Une nouvelle étude a révélé que l’évolution des lamelles de subérine dans les plantes à graines a joué un rôle crucial dans leur domination sur les fougères dans le climat changeant de la Terre. Cette découverte offre de nouvelles perspectives sur l’évolution des plantes et a des implications significatives pour améliorer la résistance des cultures à la sécheresse.
Une étude récente publiée dans Plantes naturelles par l’équipe de Chao Daiyin du Centre d’excellence en sciences végétales moléculaires de l’Académie chinoise des sciences, en collaboration avec l’équipe de Lyu Shiyou de l’Université du Hubei, a révélé, pour la première fois, le mystère derrière la montée des plantes à graines du point de vue de spécialistes. évolution de la paroi cellulaire.
Les plantes à graines constituent le groupe végétal le plus avancé au monde, représentant les deux tiers de toutes les plantes. espèces et façonner la flore prédominante de notre monde. Cependant, la Terre était très différente il y a plus de 300 millions d’années, au Carbonifère, lorsque les fougères constituaient la flore dominante, les fougères arborescentes imposantes dominant le paysage écologique. La plupart des ressources en charbon sur Terre aujourd’hui provenaient des fougères de cette période, d’où le nom de « Carbonifère ».
Cependant, les recherches paléontologiques révèlent un tournant à la fin du Carbonifère, avec un climat terrestre soudain devenu froid et aride. En conséquence, les fougères ont commencé à décliner, ouvrant la voie à l’essor des plantes à graines. Néanmoins, cet événement évolutif important est marqué par de nombreux mystères non résolus, l’un des mystères les plus importants étant : quels avantages spécifiques les plantes à graines ont-elles développé qui leur ont permis de passer d’une position plus faible à une position prospère à la fin de la période carbonifère ?
Principales conclusions sur les structures des racines des plantes
Les racines sont des organes essentiels pour absorber et transporter l’eau et les nutriments minéraux dans les plantes, et l’endoderme est le noyau de la racine, contrôlant le transport de l’eau et des minéraux. La paroi cellulaire de l’endoderme comporte une bande casparienne hydrophobe à base de lignine étroitement ancrée à la membrane cellulaire endodermique, formant ainsi une barrière pour empêcher la libre diffusion des substances. De plus, les lamelles de subérine sont des structures spécialisées de la paroi cellulaire qui enveloppent toute la surface des cellules endodermiques.
Les recherches indiquent que la bande casparienne et les lamelles de subérine jouent un rôle essentiel dans l’équilibre des nutriments des plantes et dans le transport de l’eau, mais que leurs fonctions sont très différentes. Le groupe de Chao avait déjà fait des percées dans la compréhension de la formation et de l’ancrage de la bande casparienne. Cependant, les bases évolutives des lamelles de subérine et leur rôle dans l’évolution des plantes n’avaient pas encore été résolus.
Aperçus évolutifs de la bande casparienne et des lamelles de subérine
Cette étude a utilisé une série de techniques avancées de biologie cellulaire et de chimie analytique pour mener des recherches approfondies sur des espèces végétales représentatives de 18 nœuds évolutifs différents dans le but de dévoiler les secrets de l’origine de la bande casparienne et des lamelles de subérine.
Étonnamment, les chercheurs ont découvert que la bande casparienne existe dans toutes les plantes vasculaires, y compris les fougères, les lycophytes, les gymnospermes et les angiospermes, tandis que les lamelles de subérine ne sont présentes que dans les gymnospermes et les angiospermes (tous deux collectivement appelés plantes à graines). Ces preuves suggèrent que la bande casparienne et les lamelles de subérine ne sont pas originaires simultanément ; le premier est issu de l’ancêtre commun de toutes les plantes vasculaires, tandis que le second a évolué chez l’ancêtre commun des plantes à graines. Cette découverte remet en question l’hypothèse de longue date concernant les lamelles de subérine et offre de nouvelles perspectives pour étudier l’évolution de ces structures.
Expansion des gènes et lamelles de subérine dans les plantes à graines
Pour étudier comment les lamelles de subérine ont évolué chez l’ancêtre commun des plantes à graines, les chercheurs ont mené des analyses évolutives moléculaires des gènes impliqués dans la formation des lamelles de subérine et de leurs homologues, avec les résultats suivants : Bien que la plupart de ces gènes aient évolué avant l’apparition des plantes vasculaires, une expansion significative s’est produite chez l’ancêtre commun des plantes à graines. Cette expansion suggère que la duplication de gènes a probablement conduit à des innovations fonctionnelles, permettant ainsi aux gènes responsables de la synthèse des lamelles de subérine d’émerger chez l’ancêtre commun des plantes à graines.
Pour confirmer cette hypothèse, les chercheurs ont étudié les gènes homologues des principaux facteurs de transcription MYB impliqués dans la formation de la subérine chez les fougères, les lycophytes, les gymnospermes et les angiospermes. Ces gènes se sont avérés répandus dans tous ces groupes de plantes. Cependant, une expansion significative des gènes homologues s’est produite chez l’ancêtre commun des gymnospermes et des angiospermes. Les chercheurs ont révélé que les gènes homologues étendus dans les gymnospermes et les angiospermes pourraient initier la formation de lamelles de subérine, alors que les gènes homologues dans les fougères et les plantes lycophytes n’avaient pas une telle fonction. Cette découverte a confirmé que la fonction des facteurs de transcription MYB initiant la synthèse de la subérine a été acquise dans les plantes à graines par expansion génique.
Le rôle des lamelles de subérine dans l’adaptation des plantes
À mesure que le climat de la Terre devenait sec à la fin du Carbonifère, les fougères ont commencé à décliner et les plantes à graines ont augmenté. Puisque la subérine possède des propriétés imperméables, les chercheurs ont émis l’hypothèse que l’émergence de lamelles de subérine pourrait avoir contribué à l’adaptabilité des plantes à graines à la sécheresse, favorisant ainsi leur croissance après l’apparition de conditions arides. Ils ont ensuite confirmé cette hypothèse en utilisant deux matériels génétiques d’Arabidopsis présentant des défauts en subérine, démontrant ainsi qu’Arabidopsis déficient en subérine était plus sensible à la sécheresse.
En outre, la spectroscopie Raman et la résonance magnétique nucléaire ont révélé l’importance cruciale des lamelles de subérine pour améliorer l’efficacité du transport de l’eau vasculaire. Plus précisément, étant donné que les molécules d’eau sont capables de diffuser librement à travers les membranes cellulaires en l’absence de lamelles de subérine, les plantes sans lamelles de subérine, telles que les fougères et les prêles, subissent des fuites d’eau importantes des membranes cellulaires endodermiques lorsqu’elles sont soumises à un stress osmotique, ce qui entraîne une faible efficacité de transport. .
Les plantes à graines, dont les lamelles de subérine enveloppent entièrement leurs cellules endodermiques, bloquent presque complètement la libre diffusion des molécules d’eau. Ainsi, leur taux de fuite d’eau sous stress osmotique n’est que de 1 à 2 % par rapport aux fougères et aux plantes lycophytes. Cet effet imperméabilisant améliore considérablement l’efficacité du transport de l’eau dans les tissus vasculaires des plantes à graines dans des conditions de sécheresse, augmentant ainsi leur résistance à la sécheresse.
Sur cette base, les chercheurs ont proposé un modèle pour la croissance des plantes à graines : dans le climat humide de la période carbonifère, les fougères sans lamelles de subérine avaient une plus grande efficacité d’absorption de l’eau et des nutriments et étaient mieux adaptées à l’environnement, les amenant ainsi à prospérer. Cependant, à la fin du Carbonifère, l’arrivée d’un climat sec a donné un avantage aux plantes à graines ayant développé des lamelles de subérine. Ils possédaient un système de transport d’eau plus efficace et une plus grande tolérance à la sécheresse, ce qui leur permettait de remplacer progressivement les fougères et de devenir la forme de vie dominante à la surface de la Terre.
Cette étude dévoile non seulement le mystère de l’origine de la bande casparienne et des lamelles de subérine, mais fournit également la preuve, pour la première fois, que l’émergence des lamelles de subérine a entraîné l’essor des plantes à graines, selon une nouvelle perspective. En outre, il identifie le rôle important des lamelles de subérine dans l’adaptation des plantes à des conditions défavorables telles que la sécheresse. En conséquence, cette étude a des implications significatives pour améliorer la résistance des plantes à la sécheresse, élucider les mécanismes de tolérance aux sels et à la sécheresse et développer des variétés de cultures résistantes à la sécheresse.
