Les scientifiques ont franchi une étape importante vers la construction de la première usine numérique au monde en développant un modèle informatique sophistiqué qui a également résolu l'un des mystères les plus persistants de la science végétale : le rôle de l'horloge biologique.

Quiconque a souffert du décalage horaire peut s'identifier aux effets dévastateurs d'une horloge biologique perturbée. Maintenant, une nouvelle étude a révélé que les plantes souffrent également lorsque leurs horloges ne sont pas synchronisées.

En créant une plante soumise à un décalage horaire permanent – ​​l’équivalent d’un vol quotidien entre New York et le Royaume-Uni –, des chercheurs ont découvert que la perturbation de l’horloge biologique d’une plante a un impact sur sa croissance. L’équipe a également créé un modèle informatique de cette plante « soumise au décalage horaire » capable de prédire avec précision l’effet sur sa croissance et de révéler les voies moléculaires affectées par des gènes d’horloge défectueux.

Un diagramme complexe qui est décrit dans la légende.
Fonctionnement du modèle Arabidopsis Framework version 2 (FMv2). Les composants de modèle qui sont mis à jour dans FMv2 sont délimités par des rectangles doubles, avec des noms de modèle abrégés (à gauche). Les principaux résultats des nouveaux modèles sont représentés par des flèches quittant les rectangles de délimitation. Le modèle d'horloge P2011 ne montre que les gènes d'horloge pour plus de clarté. Gènes du matin ou du jour, symboles jaunes ; gènes du soir et complexe du soir (EC), symboles gris. Les gènes PRR9 et PRR7 qui sont inactivés dans le double mutant prr7prr9 sont marqués d'un ovale en pointillés. Les composants de P2011 pilotent le modèle de dégradation de l'amidon S2014 via le composant « T » (au centre) et le modèle de coïncidence externe S2015 (en bas à gauche). S2015 contrôle l'allongement de l'hypocotyle dépendant de la photopériode (Hypoc.) en déclenchant rythmiquement la voie PhyB/PIF/ATHB2, et le florigène FT par la voie CDF1/FKF1/CO. Le dessin animé S2015 distingue les composants de l'ARN (parallélogrammes) des protéines (rectangles arrondis). Les entrées lumineuses sont affichées sous forme de clignotements. Parmi les composants du modèle retenus du FMv1, le modèle dynamique du carbone (encadré en vert) comprend des réserves de carbone actualisées d'amidon, de malate et de fumarate (Mal + Fum), et fournit le sucre comme source de carbone pour la croissance. Ceci est attribué en fonction de la demande des puits de feuilles (bleu) et de racines (rouge) dans le modèle de plante fonctionnel-structurel, qui utilise la biomasse foliaire pour calculer la surface projetée de la rosette pour la photosynthèse (surface proj.). Lorsque le modèle photothermique (en bas à droite) atteint le seuil de floraison, la simulation se termine. Crédit: in silico Plants (2022). DOI : 10.1093/insilicoplants/diac010

Cette avancée représente un pas en avant significatif dans la création d'un organisme numérique multicellulaire complexe, un exploit qui a rarement été réalisé en dehors des microbes unicellulaires.

Cette approche, qui fait l'objet de discussions depuis plus d'une décennie, devrait bientôt s'étendre à d'autres voies régulées par l'horloge biologique et conduire à de nouvelles connaissances sur la biologie végétale en général, susceptibles d'améliorer les rendements agricoles et la résilience des cultures afin de mieux faire face aux changements climatiques.

Toutes les plantes possèdent une horloge biologique, un système de régulation temporelle moléculaire qui détecte les variations environnementales et prépare la plante aux changements de cycle jour/nuit et de saison. Bien que chaque cellule végétale semble posséder sa propre horloge, qui contrôle environ 30 % de ses gènes, son rôle dans la croissance des plantes restait jusqu'alors mal connu.

Pour résoudre ce problème, une étude menée par des chercheurs de l'Université d'Édimbourg a examiné les effets des mutations dans les gènes de l'horloge d'Arabidopsis thaliana, une espèce végétale largement étudiée. Les plantes mutantes de l'horloge ont permis à l'équipe de déterminer si les gènes de l'horloge étaient impliqués dans la libération nocturne par la plante du sucre stocké dans l'amidon, qui alimente leur croissance.

Les plantes doivent gérer avec soin l'énergie qu'elles captent par la photosynthèse pendant la journée. Libérer le sucre des magasins d'amidon trop rapidement ou trop lentement pendant la nuit peut bloquer leur croissance. Les scientifiques ont étudié la croissance des plantes Arabidopsis avec des mutations dans leurs gènes d'horloge qui ralentissaient trop l'horloge, comme si la journée durait 29 heures au lieu de 24 heures.

Chez ces mutants, la libération nocturne des sucres de l'amidon était plus lente que chez les plantes normales et la croissance était réduite.

Ils ont également créé un modèle informatique de ces mutants d'horloge, connu sous le nom de modèle cadre, qui combinait des modèles mathématiques de l'activité des gènes d'horloge avec des modèles métaboliques et physiologiques. Les résultats ont révélé que le modèle cadre simulait avec précision les effets sur la croissance des plantes, prédisant correctement que la lente libération des sucres de l'amidon pendant la nuit chez les mutants d'horloge était responsable du ralentissement de leur croissance.

Ces résultats contrastent avec des études antérieures sur d'autres mutants de l'horloge biologique, qui indiquaient que les perturbations de cette horloge interrompent la croissance des plantes en affectant des processus clés de la photosynthèse. Outre la mise en évidence du rôle de l'horloge biologique de 24 heures de la plante, le modèle a permis de relier les gènes, via des voies moléculaires mesurables, à leur impact sur la plante entière – un défi classique en génétique.

Cette réalisation équivaut à comprendre un syndrome de santé humaine causé par un changement génétique qui influence subtilement de multiples voies physiologiques.

La prochaine étape de l'équipe consiste à utiliser le modèle de cadre Arabidopsis pour prédire comment la séquence du génome de la plante contrôle ces caractéristiques et traits physiques, connus sous le nom de phénotype. En cas de succès, l'approche pourrait être appliquée plus largement et conduire à la compréhension « grande unifiée » recherchée de la biologie, révélant l'interaction entre les génomes et les systèmes vivants qu'ils créent.

En utilisant cette approche, qui vise à prédire le fonctionnement des systèmes vivants, des modèles similaires pourraient être développés pour aider à donner un sens aux vastes ensembles de données générés par les progrès du séquençage du génome. Ce type d'avancée pourrait également démêler la complexité des résultats moléculaires pour déchiffrer lesquels sont les plus importants et ont le plus grand impact sur la santé et la maladie des organismes vivants.

Le professeur Andrew Millar de l'École des sciences biologiques de l'Université d'Édimbourg, déclare que « le succès du modèle Framework montre que nous pouvons comprendre les effets subtils au niveau de la plante entière, dans ce cas simplement en modifiant le moment de l'expression des gènes. Par « comprendre », nous entendons « expliquer et prévoir ». Tous les détails de ce modèle ne seront pas transférés aux espèces cultivées, mais il étend les «preuves de principe» pour informer l'amélioration des cultures au niveau moléculaire.

LIRE L'ARTICLE
Chew, YH, Seaton, DD, Mengin, V., Flis, A., Mugford, ST, George, GM, Moulin, M., Hume, A., Zeeman, SC, Fitzpatrick, TB, Smith, AM, Stitt, M. et Millar, AJ (2022) "Le Arabidopsis La version 2 du modèle de cadre prédit les effets au niveau de l'organisme de la mauvaise régulation des gènes de l'horloge circadienne », in silico Plants, 4(2). Disponible à: https://doi.org/10.1093/insilicoplants/diac010.

Message d'origine à l'Université d'Édimbourg.