Nous sommes responsables du stress qu’éprouvent les plantes

Les chercheurs travaillent activement pour isoler ou sélectionner des plantes capables de croître dans des conditions environnementales défavorables. (Shutterstock)

Souleïmen Jmii, Université du Québec à Montréal (UQAM)

Les végétaux qui peuplent la Terre ont l’incroyable capacité de grandir sans cesse pendant des centaines d’années. Croître encore et toujours vers la lumière du soleil qui leur fournit l’énergie nécessaire pour s’élever. Les modifications dans leur environnement, comme les variations de luminosité, de température et d’humidité sont à l’origine de cette croissance.

Mais les changements climatiques actuels constituent de nouveaux stimuli qui dérèglent la croissance normale des plantes.

Candidat au doctorat en biochimie à l’Université du Québec à Montréal, je m’intéresse à la structure des protéines végétales et j’étudie au niveau moléculaire la manière dont les plantes s’adaptent aux stress environnementaux (sécheresse, froid, carences) afin de sélectionner des variants plus résilients pour l’agriculture.

Pando, un exemple de longévité difficile à égaler

La plus vieille forêt sur la planète a 80 000 ans et se nomme Pando. Elle se situe dans l’Utah aux États-Unis et regroupe des milliers de peupliers faux-trembles identiques d’un point de vue génétique (des clones) qui communiquent avec le même réseau de racine.

Pando est considéré comme étant l’organisme vivant le plus vieux de la planète. Cette colonie de plus de 40 000 arbres a vu le jour 30 000 ans avant que les premiers Homo Sapiens ne commencent à s’installer en Europe. Pando a donc connu la totalité de la vie des humains modernes ; les grands empires de Chine et de Rome, les guerres mondiales, mais également des grandes prouesses de l’humanité.

Forêt de peupliers — Des peupliers faux-trembles identiques de la Fishlake National Forest, en Utah. Ils font partie de la plus vieille forêt sur la planète, appelée Pando, et âgée de 80 000 ans. (Shutterstock)

Néanmoins, les peupliers de la colonie ne poussent pas incessamment depuis 80 000 ans. D’une part, parce que leur développement est rythmé par les saisons. D’autre part, car ils doivent contrôler leur croissance pour se développer selon leurs besoins, leurs capacités physiques et afin de faire face à des agressions extérieures. La crise climatique actuelle affecte ainsi directement cette régulation normale de la croissance, en perturbant les stimuli environnementaux extérieurs.

La croissance des végétaux, un secret enfoui dans la cellule

Les plantes forment, au besoin, de nouveaux organes tels que les feuilles, les fleurs, ou les racines, pour donner suite à un stimulus extérieur de l’environnement. Par exemple, une modification de la période d’exposition à la lumière durant le printemps déclenche la floraison. Ces stimuli vont agir sur l’ADN en activant les gènes spécifiques au développement de chaque organe pour former une plante adulte. L’ADN est comparable à un dictionnaire, dans lequel on retrouve les gènes qui codent pour les particularités physiques de la plante. Ces gènes sont les mots du vivant qui doivent être lus pour exprimer leur sens, et donc les informations qu’ils renferment.

Dès la germination de la graine, jusqu’à la reproduction par ses fleurs, en passant par la formation des tiges, des racines et des feuilles, toutes les étapes de développement et de croissance des plantes sont dues à un phénomène de lecture des gènes. Ainsi pour lire les gènes, il faut des activateurs spécifiques à chacun des mots. Si les paramètres environnementaux changent et sont favorables à la croissance, alors ces activateurs se positionnent à l’avant du gène à lire pour l’exprimer, et conduit à la croissance spécifique de l’organe codé par le gène.

Activation des gènes liés à la croissance végétale grâce aux activateurs de croissance. (Souleïmen Jmii), Fourni par l'auteur

Les protéines DELLA décident si la plante peut croître

Les végétaux ne peuvent pas se permettre de croître de manière infinie, car la croissance a un coût énergétique. D’ailleurs, les végétaux stoppent leur croissance durant l’hiver et entrent en dormance pour traverser la saison, à l’image des animaux qui hibernent. Pour ce faire, les végétaux bloquent la lecture des gènes grâce à des garde-fous : les protéines DELLA).

Ce sont des protéines présentent uniquement chez les végétaux. Elles ont été conservées tout au long de l’évolution. On les retrouve notamment chez les mousses, les fougères, les conifères et les plantes à fleurs. Les DELLA sont localisées dans le noyau des cellules, au plus proche de l’ADN. Elles sont produites en tout temps et séquestrent les activateurs des gènes.

Blocage de la croissance par séquestration des activateurs, grâce aux protéines DELLA. (Souleïmen Jmii), Fourni par l'auteur

Pour croître, les plantes doivent donc détruire les DELLA pour libérer les activateurs. Les plantes ont mis au point un système d’étiquetage de ces protéines pour influencer leur devenir dans la cellule selon ses besoins. Ainsi, pour dégrader les DELLA, la cellule ajoute une petite protéine, appelée ubiquitine, à sa surface. L’ubiquitine joue le rôle de timbre-poste pour indiquer à la cellule d’acheminer les DELLA vers une nouvelle destination, une « poubelle cellulaire », où elles finiront par être dégradées.

Dégradation des protéines DELLA grâce à l’étiquetage par l’ubiquitine (Ub). (Souleïmen Jmii), Fourni par l'auteur

La crise climatique bloque la dégradation des DELLA

Le dérèglement du climat est à l’origine d’inondations ou d’épisodes de sécheresse, que l’on voit apparaître plus fréquemment partout sur la planète. De par leurs modes de vie fixés, les végétaux ne peuvent pas fuir face à ces agressions extérieures.). Ces nouveaux paramètres environnementaux stressent ainsi les plantes sauvages et les cultures agricoles en perturbant leur croissance.) Elles doivent alors économiser leur énergie pour survivre plutôt que croître, et ne doivent donc pas dégrader les protéines DELLA). Ceci passe par un autre étiquetage des protéines DELLA, par une cousine de l’ubiquitine, que les scientifiques ont nommé SUMO. SUMO va prendre la place de l’ubiquitine, et sert de bouée de sauvetage afin qu’elle ne se fasse pas dégrader.

Compétition entre l’ubiquitine (Ub) et SUMO sur le même site d’étiquetage. (Souleïmen Jmii), Fourni par l'auteur

En réalité, l’étiquetage par SUMO se fait exactement au même endroit où l’ubiquitine devrait être ajoutée. La présence de SUMO ne rend plus possible l’ajout de l’ubiquitine, ce qui permet aux plantes de traverser cet épisode climatique défavorable.

La croissance des organes des végétaux est un phénomène modulé avec une précision fine qui se fait en toute discrétion sous nos yeux. Les plantes croissent selon leurs besoins, mais également pour donner suite aux stimuli environnementaux saisonniers. Néanmoins, les changements climatiques accroissent ces variations environnementales avec une intensité sans précédent, ne permettant pas aux plantes de s’adapter. Les plantes capables d’activer la bouée SUMO rapidement ont alors un avantage pour survivre.

Dans le contexte climatique actuel, il est important d’investiguer et comprendre ce mécanisme de croissance des végétaux pour espérer conserver une pérennité dans les cultures agricoles. Les chercheurs travaillent activement pour isoler ou sélectionner des plantes capables d’activer rapidement SUMO afin de croître dans des conditions environnementales défavorables.

Souleïmen Jmii, Ph.D Biologie structurale / Biochimie végétale, Université du Québec à Montréal (UQAM)

Cet article est republié à partir de The Conversation sous licence Creative Commons. Lire l’article original.