Arabidopsis thaliana est le laboratoire des sciences végétales. Des mutations dans certains gènes peuvent révéler les effets des hormones sur les plantes, mais il peut être difficile de modifier une réponse sans en modifier d'autres.
Comment fonctionnent les plantes ? Une méthode courante pour comprendre le fonctionnement des différents éléments d'une plante consiste à obtenir un mutant et à le tester sur une plante connue afin d'en observer les effets. Arabidopsis thaliana est l'usine idéale pour ce type de travaux. Il a un petit génome bien connu. Il y a aussi un grand nombre de personnes qui y travaillent, il est donc possible de comparer les résultats.

Tetiana Kalachova, Martin Janda et collègues ont travaillé avec un mutant particulier d'Arabidopsis, pi4kβ1β2. Ce mutant accumule de l'acide salicylique, un composant clé de l'aspirine analgésique. Les plantes n'ont pas de maux de tête, mais elles sont stressées, et l'acide salicylique est une hormone essentielle pour soulager le stress. L'équipe a déjà constaté que le pi4kβ1β2 le mutant a un retard de croissance, un dépôt de métabolites secondaires dans les feuilles, ainsi qu'une résistance à plusieurs agents pathogènes. Mais déterminer précisément ce que pi4kβ1β2 La mutation est complexe, comme l'explique le professeur Ruelland, auteur de l'étude. « Si l'on observe directement le mutant, on observe probablement l'effet d'une forte accumulation de SA. L'effet des mutations indépendantes de cette forte concentration peut être masqué. »

En analysant le rôle de la mutation, les auteurs ont pu examiner d'autres effets de ces changements. Le professeur Ruelland a déclaré : « Nous souhaitons comprendre le rôle des phosphatidylinositol 4-kinases bêta 1 et 2. Ce sont des enzymes impliquées dans la synthèse des phosphoinositides. Elles interviennent dans des processus tels que le trafic, la signalisation, etc. Il est important de pouvoir identifier les processus contrôlés par ces enzymes. »

Pour savoir ce que pi4kβ1β2 se sont passés d'acide salicylique, les auteurs ont franchi une pi4kβ1β2 mutant avec un sid2 mutante. sid2 est une plante utile car elle produit peu d'acide salicylique. Ainsi, la progéniture de ces deux plantes devrait avoir les effets de pi4kβ1β2 Hormis les bienfaits d'une teneur plus élevée en acide salicylique, cette préparation, explique le professeur Ruelland, a nécessité des mois de travail pour obtenir les plantes nécessaires au démarrage de l'étude. « La création de mutants multiples (porteurs de plusieurs mutations simultanément) est un processus en plusieurs étapes. Le cycle de vie d'Arabidopsis étant relativement court, le processus complet de création d'un mutant triple requiert 3 à 4 générations complètes, soit 6 à 8 mois (si tout se déroule sans accroc). Dans un premier temps, il faut féconder un mutant d'intérêt avec le pollen d'un autre. C'est une opération délicate, mais réalisable avec un peu d'entraînement. On observe ensuite la croissance d'une silique hybride, on récolte les graines et on les sème. Il s'agit de la génération F1. Une fois que les plantes F1 ont développé des feuilles, il est possible de prélever des échantillons pour le génotypage. Si le croisement a réussi (les plantes F1 sont hétérozygotes pour les mutations d'intérêt), plusieurs plantes sont laissées à l'autofécondation afin d'obtenir des graines F2. Les plantes F2 sont ensuite cultivées et génotypées, l'objectif étant de rechercher des individus homozygotes. »

Si les mutations d'intérêt sont indépendantes (c'est-à-dire que les gènes sont situés sur des chromosomes différents, ou sur le même chromosome mais à une distance suffisamment grande pour permettre une transmission indépendante), la probabilité d'obtenir des plantes homozygotes en F2 pour chaque mutation est de 1/4. En raison des lois de Mendel, cette probabilité est de 1/16 pour un double mutant et de 1/64 pour un triple mutant. Chaque mutation supplémentaire multiplie les combinaisons possibles d'allèles et allonge ainsi le processus de ségrégation. Ce processus se complexifie si une mutation (ou leur présence simultanée) affecte fortement la croissance ou la fertilité.

Les auteurs ont testé les réponses des plantes aux agents pathogènes et les ont comparées à celles des plantes mères et de l'Arabidopsis sauvage. Les résultats montrent l'importance de l'acide salicylique dans la gestion des défenses contre l'infection grâce à une interaction avec d'autres hormones végétales. L'un des résultats les plus surprenants est que « l'accumulation de callose et la pénétration fongique étaient toutes deux améliorées chez le double mutant pi4kβ1β2 par rapport aux plantes sauvages ». Ce résultat peut paraître étrange, car la callose est un mécanisme de défense utilisé par la plante pour lutter contre les infections fongiques. Comment ces deux mesures ont-elles pu augmenter ? Le professeur Ruelland explique qu'il s'agit d'étudier le fonctionnement de la callose dans la plante.

La callose se dépose généralement dans la paroi cellulaire lors d'une infection ou d'une lésion. Cependant, son rôle est encore controversé. Elle peut servir à la fois de barrière physique et de signal aux cellules voisines. Lors de la pénétration fongique, des papiles, puis des hyphes, s'invaginent dans les cellules végétales, et ce « point de contact » est renforcé par la callose. De plus, la callose est stockée autour des cellules non attaquées, celles qui reconnaissent la présence fongique grâce à des marqueurs chimiques.

"À la fois sid2pi4kβ1β2 et pi4kβ1β2 Chez les mutants, le dépôt de callose est généralement mal régulé : ils en produisent trop en réponse à une stimulation. Cependant, cela n’a pas suffi à empêcher la pénétration du pathogène. Une autre explication pourrait être que la présence accrue de callose chez les mutants n’est qu’un indicateur d’une plus grande efficacité du pathogène. La raison pour laquelle l’absence de PI4K rend les plantes sensibles aux champignons non hôtes reste cependant inconnue.
Le rôle de l'acide salicylique est un sujet qui méritera d'être approfondi, comme l'a déclaré le professeur Ruelland. « Des hormones importantes comme les dérivés de l'acide abscissique et les conjugués d'auxine sont régulées par un taux élevé d'acide salicylique. Nous aimerions en savoir plus sur la façon dont l'acide salicylique contrôle les concentrations de ces hormones. »

Ces recherches auront une valeur pratique pour les sélectionneurs de plantes en dehors du laboratoire. Le professeur Ruelland a déclaré : « Notre objectif général est de comprendre le fonctionnement du système immunitaire des plantes afin de créer des variétés végétales résistantes. En effet, les manipulations des caractères de productivité compromettent souvent les défenses immunitaires et peuvent même rendre les plantes sensibles à des agents pathogènes inhabituels. Nous pensons que la machinerie de signalisation des phospholipides pourrait être modifiée pour améliorer l'immunité basale des plantes et les protéger contre les agents pathogènes à évolution rapide. »