Les chercheurs Albert Cairó et Karel Riha de l’Institut de technologie d’Europe centrale (CEITEC) et leurs collègues ont découvert un mécanisme jusque-là inconnu qui est responsable de la reprogrammation de l’expression des gènes chez les plantes pendant la période de transition lorsqu’une cellule se différencie en une autre. Le mécanisme se produit à la fin de la méiose, une division cellulaire spécialisée essentielle à la reproduction sexuée, et permet la différenciation des cellules germinales et du pollen. Ce mécanisme implique la localisation dynamique des composants régulateurs clés dans des condensats intracellulaires qui ressemblent à des gouttelettes liquides. Ce processus est étroitement lié à la production de semences et pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour développer des cultures plus durables adaptées à des conditions environnementales plus difficiles.
Les cellules ne sont pas des entités statiques, mais se transforment plutôt d’un type à un autre. L’activation d’un ensemble particulier de gènes dicte la façon dont les cellules se spécialisent dans l’exécution de tâches spécifiques et détermine quand elles se divisent ou quand elles se différencient. Les biologistes cellulaires combinent diverses méthodes scientifiques avancées pour étudier ces processus très complexes dans le micro-monde de la plante. La biologie cellulaire connaît actuellement une véritable révolution, et la vision classique de l’organisation cellulaire s’élargit vers de nouveaux horizons.
« Maintenant, nous savons que la cellule contient non seulement des organites traditionnels délimités par une membrane, mais de nombreux processus moléculaires sont confinés à l’intérieur d’organites sans membrane moins définis, également appelés condensats biomoléculaires (biocondensats). Au cours des dix dernières années, l’importance de ces Les biocondensats commencent à être reconnus. Nous contribuons maintenant à ce domaine en montrant comment un type spécifique de biocondensat se forme à la fin de la méiose et inhibe la synthèse des protéines », explique Albert Cairó, le premier auteur de cette recherche.
« Ceci, d’une part, met fin aux processus méiotiques, mais d’autre part, cela marque le début d’une génération génétiquement différente de cellules », ajoute Cairó. Mais ce n’est pas tout. L’équipe de recherche pense que des mécanismes analogues agissent également dans d’autres organismes et paramètres cellulaires, y compris la différenciation cellulaire ou les réponses au stress.
La découverte par les membres du laboratoire de Karel Riha, auteur correspondant et chef de groupe de recherche, pourrait avoir un impact sociétal énorme. « Nous vivons dans un état d’urgence climatique. Même si les plantes peuvent lutter contre une grande variété de stress, y compris les températures élevées et la sécheresse, leur développement et leur reproduction peuvent être gravement entravés. Cela signifie que nous risquons une réduction spectaculaire des récoltes. rendement, juste au moment où le rendement doit être augmenté pour satisfaire les besoins humains. Et c’est pourquoi la recherche sur les plantes devrait désormais être l’une des priorités », explique Riha.
La mission principale du laboratoire est de faire la lumière sur les processus biologiques fondamentaux étroitement liés à la reproduction des plantes et à la formation des graines, qui, dans de nombreuses cultures, se traduisent par un rendement.
« Les résultats de la recherche montrent que les condensats biomoléculaires jouent un rôle important dans la fertilité des plantes et que leur comportement est probablement lié au stress environnemental. Il est donc évident que notre découverte est la première étape dans le développement de nouvelles solutions entraînant une production agricole soutenue dans des conditions plus difficiles, » explique Albert Cairo. « Les approches techniques que l’équipe a dû effectuer sont vraiment admirables, et la publication de cette recherche dans La science est rassurant que le laboratoire de Riha va dans la bonne direction. »
Le chemin de la découverte
L’étude de la méiose chez la plante modèle Arabidopsis thaliana est particulièrement difficile. L’équipe de recherche s’est concentrée sur des cellules extraordinaires et rares cachées dans de petits bourgeons floraux de 0,1 à 0,4 mm. De plus, les étapes de division méiotique qui sont au centre de l’étude se produisent rapidement – l’ensemble du processus prend cinq à six heures. Par conséquent, ils ne sont pas faciles à capturer. L’équipe de recherche doit utiliser des technologies de pointe et une part importante de créativité et d’imagination pour étudier ce processus.
L’équipe de Riha a dû établir les conditions d’une imagerie en direct de la division méiotique à l’intérieur de l’anthère (la partie de l’étamine qui contient du pollen). L’équipe a utilisé la microscopie avancée et est devenue l’un des deux laboratoires au monde capables d’observer la méiose des plantes en direct. Une autre expertise essentielle acquise par l’équipe est la maîtrise de la technologie des protoplastes. Les protoplastes sont des cellules végétales isolées qui ont été privées de leur paroi cellulaire environnante, ce qui les rend faciles à manipuler génétiquement et à visualiser au microscope. Cette technologie a permis à l’équipe d’élucider certains problèmes plus rapidement et plus efficacement qu’en utilisant des cellules méiotiques.
Anna Vargova a contribué de manière significative à la compréhension du mécanisme complexe nouvellement décrit. Pavlina Mikulkova a fourni son expertise et prêté sa main magique lors de l’imagerie cellulaire vivante de la méiose à l’aide du microscope Lightsheet. L’équipe de recherche était soutenue par la plate-forme CELLIM du CEITEC et par la Plate-forme Phytotechnique. La recherche a duré plus de huit ans et a été financée par le projet de subvention REMAP du ministère tchèque de l’Éducation, de la Jeunesse et des Sports.
« Il serait extrêmement difficile de développer un projet aussi complexe sans le financement à long terme dont nous disposions. En fait, à un moment donné, nous avons eu l’impression que notre limite n’était que notre imagination, et je pense que c’était crucial pour notre projet de grande envergure. découverte », déclare Albert Cairo.
Fait intéressant, ce projet n’impliquait aucune collaboration externe, ce qui est inhabituel pour des instituts de recherche internationaux tels que le CEITEC. Dans ce cas, l’équipe de recherche entrait dans une toute nouvelle direction et la recherche a été conclue exclusivement par les membres du groupe de recherche de Karel Riha.
Albert Cairo et al, la sortie méiotique chez Arabidopsis est motivée par l’inhibition de la traduction médiée par le corps P, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abo0904. www.science.org/doi/10.1126/science.abo0904
Fourni par l’Université Masaryk