Les scientifiques ont franchi une étape importante vers la construction de la première usine numérique au monde en développant un modèle informatique sophistiqué qui a également résolu l’un des mystères les plus persistants de la science végétale : le rôle de l’horloge biologique.
Quiconque a souffert du décalage horaire peut s’identifier aux effets dévastateurs d’une horloge biologique perturbée. Maintenant, une nouvelle étude a révélé que les plantes souffrent également lorsque leurs horloges ne sont pas synchronisées.
En créant une usine en décalage horaire permanent – l’équivalent d’un vol quotidien de New York au Royaume-Uni – les chercheurs ont découvert que la perturbation de l’horloge biologique d’une plante avait un impact sur sa croissance. L’équipe a également créé un modèle informatique de la plante « en décalage horaire » capable de prédire avec précision l’effet sur la croissance et de révéler quelles voies moléculaires sont affectées par des gènes d’horloge défectueux.
Cette avancée représente un pas en avant significatif dans la création d’un organisme numérique multicellulaire complexe, un exploit qui a rarement été réalisé en dehors des microbes unicellulaires.
L’approche, qui fait l’objet de discussions depuis plus d’une décennie, devrait bientôt s’étendre à d’autres voies régulées par l’horloge et conduire à de nouvelles connaissances sur la biologie végétale plus large qui pourraient aider à améliorer les rendements des cultures et la résilience pour mieux faire face au changement climatique.
Toutes les plantes ont une horloge biologique, un système de chronométrage moléculaire qui détecte les changements dans l’environnement et prépare la plante aux changements du crépuscule à l’aube et de saison en saison. Bien que chaque cellule végétale semble avoir sa propre horloge, qui contrôle environ 30 % de ses gènes, on savait peu de choses sur leur rôle dans la croissance des plantes.
Pour résoudre ce problème, une étude menée par des chercheurs de l’Université d’Édimbourg a examiné les effets des mutations dans les gènes de l’horloge d’Arabidopsis thaliana, une espèce végétale largement étudiée. Les plantes mutantes de l’horloge ont permis à l’équipe de déterminer si les gènes de l’horloge étaient impliqués dans la libération nocturne par la plante du sucre stocké dans l’amidon, qui alimente leur croissance.
Les plantes doivent gérer avec soin l’énergie qu’elles captent par la photosynthèse pendant la journée. Libérer le sucre des magasins d’amidon trop rapidement ou trop lentement pendant la nuit peut bloquer leur croissance. Les scientifiques ont étudié la croissance des plantes Arabidopsis avec des mutations dans leurs gènes d’horloge qui ralentissaient trop l’horloge, comme si la journée durait 29 heures au lieu de 24 heures.
Chez ces mutants, la libération nocturne des sucres de l’amidon était plus lente que chez les plantes normales et la croissance était réduite.
Ils ont également créé un modèle informatique de ces mutants d’horloge, connu sous le nom de modèle cadre, qui combinait des modèles mathématiques de l’activité des gènes d’horloge avec des modèles métaboliques et physiologiques. Les résultats ont révélé que le modèle cadre simulait avec précision les effets sur la croissance des plantes, prédisant correctement que la lente libération des sucres de l’amidon pendant la nuit chez les mutants d’horloge était responsable du ralentissement de leur croissance.
Les résultats contrastent avec des études antérieures sur d’autres mutants d’horloge, qui indiquaient que les horloges biologiques perturbées interrompent la croissance des plantes en affectant les processus clés de la photosynthèse. En plus de révéler le rôle de l’horloge de 24 heures de la plante, le modèle cadre a pu lier les gènes, par des voies moléculaires mesurables, à son impact sur la plante entière – un défi classique en génétique.
Cette réalisation équivaut à comprendre un syndrome de santé humaine causé par un changement génétique qui influence subtilement de multiples voies physiologiques.
La prochaine étape de l’équipe consiste à utiliser le modèle de cadre Arabidopsis pour prédire comment la séquence du génome de la plante contrôle ces caractéristiques et traits physiques, connus sous le nom de phénotype. En cas de succès, l’approche pourrait être appliquée plus largement et conduire à la compréhension « grande unifiée » recherchée de la biologie, révélant l’interaction entre les génomes et les systèmes vivants qu’ils créent.
En utilisant cette approche, qui vise à prédire le fonctionnement des systèmes vivants, des modèles similaires pourraient être développés pour aider à donner un sens aux vastes ensembles de données générés par les progrès du séquençage du génome. Ce type d’avancée pourrait également démêler la complexité des résultats moléculaires pour déchiffrer lesquels sont les plus importants et ont le plus grand impact sur la santé et la maladie des organismes vivants.
Le professeur Andrew Millar de l’École des sciences biologiques de l’Université d’Édimbourg, déclare que « le succès du modèle Framework montre que nous pouvons comprendre les effets subtils au niveau de la plante entière, dans ce cas simplement en modifiant le moment de l’expression des gènes. Par ‘ comprendre », nous voulons dire « expliquer et prédire ». Tous les détails de ce modèle ne seront pas transférés aux espèces cultivées, mais il étend les « preuves de principe » pour éclairer l’amélioration des cultures au niveau moléculaire.
L’étude a été publiée dans Plantes in silico.
Plus d’information:
Andrew Millar et al, The Arabidopsis Framework Model version 2 prédit les effets au niveau de l’organisme de la mauvaise régulation des gènes de l’horloge circadienne, Plantes in silico (2022). DOI : 10.1093/insilicoplants/diac010