Une version synthétique de l'auxine et de son récepteur protéique (bleu clair) se nichent ensemble, créant une paire conçue qui se comporte comme la naturelle. Crédit :Keiko Torii/Université de Washington/Institut médical Howard Hughes et Shinya Hagihara/Université de Nagoya
Une hormone conçue en laboratoire peut révéler les mystères cachés par les plantes.
En développant une version synthétique de l'hormone végétale auxine et un récepteur modifié pour la reconnaître, L'enquêteur du Howard Hughes Medical Institute (HHMI), Keiko Torii, et ses collègues sont sur le point de découvrir le fonctionnement interne des plantes.
Le nouveau travail, décrit le 22 janvier 2018, dans la revue Nature Chimie Biologie , est « un outil de transformation pour comprendre la croissance et le développement des plantes, " dit Torii, un biologiste végétal à l'Université de Washington. Cette compréhension peut avoir de grandes implications agricoles, élevant la possibilité, par exemple, d'une nouvelle façon de faire mûrir les fraises et les tomates.
Aux plantes, l'hormone auxine est reine. Parmi de nombreux autres emplois, l'auxine aide les tournesols à suivre la lumière du soleil, les racines poussent vers le bas, et les fruits mûrissent. Ce large éventail d'emplois, ainsi que le fait que chaque cellule d'une plante peut à la fois produire et détecter l'auxine, rend difficile de distinguer les différents rôles de l'hormone. « Cela a été un énorme mystère de savoir comment une molécule aussi simple peut faire autant de choses différentes, " dit Torii.
Elle et ses collègues ont entrepris de créer une nouvelle façon d'étudier les réponses des plantes à l'auxine en concevant une version en laboratoire de l'hormone qui peut être contrôlée avec précision. Travailler avec des chimistes de synthèse au Japon, les chercheurs ont ajouté une petite bosse à la structure de l'auxine, des anneaux d'hydrocarbures que l'auxine ne contient normalement pas. Les chercheurs ont ensuite modifié le récepteur de l'auxine des plantes, une protéine qui se trouve à l'extérieur des cellules végétales et détecte l'auxine. Cette fois, les chercheurs ont retiré un acide aminé volumineux du récepteur, créant un trou de taille parfaite qui abrite l'auxine fabriquée en laboratoire. Ce simple interrupteur, appelée stratégie « bosse et trou », "est vraiment élégant, réellement, " dit Torii.
Normalement, l'hormone auxine raccourcit les racines. Un nouveau, la version synthétique de l'hormone fait la même chose, les chercheurs ont découvert. L'exposition à des niveaux croissants d'auxine synthétique (de gauche à droite) a réduit la longueur des racines des semis conçus pour détecter l'hormone. Crédit :N. Uchida et al./ Nature Chimie Biologie 2018
Prochain, les chercheurs ont testé si cet ensemble apparié – l'auxine synthétique et le récepteur synthétique – pouvait faire les mêmes tâches que la paire auxine/récepteur naturelle des cellules. Le système de conception complexe a fonctionné à merveille, des expériences sur les racines ont montré.
Normalement, les racines exposées à l'auxine cessent de pousser, et au lieu de cela, poussez latéralement en activant les cellules souches qui sortent de la racine principale. Torii compare le processus, appelé développement radiculaire latéral, aux extraterrestres éclatant dans l'estomac. Après avoir détecté l'auxine synthétique, Les plantes d'Arabidopsis génétiquement modifiées pour produire le récepteur synthétique de l'auxine se sont comportées comme d'habitude - faisant pousser les mêmes boules latérales de branches de racines.
Quoi de plus, les racines qui n'avaient pas le récepteur de l'auxine synthétique étaient essentiellement "aveugles" à l'auxine synthétique, preuve que l'hormone artificielle n'est détectée que par le récepteur artificiel. Torii et ses collègues appellent ce passage à l'auxine synthétique "détournement chimique" - une prise de contrôle bien contrôlée qui permettra désormais aux chercheurs de démêler le réseau enchevêtré des emplois de l'auxine dans les plantes.
Avec leur système opérationnel, les chercheurs ont testé une question de longue date en biologie végétale. Les scientifiques savaient que les semis en germination utilisent l'auxine pour se développer rapidement. Mais l'identité du récepteur exact qui permet à ce processus de se produire n'a pas été établie.
Après traitement à l'auxine, les racines normales des plantes commencent à se ramifier sur le côté. Après traitement à l'auxine synthétique, les plantes conçues pour détecter l'hormone font la même chose (branches de racines bosselées illustrées). Crédit :N. Uchida et al./ Nature Chimie Biologie 2018
La communauté scientifique avait un suspect en tête. L'équipe de Torii a produit une plante dépourvue d'un récepteur auxine appelé TIR1, et possédait à la place une version synthétique. Lorsqu'il est exposé à l'auxine artificielle, ces semis ont commencé à pousser rapidement, se comportant exactement comme s'ils avaient le récepteur normal. Les résultats suggèrent que l'élongation des graines se produit en effet par le biais du récepteur TIR1.
D'autres questions scientifiques fondamentales peuvent être abordées avec ce système, Torii dit, comme le rôle de l'auxine dans la maturation du maïs et dans l'ouverture des stomates, les structures qui laissent respirer les plantes.
Un jour, l'auxine synthétique pourrait même trouver sa place dans l'agriculture. L'auxine est actuellement pulvérisée sur les fruits pour accélérer la maturation. Mais à forte concentration, l'hormone peut agir comme un herbicide tueur de plantes. Les fruits conçus pour porter le récepteur synthétique pourraient être mûris avec l'hormone auxine synthétique, Torii dit, éliminant le besoin de pulvériser l'auxine sans discernement. Mais, elle met en garde, beaucoup plus de tests doivent être effectués avant qu'un système d'hormones synthétiques puisse être utilisé pour la culture d'aliments.
