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Face aux pressions environnementales, les êtres vivants ont généralement deux options pour assurer leur survie : la fuite, ou l’adaptation. Concernant les plantes, par nature fixées au sol, seule une réponse adaptative est envisageable. Reste encore à percer les mystères de sa mise en œuvre, ce que le projet RoxRNase s’attache à faire en décryptant les mécanismes moléculaires sous-jacents.

Canicule, infection virale, augmentation de la salinité… Les êtres vivants sont confrontés à des perturbations environnementales variées, que le réchauffement climatique ne fait qu’exacerber. Si un premier pas pour leur survie est de détecter ces menaces, il s’agit ensuite d’activer toute une armada de cascades de signalisation cellulaire pour les intégrer et y répondre efficacement.

Les réactions d’oxydoréduction, au cours desquelles les molécules s’échangent des électrons, constituent justement un carrefour d’intégration des signaux extérieurs dans les cellules. Appelées « rédox » par les intimes, ces réactions sont le point focal des travaux du chercheur perpignanais Jean-Philippe Reichheld1 : « Ces mécanismes existent chez tous les organismes vivants : animaux, végétaux, bactéries… ». Dans son équipe, c’est chez la plante qu’ils sont étudiés, notamment dans le cadre de la réponse au stress thermique : « Nous cherchons à comprendre comment les mécanismes rédox relaient ces stress et modulent l’expression des gènes pour induire des signaux de thermotolérance. »

Décoder la résilience végétale par le prisme rédox

Pour mieux comprendre l’implication de ces mécanismes dans la régulation épigénétique, le projet RoxRNase2 a vu le jour, en partenariat avec deux autres équipes : celle de Julio Sáez-Vásquez3, spécialiste des réponses aux stress chez les plantes, et celle de Hervé Vaucheret4, qui étudie les mécanismes épigénétiques. Une collaboration vieille de quelques années déjà : « Dans un travail préliminaire, nous avions montré que des enzymes impliquées dans l’expression des gènes sont sous contrôle rédox. Avec RoxRNase, nous avons voulu caractériser ces mécanismes-là en profondeur. »

L’un des grands objectifs du projet est ainsi de comprendre comment l’environnement rédox influence l’adaptation aux facteurs de stress, en modulant le métabolisme des petits ARN. Ces derniers, générés par des enzymes comme les DCL ou les RTL5, sont capables d’interagir avec d’autres ARN pour les désactiver. Ils interviennent ainsi dans des processus aussi variés que la régulation de la production de protéines pendant le développement, ou la réponse antivirale en cas d’infection par des virus à ARN : « Les virus peuvent aussi agir sur ce système, pour le contrebalancer. C’est un jeu de forces entre l’organisme invasif et son hôte, où chacun doit s’adapter pour survivre. »

Le projet RoxRNase a donc étudié deux types de stress : l’infection par des virus à ARN provoquant le jaunissement des feuilles, et l’exposition à un stress thermique.

_{Le virus TYMV provoque un jaunissement des feuilles, qui est d'autant plus prononcé chez les plantes n’exprimant pas l'enzyme DCL4, comme on le voit sur la photographie de droite. © Hervé Vaucheret}

« Nous utilisons plusieurs protocoles pour mimer des stress thermiques différents : par exemple, une vague de chaleur intense, ou une augmentation de température modérée sur un temps long. », explique le chercheur. Chaque protocole a des effets distincts. Dans le premier cas, la plante peut subir une mort cellulaire et un flétrissement des feuilles. Dans le second, l’expression de certains gènes est modifiée, ce qui induit des modifications morphologiques, comme une floraison précoce, une élongation de la tige ou une diminution de la croissance des feuilles. Ce processus, appelé « thermomorphogenèse », permet à la plante d’adapter son phénotype pour supporter la chaleur.

_{A 28°C, les plantes sauvages (« WT ») et mutées (« dcl4 », dépourvues de la protéine DCL4), ont un phénotype différent de leurs consœurs cultivées à 20°C. Elles ont subi une thermomorphogenèse. © Juline Auverlot}

De nouvelles clés de compréhension moléculaires

Selon Jean-Philippe, le résultat majeur de RoxRNase concerne l’une des briques moléculaires composant les enzymes RTL et DCL : un acide aminé nommé cystéine. Plus précisément, ils ont découvert qu’une modification de cet acide aminé, sensible à l’équilibre rédox, assume une fonction de signalisation en cas de stress : « Les travaux de Juline Auverlot, étudiante en thèse, suggèrent que ce mécanisme est répandu dans cette famille de protéines. »

Les recherches de Juline ont également montré que le stress thermique provoque un changement réversible de la localisation de ces enzymes vers des condensats biomoléculaires, où elles sont colocalisées avec des ARN. D’après Jean-Philippe, ces condensats apportent leur lot d’interrogations : « Ils ont d’abord été découverts chez les animaux, et sont maintenant très étudiés chez les plantes. Plusieurs hypothèses existent concernant leur fonction : stockage transitoire des ARN et des protéines pour les préserver, concentration des protéines pour augmenter leur activité… C’est un domaine en plein essor, et nous avons encore beaucoup à en apprendre. »

_{Les plantes ont été mutées pour que l’enzyme DCL4 soit exprimée fusionnée avec une protéine fluorescente verte appelée GFP, très utilisée par les scientifiques pour étudier les molécules en microscopie. A 20°C, la DCL4 est diffuse dans les cellules, alors qu’à 37°C, on observe de petits points verts qui correspondent aux condensats biomoléculaires dans lesquels les DCL4 sont relocalisées. © Juline Auverlot}

Un autre acteur moléculaire clé dans l’homéostasie rédox est le glutathion, sur lequel les chercheurs se sont également penchés. Une molécule dont l’absence est fatale aux êtres vivants, et dont le niveau dans les cellules peut varier : « Ces variations peuvent impacter la tolérance au stress et le développement par exemple. » Les scientifiques ont étudié des plantes sauvages et des plantes mutantes ayant un niveau de glutathion réduit, pour mieux comprendre son rôle en cas de stress thermique. Ils ont observé une diminution transitoire du niveau de glutathion dans ces conditions, accompagnée d’une réponse accrue des gènes de stress oxydatif et d’une activation possible des enzymes antioxydantes, dont l’étude est toujours en cours : « D’après nos résultats, il y aurait un panel de réponses favorisant la thermotolérance via le glutathion », souligne Jean-Philippe.

Vers des plantes plus résistantes

A terme, RoxRNase devrait permettre de comprendre en profondeur la manière dont les voies de signalisation rédox sont impactées par les facteurs de stress : « Jusqu’à présent, nous avons principalement étudié les réponses au stress thermique. Nous n’avons pas encore mené les analyses sur l’effet de l’infection virale, car la génération des plantes transgéniques indispensables à nos études a pris du temps. Nous allons pouvoir compléter nos résultats sur cet axe dès les mois à venir. »

En élucidant ces voies de signalisation, les chercheurs espèrent cerner précisément les acteurs moléculaires de la tolérance au stress. Ceux-là pourraient ainsi servir de cibles pour de futures recherches sur la résilience face aux pressions environnementales, pour les végétaux comme pour les autres organismes, les mécanismes rédox étant hautement conservés dans le vivant. Un enjeu de taille, considérant les trajectoires climatiques qui se dessinent, s’éloignant drastiquement des objectifs internationaux de limitation du réchauffement fixés par l’accord de Paris il y a une dizaine d’années.

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Ces recherches ont été financées en tout ou partie, par l’Agence Nationale de la Recherche (ANR) au titre de l'ANR RoxRNase - AAPG2020. Cette communication est réalisée et financée dans le cadre de l’appel à projet Science Avec et Pour la Société - Culture Scientifique Technique et Industrielle pour les projets JCJC et PRC des appels à projets génériques 2020 (SAPS-CSTI JCJC et PRC AAPG 20).