Il y a beaucoup d'énergie à l'intérieur des plantes, mais il n'est pas toujours facile d'y accéder. Les parois cellulaires sont construites à partir de cellulose, ce qui maintient les cellules végétales rigides. Malheureusement, la cellulose est notoirement difficile à décomposer. Certains animaux peuvent le traiter, mais ce n'est pas simple. Un nouvel article, par Adriana Grandis et ses collègues, examine comment la canne à sucre peut décomposer la cellulose pour former le aérenchyme.

L'aérenchyme n'est pas rigide. C'est un tissu spongieux, riche en espaces et en canaux permettant la circulation de l'air. Le professeur Marcos Buckridge, co-auteur de l'étude, explique pourquoi l'aérenchyme est si crucial pour la canne à sucre : « L'aérenchyme racinaire est considéré comme un facteur d'augmentation de la capacité à maintenir une bonne oxygénation des tissus racinaires. Il protège ainsi la racine contre l'hypoxie (manque d'oxygène) provoquée par l'engorgement ou l'inondation. Nous avons recherché des variétés de canne à sucre dépourvues d'aérenchyme, mais nous n'en avons pas encore trouvé, du moins parmi les variétés brésiliennes que nous avons étudiées. De nombreuses graminées, dont le riz, le sorgho et le maïs, forment de l'aérenchyme. Le maïs a fait l'objet d'études plus approfondies ; dans son cas, l'aérenchyme racinaire ne se forme que lorsqu'il est inondé ou engorgé d'eau. Le riz, le sorgho et la canne à sucre forment de l'aérenchyme racinaire indépendamment de toute induction par un signal externe (l'aérenchyme est donc constitutif). »

Une façon d'avoir une meilleure idée du fonctionnement de l'aérenchyme serait de modifier une plante pour qu'elle en ait moins. Et c'est le travail sur lequel l'équipe du professeur Buckeridge travaille. « Nous avons essayé de supprimer la formation d'aérenchyme dans la canne à sucre. Nous avons essayé, par exemple, d'ajouter des substances qui inhibent la signalisation de l'hormone éthylène (Tavares et al., 2018), qui est bien connu pour induire la formation d'aérenchyme, mais ne pouvait pas encore le faire. Nous avons également tenté d'augmenter un répresseur de la première étape (dégradation de la pectine), le facteur de transcription scRAV1 (caractérisé par Tavares et al., 2019), mais a découvert qu'il existe des mécanismes qui semblent "protéger" la formation de l'aérenchyme, dans ce cas un micro-ARN qui cible le facteur de transcription.

"Il est possible que l'aérenchyme soit également important pour l'amélioration de la croissance de la canne à sucre, car il peut fournir une oxygénation des racines, indépendamment des inondations ou de l'engorgement. Il est bien connu des sélectionneurs que des racines plus profondes et à croissance rapide améliorent la production de canne à sucre. L'aérenchyme a peut-être été sélectionné à l'aveuglette par les sélectionneurs, alors qu'ils recherchaient une croissance, une production de sucre et de biomasse plus élevées.

C'est la façon dont les aérenchymes se forment qui en font une caractéristique si utile à étudier. La canne à sucre ne pousse pas avec ces canaux d'air préformés. Au lieu de cela, il y a un processus de démolition à l'intérieur de l'usine à mesure qu'elle grandit. Le professeur Buckeridge a déclaré que cela pourrait déjà être familier aux lecteurs de Botany One. "La formation de l'aérenchyme peut être divisée en modules (Grandis et al., 2014, Tavares et al., 2015). Le phénomène est décrit dans Leite et al. 2017/XNUMX/XNUMX, et un film de sa formation dans la racine est disponible en téléchargement en tant que matériel supplémentaire ou directement de Botany One. La première étape est la signalisation. Probablement une seule cellule du cortex « sent » l'équilibre entre l'éthylène (produit localement) et l'auxine (provenant des feuilles) et entre dans la deuxième étape qui se caractérise par deux caractéristiques : la séparation cellulaire (attaque des enzymes à la lamelle moyenne) et expansion cellulaire. Dans le même temps, la mort cellulaire programmée commence (voir aussi l'article précédent de Botany One). Au fur et à mesure que les cellules meurent, elles produisent des enzymes de manière synchrone pour modifier la composition de la paroi cellulaire (Grandis et al., 2019), formant un composite (Leite et al., 2017) qui devient progressivement récalcitrant aux hydrolases (Grandis et al., 2019) et finissent par créer des canaux qui sont censés être imperméables aux gaz et forment une série de voies interconnectées qui conduisent l'oxygène à travers la racine.

Tout en examinant comment les formes d'aérenchyme peuvent sembler ésotériques, c'est une question précieuse. Il pourrait être très avantageux de comprendre comment il se forme. Le professeur Buckeridge a déclaré : « Notre article pourrait être intéressant pour ceux qui voudraient en savoir plus sur la façon dont nous pouvons manipuler les plantes pour produire plus de bioénergie à partir de la biomasse végétale. Pour ce faire, il est essentiel d'obtenir les sucres à partir de substances comme la cellulose. En le cassant, on produit du glucose qui peut être donné à la levure qui fermente le sucre et produit de l'éthanol. Cependant, cela est très difficile car les parois cellulaires (le composite se trouvant à l'extérieur de toutes les cellules végétales) sont beaucoup plus compliquées et contiennent plusieurs autres polymères en plus de la cellulose. Notre article décrit comment les gènes sont activés pour produire des protéines (enzymes) qui peuvent casser ces polymères. Cela fait partie d'une stratégie visant à faire en sorte que les plantes de canne à sucre se comportent comme un fruit, devenant molles et faciles à obtenir pour l'industrie des sucres pour la production d'éthanol.

L'amélioration de ce processus de conversion des sucres en éthanol pourrait contribuer à réduire les émissions de dioxyde de carbone. Le professeur Buckeridge a déclaré : « La canne à sucre est l'une des principales cultures bioénergétiques de la planète. En plus d'être la principale source de sucre (saccharose) utilisé à des fins alimentaires, c'est également l'une des principales sources d'éthanol à utiliser comme biocarburant. L'expansion de la canne à sucre au Brésil sans aucun effet sur la production alimentaire ou sur la conservation des biomes, y compris la forêt tropicale, suffirait à déplacer jusqu'à 6% de l'essence utilisée dans l'usine et également à réduire les émissions de CO₂ jusqu'à 14 % sur la base de 2014 (Jaiswal et al., 2017). Pour atteindre des objectifs comme celui-ci, nous aurions besoin d'utiliser non seulement les sucres libres (saccharose) déjà disponibles dans les tissus de la canne à sucre, mais nous aurions besoin d'obtenir les sucres des parois cellulaires. Ainsi, l'un des processus critiques pour produire de l'éthanol à partir de la biomasse des plantes s'appelle l'hydrolyse. Ce dernier processus est nécessaire car plus de 60% de la masse (à l'exception de l'eau) d'une plante est constituée de parois cellulaires. C'est ce que nous appelons le bioéthanol de 2e génération (2G).

"Parce que j'ai travaillé toute ma carrière (maintenant 38 ans) avec le processus endogène de dégradation de la paroi cellulaire des graines (Buckeridge et al., 2005), lorsque la question de la bioénergie est devenue importante vers le milieu de la décennie 2000, j'ai décidé de rechercher des processus de développement dans la canne à sucre où les parois cellulaires étaient dégradées. À l'époque, un de mes doctorants travaillait sur le développement de la papaye. Nous observions des processus assez intéressants dans lesquels les cellules du fruit se séparent (le ciment - la lamelle moyenne - est dégradé par les enzymes) et la douceur du fruit mûr donne le goût sucré au consommateur. J'ai pensé que nous pourrions peut-être trouver des processus de développement dans la canne à sucre qui seraient analogues à ce que j'ai étudié dans les graines et les fruits et essayer de les utiliser pour réorganiser la canne à sucre pour qu'elle se ramollisse comme un fruit. A partir de ce moment, j'ai nommé ce projet la « canne à papaye ». Nous avons d'abord cherché cela dans la sénescence des feuilles mais n'avons trouvé aucun signe de modification de la paroi cellulaire (Martins et al., 2016). Nous avons continué à chercher jusqu'à ce que nous trouvions l'aérenchyme. Nous avons été impressionnés car tout le cortex des racines s'est effondré, laissant des débris de parois cellulaires. Mon groupe a ensuite été chargé d'étudier l'aérenchyme de la canne à sucre en ce qui concerne les événements associés aux parois cellulaires. La description du processus a été publié en 2017 dans Annals of Botany, et maintenant nous rapportons les mécanismes d’expression des gènes, de production de protéines et d’activité enzymatique impliqués dans la formation de l’aérenchyme.

"Avec d'autres chapitres et articles publiés (Grandis et al, 2014,  Buckeridge et De Souza, 2014, Tavares et al., 2015, et autres), nous nous rapprochons de ce que devrait être la canne à papaye. Nous avons de bonnes preuves qu'une attaque des pectines dans la lamelle moyenne (comme cela se produit dans le fruit) est ce qui déclenche le développement de l'aérenchyme et pourrait faire le travail d'adoucir la biomasse de la canne à sucre. En utilisant un facteur de transcription découvert par Tavares et al. (2019), qui contrôle la première étape du processus, nous avons produit des plantes génétiquement modifiées. Ceux-ci sont en cours d'analyse pour voir s'ils pourraient être proches de ce que nous attendons de la canne à papaye.

Alors que l'article répond à certaines questions sur la façon dont l'aérenchyme se forme, il reste encore beaucoup de travail à venir, le professeur Buckeridge a déclaré : « L'un des principaux objectifs de cette ligne de recherche dans mon laboratoire est de comprendre les mécanismes qui pourraient être utilisés pour contrôler l'hydrolyse. des parois cellulaires pour adoucir tout le corps de la plante de canne à sucre. Nous pensons maintenant que cela peut être fait en déclenchant la première étape de la formation de l'aérenchyme, c'est-à-dire la séparation des cellules. Cette première étape à elle seule peut être suffisante pour aider à réduire la demande d'énergie pour le processus de production de bioéthanol 2G à partir de la canne à sucre.

Le second objectif concerne la production d'hydrolases plus efficaces. Nos travaux contribuent au développement de cocktails enzymatiques spécifiques à l'hydrolyse de la cellulose et des hémicelluloses de la canne à sucre, afin de faciliter le prétraitement et l'hydrolyse de la biomasse broyée. L'idée est que les hydrolases de paroi cellulaire produites par la plante contre ses propres parois cellulaires pourraient être plus efficaces dans un procédé industriel. Parmi une collection d'environ 1 200 enzymes différentes liées à la paroi cellulaire de la canne à sucre que nous avons identifiées à ce jour (données à paraître), nous avons utilisé les connaissances acquises grâce à nos études sur l'aérenchyme de la canne à sucre pour sélectionner deux enzymes candidates. Nous avons cloné et caractérisé ces gènes (une endopolygalacturonase et une alpha-arabinofuranosidase) et les avons exprimés de manière hétérologue chez la levure. Ces enzymes sont actuellement en cours de caractérisation, et nous prévoyons de les intégrer aux cocktails enzymatiques utilisés dans l'industrie afin de tester l'hypothèse selon laquelle l'efficacité serait accrue grâce à l'utilisation d'enzymes végétales.

L'un des principaux défis auxquels nous sommes confrontés, et auxquels nous sommes encore confrontés, est l'absence de séquence complète du génome de la canne à sucre. Cependant, des progrès significatifs ont été réalisés récemment, et nous avons désormais accès à des ébauches de génomes qui contribuent à l'obtention de séquences complètes, de promoteurs et d'informations beaucoup plus détaillées sur les enzymes. Nous disposons déjà d'une liste de 29 hydrolases de canne à sucre qui semblent être de bonnes candidates pour être utilisées comme additifs dans des cocktails enzymatiques commerciaux. Grâce aux séquences complètes obtenues à partir du génome et à l'expression hétérologue subséquente de ces enzymes dans des micro-organismes, les cocktails enzymatiques pourraient être considérablement améliorés. Une autre voie consisterait à activer des consortiums enzymatiques au sein des tissus de la canne à sucre afin de promouvoir l'endohydrolyse et ainsi rendre le procédé industriel indépendant des prétraitements. Pour atteindre cet objectif, il faudrait « installer » un système de formation d'aérenchyme dans les autres organes de la plante. À mesure que nous développons des outils et que nous comprenons les mécanismes, je pense qu'il s'agit d'un défi passionnant pour la biologie synthétique dans un avenir proche.