Les scientifiques ont dévoilé un nouveau mécanisme que les plantes utilisent pour détecter la température. Cette découverte pourrait conduire à des solutions pour contrecarrer certains des changements délétères dans la croissance des plantes, la floraison et la production de graines dus au changement climatique. Les résultats sont publiés aujourd’hui dans PNAS.
La hausse des températures dans le monde due au changement climatique a des conséquences néfastes pour les plantes. Ils ont tendance à fleurir plus tôt qu’auparavant et à se précipiter dans le processus de reproduction, ce qui se traduit par moins de fruits et moins de graines et une biomasse réduite.
Les scientifiques travaillent désormais sur l’horloge circadienne des plantes, qui détermine leur croissance, leur métabolisme et le moment de leur floraison. Le thermocapteur clé de l’horloge circadienne est EARLY FLOWERING 3 (ELF3), une protéine qui joue un rôle vital dans le développement des plantes. Il intègre divers signaux environnementaux, tels que la lumière et la température, avec des signaux de développement internes, pour réguler l’expression des gènes de floraison et déterminer quand les plantes poussent et fleurissent.
Une équipe du CEA, de l’ESRF et du CNRS a déterminé le mécanisme moléculaire du fonctionnement d’ELF3 in vitro et chez la plante modèle Arabidopsis thaliana. Lorsque la température augmente, ELF3 subit un processus appelé séparation de phases. Cela signifie que deux phases liquides coexistent, de la même manière que l’huile et l’eau.
« Nous pensons que lorsqu’il passe par la séparation de phase, il séquestre différents partenaires protéiques comme les facteurs de transcription, ce qui se traduit par une croissance plus rapide et une floraison précoce en fonction de la température élevée », explique Chloe Zubieta, directrice de recherche CNRS au Laboratoire de Physiologie Cellulaire et Vegetale au CEA Grenoble (CNRS/Univ. Grenoble Alpes/CEA/INRAE UMR 5168) et co-auteur correspondant de la publication.
« Nous essayons de comprendre la biophysique du domaine de type prion à l’intérieur d’ELF3, qui, selon nous, est responsable de cette séparation de phase. »
ELF3 est une protéine flexible, sans structure bien définie, elle ne peut donc pas être étudiée par cristallographie aux rayons X, car elle doit être en solution. Au lieu de cela, l’équipe a principalement utilisé la diffusion des rayons X aux petits angles. Tous les modèles existants ont montré que la structure serait fortement désordonnée. Puis la surprise est arrivée : « J’ai vu de nombreux domaines de type prion impliqués dans la séparation de phase, mais c’est la première fois que je voyais quelque chose de fondamentalement différent », explique Mark Tully, scientifique de l’ESRF sur BM29 et co-auteur correspondant de la publication. .
Les expériences ont montré que le domaine de type prion forme un oligomère monodispersé d’ordre supérieur, qui est vital pour la séparation des phases. Cet oligomère semble être une boule d’environ 30 copies de la protéine et agit comme un échafaudage, ce qui est probablement nécessaire pour qu’il interagisse avec d’autres protéines dans la cellule végétale.
Lorsque les chercheurs ont augmenté la température, les sphères se sont réunies pour former une phase liquide puis, au fil du temps, un empilement lamellaire ordonné. D’autres expériences, utilisant la microscopie électronique, la microscopie à force atomique et la diffraction des rayons X sur poudre sur la ligne de lumière ID23-1, ont confirmé les résultats.
« Si nous parvenons à régler le moment où la séparation des phases se produit en fonction de la température, en faisant muter différents résidus d’acides aminés, nous pourrions finalement retarder la floraison des plantes dans des conditions plus chaudes, leur permettant d’établir plus de biomasse et de produire plus de fruits et de graines », explique Stéphanie. Hutin, chercheur au CEA et premier auteur de l’article.
« Par conséquent, la prochaine étape de cette recherche sera d’ajouter une forme différente du gène ELF3 à la plante modèle Arabidopsis thaliana, et de voir ce qui se passe lorsque nous les cultivons à des températures chaudes. Si notre modèle est correct, nous pourrions faire le même chez les espèces cultivées qui ont du mal à s’adapter aux conditions plus chaudes », conclut-elle.
Plus d’information:
Stephanie Hutin et al, Séparation de phase et ordre moléculaire du domaine de type prion de la protéine thermosensorielle Arabidopsis EARLY FLOWERING 3, Actes de l’Académie nationale des sciences (2023). DOI : 10.1073/pnas.2304714120