par des gènes et vous obtenez une image plus claire du travail accompli par le laboratoire Last pour déchiffrer davantage le code des sucres acylés des racines.

En examinant les données publiques sur les séquences génétiques, Kerwin a remarqué que de nombreux gènes exprimés dans la production de sucre acylsucre de trichome de tomate avaient des parents proches dans les racines. Après avoir identifié une enzyme considérée comme la première étape de la biosynthèse du sucre acylique des racines, les chercheurs ont commencé à « casser la voiture ».

Lorsqu’ils ont éliminé le gène candidat du sucre acylsucre racinaire, la production de sucre acylsucre racinaire a disparu, laissant intacte la production de sucre acylsucre trichome.

Pendant ce temps, lorsque le gène du sucre acylsucre des trichomes, bien étudié, a été éliminé, la production de sucre acylsucre des racines s'est poursuivie comme d'habitude.

Ces résultats constituent une preuve frappante d’une suspicion de miroir métabolique.

« À côté de la voie aérienne du sucre acyl que nous étudions depuis des années, nous trouvons ici ce deuxième univers parallèle qui existe sous terre », a déclaré Last.

« Cela a confirmé que deux voies coexistent dans la même usine », a ajouté Kerwin.

Pour faire comprendre cette percée, Jaynee Hart, chercheuse postdoctorale et deuxième auteur du dernier article, a examiné de plus près les fonctions des enzymes des trichomes et des racines.

Tout comme les enzymes des trichomes et les sucres acyliques qu’elles produisent constituent une correspondance chimique bien étudiée, elle a également découvert un lien prometteur entre les enzymes des racines et les sucres acyliques des racines.

« L'étude des enzymes isolées est un outil puissant pour vérifier leur activité et tirer des conclusions sur leur rôle fonctionnel à l'intérieur de la cellule végétale », a expliqué Hart.

Ces découvertes constituent une preuve supplémentaire des voies métaboliques parallèles qui existent dans un seul plant de tomate.

« Les usines et les voitures sont si différentes, mais si semblables, que lorsque vous ouvrez le capot proverbial, vous prenez conscience de la multitude de pièces et de connexions qui les font fonctionner. Ce travail nous apporte de nouvelles connaissances sur l'une de ces parties des plants de tomates et incite à des recherches plus approfondies sur son évolution et sa fonction et sur la possibilité de l'utiliser d'autres manières », a déclaré Pankaj Jaiswal, directeur de programme à la National Science Foundation des États-Unis. qui a financé les travaux.

« Plus nous en apprenons sur les êtres vivants – des tomates et autres cultures aux animaux et microbes – plus grandes sont les possibilités d’utiliser cet apprentissage au profit de la société », a-t-il ajouté.

Clusters au sein des clusters

L’article rapporte également une tournure fascinante et inattendue concernant les groupes de gènes biosynthétiques, ou BGC.

Les BGC sont des collections de gènes physiquement regroupés sur le chromosome et contribuant à une voie métabolique particulière. Auparavant, le laboratoire Last avait identifié un BGC contenant des gènes liés aux sucres acylés des trichomes dans les plants de tomates. Kerwin, Hart et leurs collaborateurs ont maintenant découvert que l'enzyme acylsucre exprimée dans les racines réside dans le même groupe.

« Habituellement, dans les BGC, les gènes sont co-exprimés dans les mêmes tissus et dans des conditions similaires », a déclaré Kerwin. « Mais ici, nous avons deux groupes de gènes distincts mais liés entre eux. » Certains exprimés en trichomes et d’autres en racines.

Cette révélation a amené Kerwin à se plonger dans la trajectoire évolutive des Solanacées. espèces, dans l’espoir d’identifier quand et comment ces deux voies uniques du sucre acyl se sont développées. Plus précisément, les chercheurs ont attiré l'attention sur un moment, il y a environ 19 millions d'années, où l'enzyme responsable des sucres acyliques des trichomes a été dupliquée. Cette enzyme serait un jour responsable de la voie des sucres acyls exprimés par les racines, récemment découverte.

Le mécanisme exact qui a « activé » cette enzyme dans les racines reste inconnu, ouvrant la voie au laboratoire Last pour continuer à percer les secrets évolutifs et métaboliques de la famille des solanacées.

« Travailler avec les Solanacées fournit de nombreuses ressources scientifiques, ainsi qu'une solide communauté de chercheurs », a déclaré Kerwin.

« En raison de leur importance en tant que cultures et en horticulture, ce sont des plantes dont les humains se soucient depuis des milliers d'années. »

Pour Last, ces avancées rappellent également l’importance des pesticides naturels, que représentent finalement les métabolites de défense comme les sucres acylés.

« Si nous constatons que ces sucres acylés de racines sont efficaces pour repousser les organismes nuisibles, pourraient-ils être reproduits dans d’autres solanacées, aidant ainsi les plantes à pousser sans avoir besoin de fongicides et de pesticides synthétiques nocifs ? Dernière demande.

« Ce sont des questions au cœur de la quête de l'humanité pour une eau plus pure, des aliments plus sûrs et une dépendance réduite aux produits chimiques synthétiques nocifs. »