Hugh Dickinson sur un nouvel article dans Science qui éclaire davantage l'Alternance des Générations. Quand une plante diploïde décide-t-elle de devenir haploïde ?

Quiconque a suivi un cours de botanique depuis le lycée connaîtra l'idée de la 'Alternance de générations'. Dans ce cercle botanique de la vie, les plantes inférieures (fougères et mousses) et les plantes à fleurs oscillent entre une génération de « gamétophytes » haploïde (un ensemble de chromosomes) – grande chez les plantes inférieures, réduite à quelques cellules chez les plantes à fleurs – et diploïde (2 ensembles de chromosomes) génération «sporophyte» - petite chez les plantes inférieures, la «plante principale» chez les plantes supérieures. La génération des gamétophytes (haploïdes), qu'elle soit grande ou petite, génère les cellules sexuelles (pollen et œufs des plantes à fleurs). Ceux-ci se réunissent ensuite pour former le sporophyte diploïde qui, à son tour, produit les gamétophytes - Amende DCal (comme on dit dans les partitions musicales).

Cycle de vie d'un angiosperme
Cycle de vie d'une angiosperme. Image : LadyOfHats / Wikipédia

Le passage du gamétophyte au sporophyte se produit lorsque le sperme et l'ovule se blottissent pour former un zygote, mais le moment où le passage du sporophyte au gamétophyte a lieu n'est pas clair. Les puristes voudraient que cette conversion se produise lorsque les produits de la méiose (spores) se divisent pour former du pollen ou des sacs embryonnaires chez les plantes à fleurs, 'prothalles' chez les fougères et les principaux corps végétaux des mousses et des hépatiques. Mais qu'en est-il de méiose – le processus par lequel la génétique les dés sont jetés Pour la génération haploïde suivante ? Certes, les cellules du sporophyte contribuent à la méiose, mais les événements nucléaires spectaculaires qui se produisent dans la lignée méiotique, au cours desquels des gènes sont échangés entre les chromosomes, n'appartiennent ni au sporophyte ni au gamétophyte et existent dans une sorte de limbes intergénérationnels.

Quoi qu'il en soit (un bon mot pour admettre que les botanistes ne seront jamais d'accord sur certains points), nous restons tristement ignorants du système de commutation qui décide quand une lignée cellulaire sporophytique se divisant joyeusement par mitose, développe soudainement un intérêt pour le sexe, « entre en méiose » et forme le gamétophyte. La plupart s'accordent à dire que le contrôle de ce commutateur – que la plante ne souhaite certainement pas déclencher par erreur – est probablement assez complexe et implique plusieurs systèmes génétiques – analogues à systèmes à « double clé » pour lancer l’Armageddon nucléaire (mais avec des conséquences sans doute moins dramatiques).

Cela semble certainement être le cas. Un groupe international de scientifiques dirigé par Arp Schnittger à Hambourg et publié dans Science vient de démêler le mécanisme de contrôle pour s'assurer que, dans la lignée femelle de la plante modèle Arabidopsis, une seule cellule entre dans la voie méiotique. Même cette étape simple nécessite une interaction entre un total de 3 systèmes de gènes (1) le WUSCHEL (WUS) famille de gènes qui régule la prolifération cellulaire dans toutes les plantes méristèmes, (2) Le RETINOBLASTOME-LIKE 1 (RBR1) voie génétique qui gère l'arrêt du cycle cellulaire et arrête la division cellulaire au bon moment, et (3) trois membres de la PROTÉINE LIÉE AU KIP (KRP) famille de gènes qui semblent diriger le spectacle et s'assurer que les choses se produisent au bon endroit et au bon moment. Lorsque ce système déraille, plus d'une des cellules méiotiques femelles normales (alias la «cellule mère mégaspore (MMC)») se forme; par exemple, dans le triple mutant KRP, 2 de ces cellules se développent, et dans le mutant RBR1, de nombreuses MMC se forment, toutes entassées dans le développement ovuler – l'organe sexuel féminin chez les plantes supérieures (voir images ci-dessous). Bien que ces multiples MMC subissent une méiose et se transforment en sacs embryonnaires capables d'attirer les tubes polliniques, aucune fécondation n'a lieu, ce qui suggère que le système s'échoue plus tard dans le développement.

L'effet de la mutation des gènes contrôlant « le passage au sexe » dans l'ovule d'Arabidopsis
Effet de la mutation des gènes contrôlant la différenciation sexuelle dans l'ovule d'Arabidopsis : A – ovule normal de type sauvage avec un seul complexe moteur migrant (CMM) ; B – ovule triple mutant KRP contenant deux CMM ; C – ovule mutant RBR1 avec plusieurs CMM. Illustration de Rosemary Wise d'après les images de l'article d'Arp Schnittger.

Est-ce que tout cela a de l'importance dans le grand schéma des choses? Oui, c'est certainement le cas. L'un des principaux objectifs de R&D pour l'industrie des biotechnologies végétales est de pouvoir produire 'apomictique' graine génétiquement identique à sa plante mère (n'ayant pas eu ses gènes recombinés par le méiotique 'bandit à un bras'). Arp Schnittger et ses collègues ont maintenant entre les mains le système qui contrôle l'entrée au tout premier stade du développement féminin et - s'ils peuvent le modifier pour produire un mitotique plutôt qu'une cellule méiotique - leur voie sera ouverte pour générer un ou plusieurs sacs embryonnaires diploïdes. D'accord, la pollinisation est normalement requise à la fois pour ajouter un noyau paternel et le développement de la graine de "démarrage", mais il existe des processus dans certaines plantes où cela peut être contourné. La réunion de ces systèmes pourrait aboutir à une technologie qui transformerait l'industrie de la sélection végétale.

Hugh Dickinson est professeur émérite de biologie de la reproduction des plantes (et président du Annals of Botany Société ). Ses recherches portent sur la biologie cellulaire, la génétique et la programmation épigénétique des lignées de cellules reproductrices (cellules germinales).