Image microscopique des mitochondries d'un bout de racine d'Arabidopsis thaliana. L'intérieur des mitochondries (matrice) est marqué par une protéine fluorescente. Crédit :Université de Münster
Le calcium est un nutriment très spécial. Dans les cellules de la plupart des êtres vivants, les ions calcium fonctionnent comme des seconds messagers pour transmettre des signaux importants. Il en va de même pour les cellules animales, végétales et fongiques. Grâce à la collaboration de plusieurs instituts de recherche au niveau national et international, les membres du groupe de travail "Plant Energy Biology" à l'Université de Münster, dirigé par le Prof. Markus Schwarzländer, et de l'équipe dirigée par le Prof. Alex Costa à l'Université de Milan, ont maintenant identifié la machinerie moléculaire qui permet aux ions calcium d'être absorbés par les mitochondries des cellules végétales et que cette forme de transport joue un rôle important dans leur réponse au toucher. L'étude vient d'être publiée dans la revue The Plant Cell .
Comment les ions calcium pénètrent dans les mitochondries
"Il est étonnant qu'un ion aussi simple puisse être si important pour la transmission d'informations", déclare Markus Schwarzländer. "Nous supposons que les ions calcium développent ce potentiel à travers l'endroit exact et le moment de leur déploiement." On sait déjà depuis 1965 que les mitochondries végétales peuvent capter des ions calcium et ainsi, vraisemblablement, être impliquées dans les voies de signalisation du calcium. La manière exacte dont le transport est rendu possible a cependant été contestée pendant des décennies. Pour la plupart des ions, la membrane interne des mitochondries est imperméable, mais certaines protéines de la membrane peuvent assurer le passage des ions calcium à travers cette membrane partiellement perméable et permettre ainsi la transmission de signaux dans cet organite cellulaire.
Dans le cas des animaux, la question de l'identité du canal calcique mitochondrial a été résolue en 2011 lorsque des chercheurs des universités de Harvard et de Padoue ont découvert le canal calcique MCU (mitochondrial calcium uniporter). Cette percée a ouvert la voie à la découverte que les plantes contiennent également des gènes MCU. Ce qui n'était pas encore clair, cependant, était de savoir si ces gènes forment également des canaux calciques dans la cellule vivante, notamment parce que l'absorption d'ions calcium dans les mitochondries animales présente des schémas nettement différents de ceux des mitochondries végétales.
L'expression génétique révèle l'importance du transport des ions calcium pour les centrales électriques cellulaires
Afin de clarifier le rôle joué par les MCU dans les cellules végétales, les chercheurs de Münster ont dû désactiver simultanément trois des six gènes MCU dans la plante modèle Arabidopsis thaliana. De ce fait, ils ont restreint la capacité de la machinerie cellulaire et ont ainsi pu, pour la première fois, observer chez une plante vivante les conséquences qu'entraîne cette contrainte. Pour cela, ils ont utilisé une protéine fluorescente qui indique les changements de concentration en ions calcium dans les mitochondries sous la forme d'un signal lumineux.
Image microscopique des mitochondries (vert) et des chloroplastes (rouge) dans les cellules du mésophylle d'une feuille d'Arabidopsis thaliana. L'intérieur des mitochondries (matrice) est marqué par une protéine fluorescente; dans les chloroplastes, la chlorophylle devient fluorescente. Crédit :Université de Münster
Ce qu'on a pu voir, c'est qu'en raison de la désactivation des gènes MCU, un nombre beaucoup plus faible d'ions calcium est entré dans les mitochondries. Cela signifie que les chercheurs ont démontré non seulement que les cellules végétales vivantes, comme les cellules animales, transportent leurs ions calcium dans les mitochondries via les canaux MCU. "Nous avons également pu", explique Markus Schwarzländer, "pour montrer que c'est de loin la voie la plus importante pour transporter rapidement les ions calcium dans les mitochondries. Cela signifie que nous avons maintenant la possibilité de contrôler la transmission du signal par les ions calcium dans la puissance cellulaire. stations et ainsi éventuellement influencer les informations encodées."
Après cette observation pionnière, l'équipe a utilisé des plantes dont la capacité de transport du calcium mitochondrial était altérée pour tenter de déterminer le rôle que joue le calcium mitochondrial pour la plante et sa forme physique. Dans le cas des animaux, les ions calcium dans les mitochondries régulent la production d'énergie, mais rien n'indique une fonction similaire dans les plantes.
En analysant l'expression du génome entier de la plante, les chercheurs ont pu démontrer que la capacité de transport réduite des ions calcium a un impact sur la régulation de l'hormone végétale acide jasmonique. L'acide jasmonique est une hormone de défense des plantes qui assure une protection contre les herbivores en s'activant si la plante est blessée. Entre autres choses, l'acide jasmonique contrôle également la sénescence, c'est-à-dire la mort régulée des tissus, ainsi que les réponses aux stimuli mécaniques tels que le toucher.
Les plantes manipulées par les chercheurs ont montré une sénescence légèrement retardée :dans un environnement sombre, les feuilles perdent moins rapidement leur pigmentation verte. Ils ont également affiché une réponse nettement plus faible au toucher. "Ce qui est particulièrement surprenant pour nous", déclare Schwarzländer, "c'est qu'il existe à l'évidence un lien entre le transport des ions calcium dans les mitochondries et le processus de régulation piloté par l'acide jasmonique. Les résultats montrent que des processus moléculaires tels que l'absorption de les ions calcium dans les mitochondries, qui ont été conservés chez les animaux et les plantes au cours de l'évolution, peuvent être utilisés pour remplir de nouvelles fonctions."
Une reprogrammation ciblée du transport mitochondrial du calcium semble être une piste intéressante, car le contrôle de la réponse au toucher pourrait être utile, par exemple en agriculture, où les plantes sont souvent plantées à proximité.
Enquêtes utilisant des biocapteurs synthétiques
L'une des principales méthodes utilisées dans l'étude publiée aujourd'hui était la "biosensibilité in vivo". Ici, les protéines sont conçues - à l'aide de méthodes de biologie moléculaire et biotechnologiques - de manière à servir de capteurs de mesure synthétiques dans les organismes vivants. Lorsque les plantes sont génétiquement transformées, elles produisent elles-mêmes un capteur qui fournit des informations en direct sur l'état des cellules des plantes vivantes. De plus, ces capteurs biologiques peuvent être utilisés à des fins de mesure dans des zones spécifiques de la cellule. Ceci est réalisé en les plaçant génétiquement dans un certain compartiment de la cellule. Faire cela en utilisant des méthodes traditionnelles est difficile car dans de telles méthodes, la cellule est généralement brisée, ce qui entraîne la perte de toute l'organisation au sein de la cellule.
