Deux études publiées dans la revue La science par des chercheurs de l’Institut Max Planck pour la recherche sur la sélection végétale à Cologne, en Allemagne, en collaboration avec des collègues chinois, ont découvert des molécules cellulaires naturelles qui stimulent les réponses immunitaires essentielles des plantes. Ces composés ont toutes les caractéristiques d’être de petits messagers conçus par les plantes pour activer les principaux centres de contrôle de la défense. L’exploitation de ces connaissances pourrait permettre aux scientifiques et aux phytogénéticiens de concevoir des molécules qui rendent les plantes, y compris de nombreuses espèces de cultures importantes, plus résistantes aux maladies.
La production alimentaire mondiale doit doubler d’ici 2050 afin de nourrir les 2 milliards de personnes supplémentaires prévues sur Terre d’ici là. Pour stimuler la production alimentaire, il faut augmenter les rendements de bon nombre de nos cultures de base. Pour ce faire, des stratégies doivent être mises en place pour garantir que nous pouvons rendre les plantes plus résistantes aux agents infectieux microscopiques, tout en garantissant que la production alimentaire est sans danger pour l’environnement. Pour y parvenir, il faut à son tour une compréhension détaillée du système immunitaire des plantes – les défenses que les plantes établissent lorsqu’elles sont confrontées à des micro-organismes envahisseurs.
Maintenant, dans deux études, des scientifiques dirigés par Jijie Chai et Jane Parker de l’Institut Max Planck pour la recherche sur la sélection végétale à Cologne et l’Université de Cologne, en Allemagne, collaborent avec le groupe de Junbiao Chang à l’Université de Zhengzhou à Zhengzhou et Zhifu Han et ses collègues de Tsinghua L’université de Pékin, en Chine, a identifié deux classes de molécules et déterminé leurs modes d’action dans la médiation des réponses immunitaires à l’intérieur des cellules végétales. Leurs découvertes ouvrent la voie à la conception de petites molécules bioactives qui pourraient permettre aux chercheurs et aux producteurs de plantes de manipuler – et ainsi de renforcer – la résistance des plantes contre les microbes nocifs.
Au niveau moléculaire, une stratégie immunitaire principale employée par les plantes implique des protéines appelées récepteurs répétés riches en leucine se liant aux nucléotides, ou NLR en abrégé. Les NLR sont activés par des micro-organismes envahisseurs et déclenchent des réponses immunitaires protectrices. Ces réponses immunitaires aboutissent à la soi-disant réponse hypersensible, qui implique une restriction de la croissance des agents pathogènes et une mort souvent strictement délimitée des cellules au site de l’infection, ce qui s’apparente à l’amputation d’un orteil pour assurer la survie du corps.
Il a été démontré qu’une classe de protéines NLR, celles qui possèdent des domaines dits récepteurs toll/interleukine-1 (TIR), appelés TIR-NLR (ou TNL), transmettent des signaux à la protéine immunitaire en aval Enhanced Disease Susceptibility 1 (EDS1 ). De plus petites protéines contenant du TIR transmettent également des signaux à l’EDS1 pour potentialiser la résistance aux maladies. EDS1 fonctionne comme un centre de contrôle qui, selon les types d’autres protéines avec lesquelles il interagit, pousse les cellules végétales à restreindre la croissance des agents pathogènes ou à s’engager dans la mort cellulaire. Des travaux antérieurs ont montré que les récepteurs TNL et les protéines TIR sont en fait des enzymes induites par des agents pathogènes. Les preuves suggèrent que ces enzymes TIR produisent un petit messager ou des messagers qui signalent à EDS1 à l’intérieur des cellules. Cependant, les identités des molécules précises générées par les TNL ou les TIR qui stimulent les différentes réponses immunitaires sont restées insaisissables.
Parker et ses collègues ont établi que les deux modules EDS1 fonctionnels conduisant à l’immunité ou à la mort cellulaire peuvent être déclenchés par des enzymes TNL activées par des agents pathogènes à l’intérieur des cellules végétales. Pour identifier les petites molécules produites par les TNL ou les TIR et qui agissent sur EDS1, le groupe Chai a reconstitué des composants clés de la voie de signalisation dans les cellules d’insectes, un système qui permet la production et la purification de grandes quantités de molécules qui peuvent ensuite être isolées et caractérisées. En utilisant cette approche, les auteurs ont découvert deux classes différentes de molécules nucléotidiques modifiées produites par les TNL et les TIR. Ces composés se sont liés préférentiellement à différents sous-complexes EDS1 et les ont activés. Par conséquent, les auteurs démontrent que différents sous-complexes EDS1 reconnaissent des molécules particulières produites par le TIR, qui fonctionnent comme des produits chimiques porteurs d’informations, pour favoriser les réponses immunitaires.
Les récepteurs immunitaires TIR et les protéines du hub EDS1 existent dans de nombreuses espèces de cultures importantes, telles que le riz et le blé, et Jijie Chai souligne que « les petites molécules catalysées par TIR identifiées pourraient être utilisées comme immunostimulants généraux et naturels pour contrôler les maladies des cultures ». Jane Parker remarque en outre que « la connaissance des modes d’action biochimiques de ces petites molécules ouvre un tout nouveau chapitre sur la signalisation de l’immunité des plantes et la gestion des maladies ».
Shijia Huang et al, Identification et mécanisme récepteur des petites molécules catalysées par le TIR dans l’immunité des plantes, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abq3297
Aolin Jia et al, les réactions d’ADP-ribosylation catalysées par le TIR produisent des molécules de signalisation pour l’immunité des plantes, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abq8180