Dans un article paru dans Science Advances , des chercheurs de l'Université de Michigan ont dévoilé un surprenant mystère génétique centré sur les sucres présents dans ce que les jardiniers appellent le « goudron de tomate ».
Quiconque a taillé des plants de tomates à mains nues a probablement trouvé ses doigts assombris par une substance collante et noire d'or qui ne s'enlève pas complètement. Ce goudron de tomate est collant pour une bonne raison. Il est composé de sucres – de sucres acylés, pour être précis – et agit comme une sorte de 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 la nouvelle étude.
Le laboratoire Last est spécialisé dans les sucres acyliques et les minuscules structures ressemblant à des cheveux où ils sont produits et stockés, appelées trichomes. On pensait autrefois qu'ils se trouvaient exclusivement dans les trichomes, mais d'autres chercheurs ont récemment rapporté avoir également découvert des sucres acylés dans les racines de tomates. Ce fut une surprise pour la communauté des sciences végétales.
Dans leur étude, l’équipe de la Michigan State University a voulu savoir comment fonctionnaient ces sucres acylés de racine et d’où ils venaient. 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.
Ces découvertes aident les scientifiques à mieux comprendre la résilience et l’histoire évolutive des solanacées, ou morelles, une vaste famille de plantes qui comprend les tomates, les aubergines, les pommes de terre, les poivrons, le tabac et les pétunias. Ils pourraient également aider à éclairer les chercheurs qui cherchent 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.
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.
"Prenez par exemple les sucres acyliques. 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 au travail de détective génétique à l'ancienne.
"La présence de ces sucres acyliques dans les racines était fascinante et a suscité de nombreuses questions. Comment cela s'est-il produit, comment sont-ils fabriqués et sont-ils différents des sucres acyliques 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, ainsi qu'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.
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 obtiendrez une image plus claire du travail accompli par le dernier laboratoire 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 bien étudié du sucre acyl du trichome a été éliminé, la production du sucre acyl des racines s'est poursuivie comme d'habitude.
Ces résultats offrent 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 acyles qu'elles produisent sont une association chimique bien étudiée, elle a également découvert un lien prometteur entre les enzymes des racines et les sucres acyles 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 similaires dans le sens où lorsque vous ouvrez le capot proverbial, vous prenez conscience de la multitude de pièces et de connexions qui les font fonctionner. Ce travail nous donne de nouvelles connaissances sur l'une de ces pièces dans les plants de tomates et nous incite à aller plus loin. des recherches sur son évolution et sa fonction et si nous pouvons l'utiliser d'autres manières", a déclaré Pankaj Jaiswal, directeur de programme à la National Science Foundation des États-Unis.
"Plus nous en apprenons sur les êtres vivants - depuis les tomates et autres cultures jusqu'aux animaux et microbes - plus grandes sont les opportunités d'utiliser cet apprentissage au profit de la société", a-t-il ajouté.
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 qui contribuent 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 cluster.
"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 dans les trichomes et d'autres dans les racines."
Cette révélation a amené Kerwin à se plonger dans la trajectoire évolutive des espèces de Solanacées, 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 dernier laboratoire 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 en fin de compte les métabolites de défense tels que 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."
Plus d'informations : Rachel Kerwin et al, Les métabolites spécialisés de la racine de tomate ont évolué grâce à la duplication de gènes et à une divergence de régulation au sein d'un groupe de gènes biosynthétiques, Science Advances (2024). DOI :10.1126/sciadv.adn3991. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adn3991
Informations sur le journal : Progrès scientifiques
Fourni par l'Université de l'État du Michigan
