Observation in vivo des changements dans le métabolisme des plantes

Des chercheurs étudient les mécanismes clés de la régulation du métabolisme énergétique des plantes et, en utilisant une nouvelle méthode de technologie de biocapteur in vivo, ils ont ouvert la porte à la surveillance, en temps réel, des effets que les changements environnementaux ont sur le métabolisme redox central. L'étude des chercheurs de l'Université de Münster, avec la participation de l'Université de Bonn, a été publiée dans la revue The Plant Cell.

Jeune plantule de thalle crustacé de Arabidopsis thaliana avec le biocapteur fluorescent. L'image en fausses couleurs montre le statut redox du pool NAD dans les cellules et les tissus. Échelle arc-en-ciel du bleu (pool NAD oxydé) au rouge (pool NAD réduit).

Presque toute la vie sur Terre, en particulier notre alimentation et notre santé, dépend du métabolisme des plantes. Afin de comprendre le fonctionnement de ces processus métaboliques, des chercheurs de l'Institut de biologie et biotechnologie des Plantes de l'Université de Münster avec la participation de l'Université de Bonn étudient les mécanismes clés de la régulation du métabolisme énergétique. Désormais, pour la première fois, une nouvelle méthode de technologie de biocapteur in vivo leur a permis de suivre en temps réel les effets des changements environnementaux - par exemple, la lumière, la température, l'aridité, les inondations ou l'infestation par des ravageurs - sur le métabolisme central de la plante modèle Arabidopsis thaliana.

L'équipe de chercheurs a exprimé un capteur génétiquement codé à l'intérieur des plantes afin de rendre littéralement visible le processus métabolique central. "Parce que les plantes semblent très statiques de l'extérieur, elles doivent être des maîtres ultra-rapides de la flexibilité et de l'adaptation au sein de leurs cellules", déclare le Dr Janina Steinbeck, auteur principal de l'étude. "Nous sommes maintenant en mesure d'observer ces dynamiques en direct dans la plante vivante." Afin de mesurer le processus métabolique de la plante et d'en produire des images, les chercheurs ont utilisé la biocapture in vivo, une méthode permettant d'étudier en temps réel des organismes vivants, des tissus ou des cellules. Le biocapteur est constitué d'un élément de reconnaissance biologique, d'une protéine qui se lie spécifiquement à une molécule à détecter, et d'un élément de lecture, une protéine qui traduit la liaison à l'élément de reconnaissance en un signal lumineux.Le biocapteur actuellement utilisé a été initialement développé pour être utilisé dans les cellules nerveuses. Les chercheurs ont affiné ce capteur et l'ont développé afin qu'il puisse être utilisé dans les plantes.

Le capteur peut directement lier puis libérer les molécules NAD+ et NADH. Le soi-disant système redox NAD est d'une importance capitale pour le transfert d'électrons au cours du métabolisme dans presque tous les êtres vivants. Le capteur se compose d'une protéine bleu-vert fluorescente et d'une protéine rouge, qui changent toutes deux de luminosité en fonction de l'état NAD dans la cellule. La lecture du capteur dans les cellules vivantes est effectuée avec un microscope à balayage laser confocal moderne. La possibilité d'utiliser la détection in vivo du NAD dans les plantes ouvre de nouvelles options pour les chercheurs en plantes. "Pour nous, cette nouvelle méthode est une réussite en ce qui concerne la méthodologie car nous pouvons désormais acquérir une compréhension directe des processus métaboliques précisément là où ils se produisent dans la plante", explique le professeur Markus Schwarzländer, qui dirige le groupe de travail Plant Energy Biology à l'Université. de Münster."Par exemple, ce fut une surprise totale pour nous d'observer qu'un processus aussi clé que le métabolisme du NAD change si fondamentalement au cours d'une réaction immunitaire", ajoute-t-il.

Jusqu'à présent, les chercheurs n'avaient pu étudier ce type de processus métaboliques qu'en obtenant des extraits de plantes et en les analysant par des méthodes biochimiques. Dans cette approche, cependant, les cellules et les tissus sont détruits et il n'est plus possible de retracer exactement où les changements métaboliques se sont produits. Désormais, les chercheurs peuvent suivre les changements dynamiques du métabolisme redox - qui, entre autres fonctions, sert à fournir de l'énergie aux cellules - à partir de compartiments cellulaires spécifiques, ici dans le cytosol, dans les cellules individuelles, jusqu'aux organes complets dans les plantes vivantes intactes..

"La cellule intacte elle-même devient ainsi un objet de test pour la visualisation des processus de la vie. Nous pouvons ainsi observer la physiologie de la cellule en direct et ainsi mener des sciences de la vie dans le vrai sens du terme", explique le professeur Andreas Meyer, responsable du groupe de travail sur la signalisation chimique de l'Institut des sciences des cultures et de la conservation des ressources de l'Université de Bonn.

Cette approche permet de créer une première carte redox NAD de la plante entière et d'observer la dynamique redox dans les transitions de la lumière à l'obscurité ainsi que les changements dans l'état du sucre, la respiration cellulaire et l'apport en oxygène. "En conséquence, il devient évident à quel point le métabolisme et l'environnement sont directement liés", déclare Markus Schwarzländer. "Ce qui était particulièrement excitant, c'était la nouvelle connexion à la réponse immunitaire, dont nous n'avions pratiquement aucune idée auparavant, et qui doit maintenant être étudiée plus en profondeur."

Presque en même temps que la publication dans The Plant Cell, une étude menée par des chercheurs de Hong Kong a été publiée dans Nature Communications. Dans cette étude, un biocapteur différent pour le NAD a été exprimé à l'intérieur des plantes et utilisé pour étudier la photosynthèse. Les résultats des deux études se renforcent mutuellement. Schwarzländer conclut : "Les informations obtenues grâce à la nouvelle méthode peuvent jouer un rôle clé à l'avenir dans la culture de plantes qui rendent notre production alimentaire plus durable et contribuent à atténuer les effets du changement climatique. Une reconnaissance directe et précoce du stress dans les cultures agricoles pourrait également être possible".