Comment les plantes se «souviennent» du stress thermique pour acquérir une tolérance
Les grandes cultures étant confrontées à un éventail de facteurs de stress abiotiques (non biologiques), notamment des températures extrêmes, la sécheresse et la salinité, les plantes ont modifié leurs réponses moléculaires pour évaluer ces facteurs de stress et s’y adapter. Le délai de réponse d’une plante est crucial pour sa survie, les réponses fluctuantes différant fortement de celles développées pour un stress récurrent. Selon Isabel Bäurle, coordinatrice du projet CHROMADAPT: «la recherche s’est essentiellement concentrée sur la réponse immédiate au stress, et elle a éclipsé le fait que dans la nature, le stress est un phénomène récurrent». CHROMADAPT, financé par le Conseil européen de la recherche, s’est particulièrement intéressé à la base moléculaire de l’«amorçage» chez les plantes, qui renforce les réponses à un stress récurrent. Un constat important a été que les plantes ont la capacité de «se souvenir» du stress thermique grâce à un mécanisme faisant intervenir des facteurs de transcription et des modificateurs de chromatine. Les chercheurs ont également constaté la présence de ce mécanisme chez des plantes vaguement apparentées, comme l’orge.
Mémoire du stress thermique
CHROMADAPT a étudié la petite plante à fleurs Arabidopsis thaliana, aussi appelée Arabette des dames. En plus de présenter des mécanismes moléculaires similaires à ceux des plantes cultivées, ce modèle offrait un large éventail de ressources de recherche préexistantes. Le projet a utilisé la génétique directe et inverse, y compris CRISPR, pour identifier les régulateurs de la mémoire du stress thermique. La génétique classique est une technique moléculaire qui identifie les gènes responsables de phénotypes ou de traits particuliers. La génétique inverse, quant à elle, cherche à déterminer si un gène spécifique remplit une fonction dans le processus à l’étude. Après avoir identifié les gènes responsables de la mémoire du stress thermique au niveau moléculaire, l’équipe a simulé un stress thermique en laboratoire afin de vérifier si ces gènes jouent également un rôle important pour conférer une tolérance à la chaleur à la plante dans son ensemble. Les semis d’Arabette des dames ont été incubés à 37 degrés Celsius pendant une heure, afin qu’ils puissent s’acclimater aux températures élevées, un processus que l’on appelle «amorçage». Ce phénomène a été répété quelques jours plus tard à une température de 44 degrés Celsius. «Les semis qui n’avaient pas été amorcés n’ont pas survécu à ce stress. Mais comme nos plantules expérimentales ont développé une mémoire du stress thermique, elles se protègent rapidement et cette protection dure plusieurs jours», explique Isabel Bäurle. L’explication de cette mémoire semble résider dans la chromatine.
Le rôle de la chromatine
La chromatine est un mélange d’ADN et de protéines qui constitue les chromosomes dans les cellules. Son organisation est variable et influence l’expression des gènes, y compris de ceux responsables de la mémoire du stress thermique. Les gènes induits par des températures élevées, par exemple, produisent des protéines qui réparent et offrent une protection contre les dommages causés par d’autres protéines. CHROMADAPT a constaté que la chromatine de ces gènes change après l’induction de la chaleur et conserve ces changements en tant que «rappel» pour les cas de stress récurrent. «Lorsque la mémoire du stress thermique est déclenchée, les modifications de la chromatine assurent une action plus longue de ces gènes après que le stress s’est s’estompé ou leur réactivation plus rapide et plus forte en réponse à un stress thermique récurrent», explique Isabel Bäurle. L’équipe mène actuellement des tests visant à découvrir ce qui arrive aux plantes lorsque ces gènes sont désactivés sous l’effet de mutations.
Sécurité alimentaire
Face à la hausse des températures mondiales qui risque d’entraîner une baisse des rendements pour toutes les grandes cultures, l’industrie agroalimentaire mondiale est à la recherche de solutions. CHROMADAPT a pris l’orge comme modèle pour les cultures céréalières et a émis l’hypothèse que les gènes pertinents pour la mémoire du stress thermique chez Arabidopsis le sont également pour l’orge, découvrant que le gène FORGETTER1 joue un rôle dans la réponse à la chaleur dans les deux cas. L’équipe utilise actuellement CRISPR pour créer de candidats de gènes mutés de l’orge afin de déterminer leur influence sur la chromatine, sur les autres gènes, sur la formation des protéines ainsi que la tolérance au stress thermique. «Notre nouvelle compréhension de l’adaptation à long terme des plantes au stress abiotique ouvre la voie à une sélection de cultures plus tolérantes au stress en tant que mesure d’atténuation proactive contre la réduction des sources de nourriture», conclut Isabel Bäurle.
Mots‑clés
CHROMADAPT, changement climatique, plante, culture, stress, chromatine, Arabette des dames, génétique, rendement
