La sélection rapide est une nouvelle technologie agricole qui peut créer des cultures améliorées deux fois plus vite que l'élevage conventionnel. Cette méthode raccourcit le temps de génération de reproduction en trompant l'horloge circadienne rigide de la plante en manipulant la durée et la température de la lumière.

Alors que la méthode de sélection rapide a été principalement menée sous des lumières LED blanches, des études antérieures ont démontré que l'exposition à différentes qualités de lumière peut également favoriser la croissance et le développement des plantes. Pourtant, la qualité optimale de la lumière et la photopériode associée sont inconnues en raison d'interactions complexes entre de multiples photorécepteurs et des protéines contrôlant la croissance des plantes.

Dans un article récemment publié dans in silico Plants, Dr Mathias Foo, professeur adjoint à la School of Engineering de l'Université de Warwick, et associés utilisé la modélisation informatique des plantes pour comprendre les effets des qualités et de la photopériode sur la croissance des plantes.

Les plantes détectent et réagissent à la lumière en utilisant des récepteurs, des phytochromes et des cryptochromes, qui régulent les composants internes de l'horloge circadienne. L'horloge génère des rythmes biologiques et les exporte vers des gènes régulés en aval pour coordonner les événements de développement tout au long de la vie de la plante.

Les auteurs ont utilisé la modélisation pour identifier les mécanismes moléculaires de l'horloge circadienne qui sont sensibles à différentes qualités de lumière et affectent la croissance des plantes. Tout d'abord, ils ont créé un nouveau modèle en incorporant un fonction qualité de la lumière avec un simple modèle d'horloge circadienne des plantes.

Le modèle d'horloge circadienne comporte quatre groupes de gènes avec de multiples boucles imbriquées et des entrées de lumière, ce qui lui permet de répondre à une large gamme de traitements de durée lumière/obscurité. Le modèle comprenait une variable sensible à la lumière appelée protéine P en remplacement des phytochromes qui affectent l'horloge circadienne. La protéine P est indépendante de la couleur de la lumière. Pour étudier l'impact des lumières rouges et bleues, les auteurs ont remplacé la protéine P par une fonction de qualité de la lumière composée de trois photorécepteurs, le phytochrome A, le phytochrome B et le cryptochrome 1, qui sont respectivement sensibles à la lumière rouge et bleue.

Cette étude s'est concentrée sur la croissance de l'hypocotyle. L'hypocotyle est la tige de la plantule située au-dessus de la racine et sous les feuilles des graines. L'hypocotyle est la principale partie en croissance d'un semis de plante, il sert donc de proxy pertinent pour relier les qualités lumineuses à la croissance des plantes.

Les auteurs ont inclus un autre élément dans leur modèle. L'un des processus de développement contrôlés par la lumière les mieux caractérisés est la photomorphogenèse des semis (à la lumière) et la skotomorphogenèse (dans l'obscurité). La photomorphogenèse est caractérisée par l'inhibition de l'allongement de l'hypocotyle et de la tige, l'ouverture des cotylédons, la différenciation des chloroplastes et l'accumulation de chlorophylle et l'expansion des feuilles. À l'inverse, la skotomorphogenèse est caractérisée par de longs hypocotyles et des tiges allongées, des cotylédons fermés avec des crochets apicaux, des feuilles non développées et des plastes et chloroplastes indifférenciés. Le passage de la skotomorphogenèse à la photomorphogenèse est régulé par le centre de signalisation lumineuse COP1 (CONSTITUTIVE PHOTOMORPHOGENENIC1/SUPPRESSOR OF PHYA-105 E3 ligase complex).

Foo explique l'importance de l'inclusion de COP1 dans leur modèle :

« Il a été récemment découvert que les cascades de signalisation des photorécepteurs activés par la lumière rouge et bleue entrent en compétition avec les facteurs de transcription en aval pour se lier à COP1. Cela pourrait conduire à un allongement plus important de l'hypocotyle sous une lumière rouge que sous une lumière bleue et rouge/bleue. Nous avons donc inclus COP1 dans notre modèle étudiant la qualité de la lumière. C'est la première fois que cette interaction est incluse dans un modèle de croissance des plantes.

Le nouveau modèle a prédit que les récepteurs de lumière rouge et bleue, le phytochrome et le cryptochrome, se lient de manière compétitive au COP1 dans des conditions de lumière mixte (c'est-à-dire rouge et bleu), entraînant un allongement plus important de l'hypocotyle dans des conditions de lumière rouge que dans des conditions de lumière mixte. Pour valider ces résultats, les auteurs ont cultivé des plantes d'Arabidopsis sous une lumière rouge, bleue ou rouge/bleue pendant trois photopériodes différentes pendant 10 jours et ont mesuré leur longueur d'hypocotyle. La prédiction simulée a été confirmée par les données expérimentales.

Fou conclut :

« Notre modèle a révélé qu'une qualité et une durée de lumière optimales peuvent accélérer la croissance des plantes. Ce modèle peut être utilisé pour aider les experts à se concentrer sur certains ensembles prometteurs de qualités lumineuses et de combinaisons de photopériodes, ce qui conduit finalement à réduire considérablement le temps et les ressources expérimentaux.

LIRE L'ARTICLE:

Miao Lin Pay, Dae Wook Kim, David E Somers, Jae Kyoung Kim, Mathias Foo, Modélisation de l'horloge circadienne des plantes pour caractériser la croissance de l'hypocotyle dans différentes conditions de qualité de lumière, in silico Plants, 2022 ;, diac001, https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac001