Caractérisation du supercomplexe de cellulose synthase dans la fibre de coton

Environ 180 milliards de tonnes de celluloses sont produites chaque année par la végétation mondiale, faisant de ce polysaccharide la macromolécule biologique la plus abondante sur terre. Il est produit majoritairement par des plantes vasculaires, par un grand nombre d’algues et aussi par certaines bactéries, protistes et tuniciers. Les microfibrilles de cellulose utilisées pour le dépôt de la paroi cellulaire sont généralement synthétisées au niveau de la membrane plasmique par le complexe cellulose synthase (CSC) qui est composé d’au moins trois types de cellulose synthase nécessaires à l’allongement de la chaîne glucane de manière synergique.

Le CSC produit des chaînes de glucane et la taille du CSC peut déterminer le nombre de chaînes de glucose dans les structures de microfibrilles, les rendant différentes dans différents organismes. Cependant, aucune preuve biochimique ou moléculaire n’a jusqu’à présent été disponible quant à savoir si le nombre de sous-unités de cellulose synthase dans différents CSC est lié à la synthèse de microfibrilles de cellulose avec différents nombres de chaînes de glucane dans un faisceau, un nombre qui est la clé de la force ou tension de la paroi cellulaire secondaire.

Dans un article publié dans Science Sciences de la vie en Chinele Dr Xingpeng Wen et le Dr Yuxian Zhu rapportent que dans les fibres de coton (Gossypium hirsutum) récoltées à la période de synthèse de la paroi cellulaire secondaire, GhCesA4, 7 et 8 se sont assemblés de manière hétéromérisée en un polymère de 36 protéines non caractérisé auparavant comme le supercomplexe de cellulose synthase.

Ce super CSC a été observé spécifiquement dans des échantillons préparés à l’aide de cellules de fibre de coton récoltées pendant la période de paroi cellulaire secondaire, mais pas à partir de tissu de tige de coton ou d’échantillons obtenus à partir d’Arabidopsis. Les expériences de knock-out réalisées sur l’un de ces trois gènes ont entraîné la disparition du CSC ainsi que des défauts de croissance dramatiques qui ont réduit la hauteur des plantes adultes à moins d’un quart de celle du type sauvage. Les fibres de coton récoltées à partir de ces plantes défectueuses en ghcesa n’ont montré aucun épaississement secondaire de la paroi cellulaire. Le CSC préparé à partir de fibres de coton de type sauvage a montré l’activité enzymatique la plus élevée avec une réduction énorme trouvée dans des échantillons préparés à partir de tiges d’Arabidopsis ou de l’un des trois mutants de coton knock-out.

L’équipe a découvert que GhCesA4, 7 et 8 restauraient les phénotypes de leurs mutants orthologues Arabidopsis, potentiellement en reformant les hexamères CSC. La complémentation génétique n’a pas été observée lorsque des gènes de cellulose synthase non orthologues ont été utilisés pour la transformation génétique, ce qui indique que chacune des trois sous-unités est indispensable à la formation de CSC et également à la fonction complète de cellulose synthase.

Ils ont également signalé l’existence de quatre types distincts de microfibrilles de cellulose dans différents matériaux végétaux : la paroi cellulaire secondaire de la fibre de coton de type sauvage contient 72 chaînes de glucane dans un faisceau, les cellules fibreuses de la période de la paroi cellulaire primaire et les mutants de coton déficients en cesa contiennent 36 chaînes de glucane. -chaînes de glucane tandis que l’hypocotyle du haricot mungo et les tiges d’épicéa contiennent 24 chaînes de glucane, avec tous les autres échantillons, y compris le pétiole de céleri, les tissus de tige de coton ou d’Arabidopsis sont composés de 18 chaînes de glucane.

En résumé, les chercheurs ont confirmé expérimentalement, pour la première fois, l’existence de 36-mer CSC pendant la période de synthèse de la paroi cellulaire secondaire de la fibre de coton. Les trois synthases de cellulose étaient nécessaires à la formation de ce CSC 36-mer, seuls des homodimères ont été observés dans des lignées de coton mutantes avec l’un des gènes GhCesA4, 7 ou 8 désactivé. Ils ont produit la première cellule de fibre de coton mature au monde sans dépôt de paroi cellulaire secondaire et ont révélé que les microfibrilles de cellulose dans la paroi cellulaire secondaire du coton étaient composées de 72 chaînes de glucane. L’extrait de membrane acellulaire de fibre de coton a pu synthétiser de longues chaînes de β-1,4-glucane avec une activité enzymatique élevée dans un système in vitro. La caractérisation de la CSC du coton avec son produit facilitera notre compréhension des mécanismes contrôlant la biosynthèse de la paroi cellulaire secondaire chez différentes espèces végétales.