Pourquoi la communication entre organites est-elle importante (L. Merendino) ?

Les plastes et les mitochondries fournissent l’énergie nécessaire au métabolisme cellulaire, mais font également office de « salles de contrôle » centrales, intégrant les signaux externes et internes pour réguler la croissance et le développement. Leur état fonctionnel est transmis au noyau par le biais d’une signalisation rétrograde, modulant ainsi l’expression génique et coordonnant les activités des autres compartiments cellulaires. Une illustration classique est le développement des plantules dans des conditions souterraines hypoxiques : la respiration mitochondriale et les processus dépendants de l’O₂ dans les étioplastes (plastes différenciés à l’obscurité) sont limités, ce qui entraîne une reprogrammation du développement et de l’expression nucléaire.

Lorsque les graines d’Arabidopsis sont recouvertes de terre et germent dans l’obscurité, les plantules suivent un programme de développement précoce spécifique à l’obscurité (skotomorphogenèse) : un hypocotyle allongé, des cotylédons petits et non verts, ainsi qu’un crochet apical qui protège le méristème lors de la sortie du sol. Sous le sol, les plantules souffrent d’hypoxie et de stress organellaire en raison d’une diffusion limitée de l’oxygène, en particulier lorsque le sol est compacté et/ou inondé. Une compréhension approfondie de l’émergence dans des conditions de stress nécessite des connaissances sur la germination et la skotomorphogenèse, qui sont régulées par un réseau hormonal complexe. Les objectifs de l’équipe consistent à identifier les multiples voies de signalisation impliquées au cours du développement précoce souterrain, dans le but ultime d’améliorer la capacité d’émergence dans des conditions contraignantes. Notre hypothèse de recherche est que les processus dépendants de l’O₂ dans les mitochondries et les étioplastes sont utilisés par la cellule non seulement pour fournir de l’énergie, mais aussi pour détecter la tension en O₂ souterraine, ce qui conduit à une adaptation skotomorpho-génique au sol. Nous émettons l’hypothèse que les espèces réactives de l’oxygène (ROS) générées par le stress organellaire servent de messagers principaux pour reprogrammer la transcription nucléaire, ce qui permet ensuite d’ajuster le fonctionnement des organites, l’équilibre hormonal (éthylène, gibbérellines, auxines) et la morphologie globale de la plante (figure 1).

NAD⁺ – Le « commutateur principal » du métabolisme (B. Gakière)

Au-delà de son rôle redox, le NAD⁺ orchestre le développement des plantes, leur tolérance au stress et leurs mécanismes de défense. Chez Arabidopsis, l’enzyme L-aspartate oxydase (AtLASPO) – première étape déterminante de la biosynthèse du NAD⁺ – contrôle étroitement les réserves de NAD⁺. Les plantes de type sauvage acclimatées au stress régulent à la hausse l’expression d’AtLASPO, préparant ainsi les voies dépendantes du NAD⁺ à une réponse rapide. À l’inverse, la surexpression constitutive d’AtLASPO augmente les niveaux de NAD⁺, ce qui se traduit par une biomasse plus importante, un meilleur rendement en graines et une meilleure résilience face au stress abiotique.

Comprendre comment la régulation du NAD⁺ permet aux plantes de s’adapter à leur environnement revêt une grande importance et aura des répercussions tant pour les sélectionneurs que pour les producteurs (cf. notre brevet européen et américain). Le gène L-ASPO semble être un locus régulateur clé qui contrôle la production d’énergie et l’homéostasie des plantes dans diverses conditions de stress, comme le confirme la présence d’éléments cis impliqués dans les réponses aux nitrates, à l’ABA, à l’acide salicylique (SA), aux antioxydants et dans les réponses photorégulatrices. Sur cette base, nous proposons de rechercher de nouvelles lignées riches en NAD⁺ à l’aide de criblages génétiques EMS (recherche de mutants révertants parmi des plantes KD L-ASPO mutagenisées) ou parmi des écotypes naturels (en collaboration avec la plateforme M3P à Montpellier). Nous chercherons également à améliorer la capacité enzymatique de la LASPO à l’aide d’une mutagenèse aléatoire et dirigée (en nous appuyant sur les connaissances relatives au lien séquence/activité de la protéine L-ASPO chez les bactéries). Les mutations sélectionnées lors d’études d’activité menées avec la protéine LASPO recombinante seront ensuite transférées in planta par la technique CRISPR. Dans l’ensemble, ces études contribueront à identifier des génotypes présentant un intérêt agronomique.

Les métabolites énergétiques jouent un rôle fondamental dans l’expression génique, et plusieurs liens essentiels entre le NAD⁺ et la régulation de l’expression génique ont été établis chez les animaux, mais ces connaissances restent rares chez les plantes. Nous proposons d’étudier le lien entre l’état énergétique et les mécanismes d’expression génique dans des conditions de stress abiotique, qui induisent une forte consommation de NAD⁺, en tirant parti de la grande résistance de nos plantes riches en NAD⁺ à ces stress.

Notre vision

Le projet RESILIENCE vise à élucider le réseau moléculaire reliant l’énergie des organites, la signalisation redox, la signalisation rétrograde et l’expression génique nucléaire, afin de mettre au point, à terme, des cultures capables de résister aux défis environnementaux du XXIe siècle. Rejoignez-nous pour découvrir les dialogues cachés qui assurent la résilience des plantes.