L'étudiant diplômé Tim Kelliher et la professeure Virginia Walbot examinent des glands de maïs sur le terrain sur le campus de Stanford. Photo :L.A. Cicéron
En utilisant une approche simple, une équipe de scientifiques de l'Université de Stanford a démontré que de faibles niveaux d'oxygène au plus profond des fleurs en développement suffisent pour déclencher la formation de cellules sexuelles végétales. Les découvertes pourraient conduire à de nouvelles techniques de sélection végétale.
La vie sexuelle du maïs a attiré beaucoup d'attention au fil des ans. Vers 5 000 avant J.-C., les agriculteurs des Amériques produisaient déjà les premières variétés de maïs hybrides en croisant les plantes pour générer des plantes plus grosses ou des grains colorés.
Aujourd'hui, la production de semences hybrides de maïs est une industrie de plusieurs milliards de dollars, et le croisement est également fondamental pour la production de la plupart des autres espèces. Mais malgré le rôle central de la reproduction des plantes dans l'agro-industrie, les chercheurs n'ont jamais répondu à une question fondamentale :d'où viennent les cellules sexuelles des plantes ?
La réponse, selon Virginia Walbot, professeur de biologie à Stanford, et Timothy Kelliher, étudiant diplômé, est étonnamment simple. Dans une série d'expériences élégantes - Walbot se targue de "penser à des expériences que vous pouvez faire pratiquement sans argent" - les chercheurs ont démontré que de faibles niveaux d'oxygène au plus profond des fleurs en développement suffisent pour déclencher la formation de cellules sexuelles. /P>
La découverte n'est pas seulement d'intérêt académique.
"Le contrôle de la reproduction des plantes est assez fondamental pour l'agriculture moderne", a déclaré Walbot.
Dans une industrie du maïs qui continue d'effeuiller le maïs de semence à la main afin de contrôler qui fertilise qui, une technique qui active ou désactive la production de cellules sexuelles pourrait permettre un contrôle considérablement accru sur le croisement des plantes.
Le document de recherche est paru récemment dans la revue Science.
Quand deux fleurs s'aiment beaucoup
Toutes les plantes à fleurs produisent du pollen dans des structures appelées anthères, qui, dans le maïs, poussent à partir du groupe distinctif de fleurs mâles que nous connaissons sous le nom de gland. Mais avant que ces anthères ne mûrissent, elles sont disposées en forme de trèfle au plus profond de la plante. Les cellules centrales de chacun de ces lobes en forme de trèfle se transformeront en cellules sexuelles et, éventuellement, en pollen.
Le mécanisme derrière ce développement était inconnu chez les plantes. Chez les animaux, les cellules environnantes signalent à la lignée germinale de commencer à se former à partir d'une seule « cellule fondatrice ». Walbot et Kelliher penchaient vers ce point de vue, ayant identifié deux molécules de signalisation prometteuses, MAC1 et MSCA1. Les plantes dépourvues de la protéine MAC1 ont développé trop de cellules germinales. Les plantes dépourvues de MSCA1 n'en avaient pas du tout.
De toute évidence, MAC1 était important pour organiser les cellules non sexuelles autour des cellules germinales, tandis que MSCA1 était nécessaire pour que les cellules se développent en cellules sexuelles. Mais le lien entre les deux, et ce qui a initialement conduit à leur expression, restait flou.
Un rôle pour redox
Bien que la plupart des chercheurs aient supposé que, comme chez les animaux, les cellules sexuelles se développaient à partir d'un ensemble spécial de cellules avec une prédilection prédéterminée pour le rôle, Walbot et Kelliher ont vu deux indices qui impliquaient le contraire.
Premièrement, la disposition physique des cellules sexuelles n'indiquait pas l'existence d'un seul «fondateur». En fait, cela suggérait un scénario où "votre position en tant que cellule comptait plus que qui étaient vos parents", a déclaré Kelliher.
Deuxièmement, le fonctionnement de l'enzyme MSCA1 suggère que les niveaux d'oxygène pourraient jouer un rôle dans le processus de signalisation.
L'environnement à l'intérieur d'une plante peut être soit "oxydant" - où l'oxygène est abondant et l'oxydation est favorisée - soit "réducteur" - où l'oxydation est empêchée, généralement par un manque d'oxygène réactif, et le processus inverse de réduction est favorisé. Il se trouve que MSCA1 a envoyé son signal par réduction, ce qui signifie que différents niveaux d'oxygène peuvent avoir différents effets sur le développement.
Pour tester la théorie, les chercheurs ont inséré une sonde profondément dans le tissu immature de l'anthère du maïs. Ce qu'ils ont trouvé était révélateur :des niveaux d'oxygène anormalement bas - probablement un effet secondaire de l'activité métabolique des anthères à croissance rapide - au moment précis où les cellules commençaient à se transformer en cellules sexuelles.
Tuyau de maïs
Pour voir si une faible teneur en oxygène était à elle seule responsable du développement des cellules sexuelles, les chercheurs ont enfilé un tuyau en plastique dans l'anthère en développement et y ont introduit des mélanges de gaz.
Des concentrations élevées d'oxygène ont considérablement réduit le nombre de cellules sexuelles. De fortes concentrations d'azote gazeux, qui est inerte et fournit un environnement réducteur, augmente la formation de cellules sexuelles.
"Ce fut une expérience remarquablement facile", a déclaré Walbot. "Nous avons eu les premiers résultats en deux jours."
Les chercheurs ont montré que de faibles niveaux d'oxygène pouvaient même amener des cellules situées à l'extérieur des lobes de l'anthère - qui ne produiraient normalement jamais de pollen - à se développer en cellules sexuelles.
Dans l'ensemble, a expliqué Walbot, les preuves suggèrent que les variations naturelles des niveaux d'oxygène à l'intérieur de l'anthère en croissance provoquent d'abord l'hypoxie des cellules centrales :"Les cellules les plus hypoxiques peuvent alors actionner l'interrupteur."
Une fois que les niveaux d'oxygène descendent en dessous d'un certain seuil, MSCA1 est enfin capable de se mettre au travail et de réduire sa cible, transformant les cellules centrales en cellules sexuelles. Ces cellules libèrent ensuite MAC1, qui à son tour garantit que les cellules extérieures ne deviennent pas germinales.
Il s'agit d'un modèle de différenciation de l'intérieur vers l'extérieur, totalement différent de ce que font les lignées germinales animales - ce qui peut expliquer pourquoi il a fallu si longtemps pour être découvert.
"L'usine tire parti de sa propre structure pour créer ce signal de développement", a déclaré Kelliher. "Et puis n'importe quelle cellule peut créer la prochaine génération tant qu'elle est au bon endroit - vous n'avez pas besoin d'être spécialement désigné. C'est une sorte d'idée romantique."
Les enfants de la recherche sur le maïs
La surveillance de l'ensemble de ce processus de fertilité des plantes est cruciale pour l'industrie des semences hybrides. Les champs sont généralement plantés de deux variétés de maïs de semence qui vont être croisées. Afin d'empêcher les plantes de se fertiliser - ce qui donne des plantes de qualité inférieure - tous les glands d'une espèce doivent être supprimés.
C'est une tâche énorme qui nécessite des machines d'épilation spécialisées, suivies par des personnes qui vérifient les plantes manquées.
"Actuellement, ils enlèvent les glands sur 1 million d'acres de maïs chaque année, à raison de 20 000 plants par acre", a déclaré Walbot. "Ce sont des milliards de plantes émondées à la main."
Des variétés stériles de maïs ont été développées qui ne nécessitent pas de détachement, mais les versions auto-entretenues se sont avérées difficiles à perfectionner. Une méthode de stérilisation à faible teneur en oxygène pourrait rendre l'hybridation automatisée beaucoup plus simple, lui permettant d'être appliquée à un grand nombre de variétés.
"Nous laissons ces applications à l'industrie", a déclaré Walbot. Mais les effets de la recherche pourraient être de grande envergure. En supposant que les résultats soient vrais pour toutes les plantes à fleurs, comme un certain nombre de groupes de recherche cherchent maintenant à le confirmer, la découverte pourrait ouvrir un nouveau niveau de contrôle de la fertilité pour une vaste gamme de cultures.
L'université de Stanford cherche actuellement à obtenir un brevet sur certaines des conclusions de l'article.
Image :L. A. Cicéron
