Les plantes insectivores fascinent les biologistes depuis plus d’un siècle, mais la façon dont les plantes ont développé la capacité de capturer et de consommer des proies vivantes est restée en grande partie un mystère. Maintenant, les scientifiques de Salk, ainsi que des collaborateurs de l’Université de Washington à St. Louis, ont étudié la base moléculaire de la carnivore des plantes et ont trouvé des preuves qu’elle a évolué à partir des mécanismes que les plantes utilisent pour se défendre.
La recherche, publiée le 11 juillet 2022, dans Actes de l’Académie nationale des sciences (PNAS), détaille comment les molécules de calcium se déplacent dynamiquement dans les cellules des feuilles des plantes carnivores en réponse au toucher de proies vivantes. La fluctuation du calcium entraîne des mouvements de feuilles pour la capture de proies, probablement par une augmentation de la production d’hormones défensives. Les résultats élargissent la compréhension des scientifiques sur la façon dont les plantes interagissent avec leur environnement.
« Si nous pouvons en savoir plus sur la façon dont des plantes telles que celles-ci et d’autres se sont adaptées pour répondre à leurs environnements uniques, nous pourrons peut-être modifier ces voies moléculaires à l’avenir pour développer des plantes capables de survivre dans des conditions plus difficiles », déclare le co-auteur principal. Professeur Joanne Chory, directrice du laboratoire de biologie moléculaire et cellulaire des plantes de Salk et chercheuse à l’Institut médical Howard Hughes.
Les scientifiques de Salk, ainsi que des collaborateurs de l’Université de Washington à St. Louis, ont étudié la base moléculaire de la carnivore des plantes et trouvé des preuves qu’elle a évolué à partir des mécanismes que les plantes utilisent pour se défendre. Crédit : Institut Salk
Les biologistes en sont venus à comprendre que des plantes telles que la drosera à feuilles de cuillère (Drosera spatulata) ont probablement adapté le carnivore pour survivre dans des conditions pauvres en nutriments. Cependant, les droséras sont difficiles à cultiver et leur ADN n’a été séquencé que récemment, de sorte que les scientifiques ont eu du mal à examiner le fonctionnement du carnivore au niveau cellulaire. Ils ne savaient pas non plus comment les plantes carnivores développaient des comportements associés à la capture de proies, tels que les mouvements des feuilles et la sécrétion d’enzymes digestives.
« Les droséras carnivores ne sont pas des organismes modèles », déclare Carl Procko, co-premier auteur de l’article et scientifique du laboratoire de biologie moléculaire et cellulaire des plantes de Salk. « Moins d’une poignée de laboratoires dans le monde ont déjà été capables de les modifier génétiquement, nous avons donc dû apprendre de nouvelles techniques pour les examiner de près. »
Pour cette étude, les scientifiques ont appliqué des outils génétiques pour imager les changements dynamiques des molécules de calcium dans les feuilles lorsque des proies d’insectes se posaient sur la feuille et y étaient capturées par des sécrétions collantes. Chez les plantes non carnivores, la signalisation calcique joue de nombreux rôles essentiels au maintien de la vie, comme le déclenchement de la voie de défense de l’acide jasmonique pour repousser les insectes nuisibles indésirables. L’acide jasmonique répond également à l’activité électrique, qui est un élément essentiel de la capture des proies dans certaines plantes carnivores, y compris les droséras. Les scientifiques ont voulu savoir si cette même voie de défense des plantes non carnivores pouvait également être nécessaire au comportement carnivore du droséra.
L’équipe a découvert que des changements de calcium dans la cellule végétale étaient nécessaires pour l’activation des gènes généralement ciblés par l’acide jasmonique lorsque la feuille se repliait vers l’intérieur, emprisonnant l’insecte dans les sucs digestifs. Les chercheurs ont en outre observé que les feuilles de drosera se pliaient moins lorsqu’elles recevaient des proies non vivantes et lorsque leurs canaux calciques étaient bloqués. Ces découvertes démontrent que le calcium contribue aux réponses de capture des proies des insectes et, avec le travail d’autres, soutient l’idée que l’acide jasmonique est impliqué dans la digestion des insectes.
« C’était fascinant de voir comment ces plantes réagissent à la stimulation mécanique associée aux proies, comme le toucher », a déclaré Ivan Radin, co-premier auteur et chercheur à l’Université de Washington à St. Louis. « La capacité de détecter et de répondre aux forces mécaniques est quelque chose que la plupart des gens n’associent pas aux plantes, en particulier sur cette échelle de temps rapide. Notre travail fournit un beau visuel de ce fait. »
« Les résultats montrent que le calcium est également impliqué et accélère probablement les réponses de l’acide jasmonique, de la même manière que les plantes non carnivores réagissent de manière défensive à la stimulation mécanique des ravageurs », déclare Chory, titulaire de la chaire Howard H. et Maryam R. Newman sur les plantes. La biologie. « Cela renforce l’idée que le carnivorisme dans les droséras peut être une voie de défense évoluée. »
Ensuite, les chercheurs appliqueront des techniques génétiques similaires pour étudier d’autres plantes carnivores auparavant trop difficiles à examiner. Ils espèrent étudier plus avant la base moléculaire des mécanismes de capture des proies afin de mieux comprendre comment le carnivore a évolué chez des espèces éloignées et de voir si les cultures pourraient bénéficier de l’adaptation de leurs voies de réponse environnementales et d’insectes existantes pour survivre dans des environnements difficiles.
D’autres auteurs comprenaient Charlotte Hou de Salk; ainsi que Ryan Richardson et Elizabeth Haswell de l’Université de Washington à St. Louis.
Les signaux dynamiques de calcium médient la réponse alimentaire de la plante carnivore droséra, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas