L’indépendance des grains de pollen : une question d’énergie

Les grains de pollen de maïs, de riz et de toutes les autres céréales ont besoin de stocker de l’amidon comme dépôt d’énergie pour une utilisation ultérieure lors de la fertilisation. Une équipe de recherche, dirigée par le Dr Ivan Acosta de l’Institut Max Planck pour la recherche sur la sélection végétale à Cologne, en Allemagne, avec des collègues du Centre des sciences végétales d’Umeå, en Suède, de l’Institut Max Planck de physiologie moléculaire des plantes, en Allemagne et de l’Université Rutgers, Les États-Unis ont maintenant identifié la phytohormone auxine comme principal moteur de la production d’énergie pendant la maturation du pollen chez l’orge.

L’étude, publiée dans Biologie actuellemontre un lien direct entre l’auxine et la fertilité du pollen, présentant un outil important pour améliorer la sélection végétale et une étape majeure vers une agriculture durable.

Après une longue journée de jeux et de courses à l’extérieur, on s’interroge parfois sur la quantité de nourriture que les petits enfants peuvent ingérer. Selon les circonstances, leurs besoins énergétiques varient. Cette variation de l’absorption d’énergie se produit également très tôt dans le développement, lorsque nos cellules ont besoin de croître et de mûrir, en développant leurs différentes fonctions. Alors que les interrupteurs de gestion de l’énergie, régulés par des hormones et des régulateurs spécifiques, ont été étudiés en détail dans les cellules animales, la recherche au cours du développement des plantes n’en est qu’à ses débuts.

Les plantes effectuent la photosynthèse pour leur développement et leur croissance. Au cours de la photosynthèse, le dioxyde de carbone ainsi que l’eau et l’énergie, sous forme de lumière, sont transformés en oxygène, glucose (sucre) et amidon. L’amidon est stocké sous forme de dépôt d’énergie pour garantir que la plante continue de croître et de se développer lorsque l’énergie de la lumière n’est pas disponible.

Le stockage de l’amidon est également nécessaire au développement et à la croissance du pollen de céréales. Sans amidon produit, le pollen n’est pas fertile et la plante est incapable de se reproduire. Mais comment et quand l’amidon s’accumule réellement dans le pollen restait incertain.

Une question d’énergie

Tous les éléments constitutifs de la production d’amidon provenant de la plante mère, la fabrication d’amidon reste une question d’énergie en tant que facteur limitant. Dans cette étude, les chercheurs ont identifié l’auxine comme l’hormone essentielle pour stimuler le flux d’énergie pendant la maturation du pollen d’orge. L’auxine est nécessaire pour augmenter la production des gènes et des voies qui génèrent de l’énergie sous forme d’ATP, l’adénosine triphosphate, l’unité moléculaire de monnaie pour les transactions énergétiques dans les cellules. Ainsi, la présence d’auxine active entraîne une augmentation du flux des voies de production d’énergie conduisant à de grandes quantités d’accumulation d’amidon dans le pollen.

Remarquablement, en utilisant des technologies génétiques moléculaires avancées, l’équipe de scientifiques a découvert que le pollen d’orge est capable de produire de l’auxine par lui-même, indépendamment de la plante mère. Ils ont identifié une enzyme spécifique du pollen, à savoir HvYUCCA4, qui est responsable de la dernière étape de la synthèse de l’auxine. Les chercheurs ont utilisé une plante mutante appelée génétique mâle stérile 38 (msg38), où HvYUCCA4 n’est pas fonctionnel, et le pollen est incapable de produire de l’auxine et de stocker de l’amidon. En conséquence, le pollen des plantes msg38 est non fertile. Avec l’aide de ce mutant, l’équipe a obtenu des informations supplémentaires sur la configuration très complexe et sensible au temps pour la fabrication de l’amidon. Pour assurer un développement réussi du pollen, la production d’amidon doit commencer à un point particulier pour s’achever juste avant que le pollen ne soit libéré de l’anthère, l’organe qui produit et disperse le pollen. L’auxine est un signal qui coordonne la synchronisation correcte de ces événements.

Implications pour l’agriculture

Les résultats soulignent comment une compréhension biologique approfondie des cultures permettra de larges applications pour l’avenir de l’agriculture. Une étape majeure vers le contrôle de la fertilité de l’orge et d’autres cultures et le développement de nouvelles lignées hybrides.

« Nos découvertes auront un fort impact à la fois dans la recherche fondamentale sur les plantes et dans la sélection céréalière appliquée », déclare Acosta.  » Le pollen d’orge sera un excellent système modèle pour étudier la synthèse et la signalisation de l’auxine sans les effets pléiotropes couramment associés à une carence en auxine chez d’autres plantes. La fonction très spécifique de HvYUC4 dans le développement du pollen d’orge suggère immédiatement l’inhibition chimique de cette enzyme particulière comme méthode pour contrôler la fertilité des mâles dans les cultures céréalières ; une telle stratégie permettrait la production à grande échelle de semences hybrides entre plusieurs paires de parents, le rêve d’un sélectionneur qui reste non réalisé. »