Les plantes ont développé de nombreuses stratégies pour diffuser largement leurs graines. Certains dispersent leurs graines au vent, tandis que d’autres incitent les animaux et les oiseaux à manger leurs fruits remplis de graines. Et quelques plantes rares, comme le cresson éclatant Cardamine hirsuta, ont développé des gousses explosives qui propulsent leurs graines dans toutes les directions. Dans leur nouvelle étude publiée dans PNASAngela Hay et ses collègues – de l’Institut Max Planck pour la recherche sur la sélection végétale à Cologne, en Allemagne – étudient quels gènes contrôlent la structure mécanique de ces gousses explosives.
Leurs découvertes montrent qu’un micronutriment clé, le cuivre, est essentiel pour établir un schéma précis de lignine dans les gousses. La lignine est un polymère végétal abondant présent dans la lignocellulose, le principal matériau de structure des plantes. Il est présent dans les parois des cellules végétales et est responsable de la rigidité du bois.
Les gousses de C. hirsuta sont constituées de deux longues valves. Lorsque les graines sont prêtes à être dispersées, ces valves se séparent rapidement et s’enroulent, projetant les graines sur une grande surface. Le secret de la nature explosive de ces dosettes est leur conception mécanique unique, qui comprend trois tiges rigides de lignine reliées par des charnières. Ces charnières sont cruciales pour la libération explosive de l’énergie potentielle stockée dans la nacelle. Pour créer ces structures articulées, la lignine est déposée selon un motif précis dans une seule couche de cellules de gousse, appelée endocarpe b.
Comme l’explique Hay, « la conception mécanique qui permet à ces gousses d’exploser dépend du dépôt de la lignine selon un schéma précis dans cette seule couche de cellules. Nous savons peu de choses sur ce qui contrôle ce schéma de dépôt de lignine, et nous avons donc entrepris d’identifier les gènes qui contrôlent ce processus. Nous avons trouvé trois gènes nécessaires pour lignifier la paroi cellulaire dans les gousses qui explosent. Ces gènes codent pour des enzymes, appelées laccases, qui polymérisent la lignine. Lorsque les plantes de C. hirsuta sont dépourvues des trois gènes de laccase, elles manque de lignine dans ce type de cellule spécifique. »
L’équipe de recherche a également découvert un autre gène, appelé SPL7, nécessaire à la lignification des gousses de C. hirsuta. Ce gène code pour une protéine qui régule les niveaux de cuivre dans les plantes. Les chercheurs ont découvert SPL7 dans un crible mutant. Les plantes mutantes dépourvues de ce gène manquent également de lignine dans les parois cellulaires de l’endocarpe. Sans lignine, ils ne pourraient plus disperser largement leurs graines. Ces effets ont été inversés lorsque les plantes mutantes SPL7 ont été cultivées dans un sol à forte teneur en cuivre, mais pas lorsqu’elles ont été cultivées dans un sol à faible teneur en cuivre. SPL7 aide donc les plantes de C. hirsuta à acquérir suffisamment de cuivre pour développer des gousses pleinement explosives, en particulier lorsque les niveaux de cuivre sont faibles.
Mais comment le cuivre affecte-t-il la structure mécanique de ces gousses explosives ?
Fait intéressant, les laccases sont des protéines de liaison au cuivre qui dépendent du cuivre pour leur fonction. « Le lien entre ces deux découvertes est le cuivre », explique Hay. « Les plantes ont besoin de SPL7 pour faire face lorsqu’il y a trop peu de cuivre dans le sol, et les laccases doivent lier le cuivre pour leur activité enzymatique. Étant donné que la lignine est essentielle à la mécanique de l’explosion des gousses de graines et que les laccases nécessitant du cuivre régulent cette lignification, cela rend les graines dispersion dépendante du contrôle des niveaux de cuivre par SPL7. »
Ces découvertes fournissent de nouvelles informations importantes sur les gènes et les processus cellulaires qui génèrent ces extraordinaires structures explosives. Ils apportent également un nouvel éclairage sur le rôle du cuivre dans ce processus et sur le processus de lignification lui-même, qui reste peu connu. L’une des raisons en est que de grandes familles de gènes sont impliquées dans la polymérisation de la lignine dans les parois cellulaires des plantes. Déterminer comment chaque gène est impliqué est donc un défi, mais qui pourrait être relevé à l’aide d’approches rapportées dans cette étude, telles que l’édition de gènes CRISPR/Cas9 et l’expression conditionnelle de gènes.
La carence en cuivre dans le sol affecte les plantes et les arbres de différentes manières et est résolue en utilisant des engrais à base de cuivre. C’est un problème particulier pour la foresterie, car de faibles niveaux de cuivre peuvent affaiblir les arbres en raison d’une mauvaise lignification. « Notre travail établit un lien moléculaire entre le cuivre et la lignine via SPL7 et les laccases. Ces connaissances pourraient inspirer de nouvelles approches pour la gestion durable des forêts », explique Hay.
Ces résultats pourraient également être importants pour la production plus durable de biocarburants à l’avenir. Les parois cellulaires lignifiées posent un défi pour la production de biocarburants car elles résistent à la dégradation et doivent donc être décomposées à l’aide de prétraitements coûteux et énergivores. Hay note: « Notre travail identifie trois laccases qui contrôlent la lignification dans un type de cellule spécifique. Comprendre le contrôle génétique de la polymérisation de la lignine dans différents types de cellules et espèces végétales peut ouvrir de nouvelles frontières dans la bioénergie basée sur l’ingénierie de la paroi cellulaire. »
Miguel Pérez-Antón et al, la dispersion explosive des graines dépend de SPL7 pour assurer suffisamment de cuivre pour le dépôt localisé de lignine via les laccases, Actes de l’Académie nationale des sciences (2022). DOI : 10.1073/pnas.2202287119