Des scientifiques du Laboratoire national de Brookhaven ont découvert une mutation qui rend les plantes Arabidopsis normales (à gauche) déficientes en stérol (à droite). Ils ont fait des expériences génétiques et biochimiques approfondies pour établir le rôle essentiel du stérol dans la formation de gouttelettes d'huile. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Les scientifiques identifient le stérol essentiel pour l'accumulation d'huile dans les plantes
Les scientifiques cherchant à démêler les détails de la façon dont les plantes produisent et accumulent du pétrole ont identifié un nouveau composant essentiel de la chaîne de montage. Ils ont découvert un stérol particulier, une molécule apparentée au cholestérol, qui joue un rôle clé dans la formation de gouttelettes d'huile.
"Cette recherche élargit considérablement notre compréhension des facteurs moléculaires qui régissent la formation de gouttelettes lipidiques, qui sont des organites vitaux pour le stockage et le métabolisme de l'huile dans tous les organismes eucaryotes", a déclaré Changcheng Xu, biologiste au Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l'énergie, qui a dirigé l'étude. Les résultats, publiés dans Nature Communications , peut suggérer de nouvelles façons de modifier la teneur en huile de divers tissus végétaux.
Le biologiste du laboratoire de Brookhaven, Changcheng Xu, et son équipe ont exploré des moyens d'amener les plantes à accumuler plus d'huiles dans les feuilles et les tiges, des tissus végétatifs abondants qui pourraient être récoltés pour des applications bioénergétiques. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Le travail peut être particulièrement important pour éclairer les stratégies de génie génétique visant à augmenter la teneur en huile des feuilles et des tiges. Ces tissus végétaux n'accumulent généralement pas d'huile, mais ils pourraient être conçus comme une source abondante d'huiles durables pour la fabrication de biocarburants et d'autres produits de base, selon les scientifiques.
Les résultats s'appliquent également à l'accumulation d'huile dans les graines de plantes, le principal endroit où les huiles s'accumulent naturellement dans les plantes. Ces réservoirs naturels d'huiles végétales nourrissent les embryons et les semis de plantes, ainsi que les animaux et les humains.
"Nous avons constaté qu'une carence en un type particulier de stérol entraîne une baisse de l'accumulation d'huile dans les graines et les feuilles", a déclaré Xu.
Feu vert pour la production de pétrole
Xu et son équipe travaillent depuis des années pour augmenter l'accumulation d'huile dans les feuilles et les tiges des plantes.
"Les feuilles par rapport aux graines sont beaucoup plus abondantes en tant que matériau bioénergétique possible", a-t-il noté. "De plus, comme l'huile des graines est utilisée pour l'alimentation, nous nous efforçons d'accumuler de l'huile et d'autres bioproduits de base dans les parties des plantes autres que les graines, comme les feuilles et les tiges, afin d'éviter la concurrence entre la nourriture et le carburant."
Les gouttelettes brillent en vert :les scientifiques de Brookhaven Lab ont conçu des plantes Arabidopsis pour exprimer une protéine fluorescente verte attachée à l'oléosine, une protéine qui stabilise les gouttelettes lipidiques (LD). Dans la rangée supérieure, ces LD sont faciles à repérer au microscope à fluorescence dans les feuilles des plantes témoins (à gauche) mais pas dans les feuilles des mutants déficients en stérols (à droite). Les images au microscope électronique de la rangée inférieure montrent une augmentation de la taille de LD mais une diminution du nombre de LD dans les graines de mutants de stérol. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
L'équipe a fait quelques progrès pour amener les feuilles à accumuler des quantités substantielles d'huile, en utilisant la plante de laboratoire commune Arabidopsis.
Ils ont développé un moyen astucieux de suivre l'accumulation d'huile. Grâce au génie génétique, ils ont créé des plantes Arabidopsis dans lesquelles une protéine fluorescente verte est toujours attachée à une protéine appelée oléosine. L'oléosine ne s'accumule qu'à la surface des gouttelettes lipidiques. Il fait partie de la membrane entourant ces compartiments de stockage d'huile dans les cellules pour aider à les stabiliser. Si un échantillon de tissu végétal (feuille, tige ou graine) contient des gouttelettes lipidiques, elles apparaissent sous la forme de petits points verts au microscope à fluorescence.
"Nous avons traité nos plantes Arabidopsis avec un mutagène pour essayer de déclencher des mutations qui augmenteraient l'accumulation d'huile", a déclaré Xu, en utilisant la technique de fluorescence pour identifier les souches avec des points verts plus nombreux et/ou plus gros.
Ironiquement, ils ont fait leur découverte sur le stérol dans une souche d'Arabidopsis qui n'accumulait presque pas d'huile.
"L'objectif principal des travaux en cours était de déterminer quelle modification génétique a causé cette chute spectaculaire de l'accumulation de pétrole", a déclaré Xu. "Nous avons pensé que la recherche de ce gène pourrait nous donner de nouveaux gènes/protéines qui sont importants dans la formation ou l'accumulation de gouttelettes lipidiques."
Indices d'assemblage intérieur
À l'échelle microscopique, les scientifiques savent que des gouttelettes lipidiques se forment dans le "réticulum endoplasmique", ou RE, des cellules. Il s'agit d'un réseau interne de membranes à l'intérieur des cellules (et non la membrane entourant la cellule) qui agit comme une sorte d'usine, assemblant et emballant divers matériaux tels que des protéines et des lipides.
Formation de gouttelettes d'huile :l'huile (jaune) s'accumule entre les couches de la membrane qui forme le réticulum endoplasmique (RE) - un réseau de membranes dans le cytoplasme des cellules végétales. Les gouttelettes se développent et finissent par se pincer pour se mettre en suspension dans le cytoplasme. Mais ce processus ne se produit que dans certains microdomaines riches en stérols et oléosines le long de la membrane. L'équipe de Brookhaven émet l'hypothèse que le stérol est essentiel à la formation de ces microdomaines formant des gouttelettes. Crédit :Laboratoire national de Brookhaven
Des gouttelettes de stockage de lipides se forment lorsque l'huile commence à s'accumuler entre les deux couches de la membrane du RE, mais uniquement dans certaines régions du RE. Finalement, lorsqu'il y a suffisamment d'huile, les petits morceaux de membrane se pincent, laissant l'huile encapsulée dans des compartiments autonomes.
Comme le montre l'étude de Brookhaven, l'étude d'une plante qui n'accumule pas ces gouttelettes lipidiques peut fournir des indices sur les facteurs biochimiques qui régissent le processus et sur ce qui est unique dans les domaines particuliers du RE où il se produit.
Se concentrer sur le gène
Pour déterminer quelle mutation a déclenché la chute spectaculaire de l'accumulation d'huile, l'équipe de Brookhaven a utilisé une technique connue sous le nom de clonage positionnel - un moyen de rechercher chaque région des chromosomes pour identifier un gène particulier responsable d'une caractéristique d'intérêt. La technique a limité la recherche à une région spécifique dans l'un des chromosomes de la plante.
"Cette région contient encore des centaines de gènes candidats", a déclaré Xu.
Après avoir utilisé le séquençage du génome entier pour rechercher toute mutation dans cette région, l'équipe a identifié un gène qu'elle soupçonnait d'être impliqué. Le gène code pour une enzyme responsable d'une étape biochimique dans la synthèse en plusieurs étapes du stérol, une molécule apparentée au cholestérol présente dans le RE et d'autres membranes cellulaires.
En "éliminant" sélectivement la version normale (non mutée) de ce gène, les scientifiques ont pu reproduire l'effet de la mutation. C'est-à-dire que les plantes avec le gène assommé n'ont accumulé aucune gouttelette lipidique. De plus, le rajout du gène non muté a restauré l'accumulation de gouttelettes d'huile.
"Cette expérience a fourni des preuves claires que le stérol joue un rôle essentiel dans la formation de gouttelettes d'huile", a déclaré Xu.
Mais les scientifiques sont allés plus loin. Ils ont également étudié ce qui se passerait s'ils mutaient des gènes pour des enzymes "en amont" de cette enzyme particulière dans la voie de synthèse des stérols en plusieurs étapes. Et ils ont mesuré les niveaux de stérols chez ces mutants.
Les études détaillées leur ont permis de se concentrer sur le type spécifique de stérol qui, lorsqu'il est déficient, entraîne une faible accumulation d'huile.
Des mutations dans les mêmes gènes ont entraîné une réduction de l'accumulation d'huile dans les feuilles et les graines. Dans les graines, où les gouttelettes lipidiques sont plus faciles à voir, les scientifiques ont également mené des études quantitatives sur leurs formes et leurs tailles.
Ensemble, les résultats fournissent la preuve d'un rôle universel pour ce stérol particulier dans la formation de gouttelettes lipidiques.
"Nous pensons que ce stérol est vital pour la formation d'un microdomaine dans la membrane du RE qui est impliqué dans la formation de gouttelettes lipidiques", a déclaré Xu. "La carence en stérol entraîne un défaut dans la formation d'un tel microdomaine."
Maintenant qu'ils savent ce qui se passe lorsque ces gènes sont désactivés, les scientifiques suggèrent que des stratégies pour les activer et accélérer leur expression pourraient être un moyen d'augmenter l'accumulation d'huile dans les feuilles, les tiges ou les graines.
L'équipe explorera ces stratégies dans de futures expériences.
Référence :"Les stérols sont nécessaires pour l'assemblage coordonné des gouttelettes lipidiques dans les graines en développement" par Linhui Yu, Jilian Fan, Chao Zhou et Changcheng Xu, 22 septembre 2021, Nature Communications .
DOI :10.1038/s41467-021-25908-6
Ce travail a été financé par le DOE Office of Science (BES).
